基于层次化模型的无线回传约束拓扑规划研究

作     者：李逸聪 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘怡俊

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：无线回传拓扑规划 层次化模型 最小生成树 4-2叉树模型 Delaunay三角网 

摘      要：Relay无线回传方案利用FDD LTE或TDD LTE制式承载来为站点回传,相对微波有较强的非视距传输能力,可以解决城区、郊区等场景下的传统传输方式不可达的问题,因此成为当前无线通信网络部署的主流方案。根据设备选型、通信距离、站点连接方式、站点部署位置和站点间拓扑关系等约束条件,设计合理的宿主站、子站部署和连接方案以降低基站部署成本和减少路径传播损耗是Relay无线回传方案设计中的核心问题。为此,论文提出基于层次化模型的无线回传约束拓扑规划方法,在此基础上提出低成本的拓扑规划寻优方法和替换完备边集的优化方法以实现低成本和低损耗的无线回传拓扑规划。论文的主要工作如下:（1）为了有效刻画卫星、宿主站与子站间的拓扑,借助层次化模型以有效表达层次化的通信网络结构,并将整个通信网络划分为局部通信子网、区域通信子网和全局通信网络。其中,宿主站与其连接的子站构成局部通信子网;宿主站之间的通信构成区域通信子网;宿主站与卫星间的通信构成全局通信网络。利用距离门限值将候选站点划分为若干个独立的连通组分。为按照约束条件构建通信子网,提出一种4-2叉树模型对每个连通组分进行划分。在连通组分基础上,所有的宿主站按照50km的距离门限值和最小生成树模型,划分为若干个具有最短通信路径的区域通信子网,并将每个区域通信子网当成卫星的一个信道。最后,按照每个卫星最多8个信道的要求,构建满足约束条件的全局通信网络。实验结果表明,经层次化树状模型构建的无线回传拓扑架构能较好地满足约束条件,且能保持完整的站点信息。（2）为设计总体低成本的拓扑规划方案,在基于满足约束条件的拓扑规划基础上,本文提出一种低成本的拓扑规划寻优方法。低成本的拓扑规划方案的优化重点是在满足拓扑约束条件的前提下减少通信网中宿主站个数和卫星个数。因此,该方法为实现宿主站个数最少的目标,通过选取每个连通组分中宿主站个数最小的局部通信子网的组网方案实现。卫星个数由宿主站的区域通信子网个数决定,而区域通信子网个数取决于连通组分中宿主站的分布。所以,本文将每个连通组分的宿主站个数最小的局部通信组网方案的笛卡尔积组合作为成本优化的解集,通过逐步优化的方法确定低成本的拓扑规划方案。实验结果表明,在满足拓扑规划约束条件下,本文提出的低成本拓扑寻优方法相比于其他两种对比方法分别降低了165万USD和115万USD成本,验证了本文提出算法的有效性。（3）为设计低回传路径损耗的拓扑规划方案,在基于总体低成本的拓扑规划基础上,本文提出一种Delaunay三角网构建完备边集替换待优化通信子网边集的方法以寻求低损耗的回传路径。由于路径损耗仅发生于子站回传过程,可简化为与回传距离正相关,为此设计低回传路径损耗的重点任务即对各个局部通信子网进行优化,优化准则为所有子站回传距离之和最小。实验表明,在满足拓扑规划约束条件和保证低成本拓扑规划优先级的前提下,优化后的回传距离为5501.74km,相比于原始回传距离减少了448.03km,路径损耗降低为166.31。因此优化了网型结构,验证了提出算法的有效性。