基于干扰对齐的井下无线网络设计与优化

摘要

井下无线网络是指布设于矿井巷道及岩壁的无线传感器网络、无线接入网络等异构网络，由于受到路径损耗、反射/折射、多径衰落、机器噪声等因素的影响，井下无线信道表现为复杂多变、传输损耗巨大。多输入多输出（MIMO）技术能够提升井下异构网络信道的容量，但节点间的通信干扰严重抑制了节点资源的利用率;干扰对齐技术(Interference Alignment，IA)是新兴的基于空间复用的干扰消除方法，其核心思想是利用信道传输特征在接收节点将多个非预期数据流（干扰流）在空间上“对齐”到某一特定方向。本文研究基于干扰对齐技术的井下无线异构网络设计与优化，完成工作如下:
　　1、提出基于数据流预编码向量构造的干扰对齐模型及优化策略，用于解决井下多跳无线传感器网络内部通信干扰。首先结合井下实际工况设定了基于时隙调度的系统模型，并详细讨论了多发多收机制下的节点干扰对齐原理;其次给出发送节点数据流预编码向量的构造策略和接收节点的解码策略;再次以最大化网络吞吐量为目标建立优化模型并进一步将其转化为混合整数线性规划问题;最后利用CPLEX工具给出问题的最优解。仿真分析进一步表明所提干扰对齐策略比传统干扰消除策略的平均网络吞吐量提高45％。
　　2、提出基于信道互易的分布式干扰对齐策略，用于解决无线接入节点对无线传感器网络的网间通讯干扰。首先给出单跳无线传感器网络在无干扰情况下的系统容量和预编码矩阵构造;其次分析了移动接入节点对无线传感器网络的干扰情况;再次给出基于MIMO信道互易特性（即交换发送节点和接收节点）的干扰对齐算法;最后给出在不同信噪比与不同天线数目的情况下的仿真结果。其结果表明所提出的干扰对齐策略比传统的正交共享策略使得异构网络间的系统容量平均提升20％以上。
　　3、通过实验验证了MIMO技术的抗干扰能力。首先给出井下百兆WLAN最主要形式——WiFi网络的工作机制，其次分析了井下实际作业环境中WiFi网络受到的网间干扰、2.4G同频干扰、外部干扰等干扰特性，最后利用MIMO技术对WiFi网络进行干扰对比实验分析。实验结果表明多天线技术可一定程度增强网络抗干扰性能、提高网络速率。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 井下异构无线网络的研究现状

1．2．1 井下无线通讯网络系统研究现状

1．2．2 井下无线传感器网络系统研究现状

1．3 井下无线干扰的研究现状

1．4 课题来源

1．5 本文研究内容和章节安排

1．5．1 本文研究内容

1．5．2 本文章节安排

第二章 井下网络模型及干扰对齐技术

2．1 井下无线网络模型

2．2 MIMO技术

2．3 井下干扰对齐技术的研究

2．4 井下无线传感器网络的研究

2．4．1 无线传感器网络的应用

2．4．2 井下无线传感器网络的关键技术

2．4．3 井下无线传感器网络的工作方式

2．5 本章小结

第三章 井下多跳无线传感器网络内的干扰对齐

3．1 干扰对齐的工作原理

3．2 干扰对齐策略

3．2．1 基本设定

3．2．2 干扰对齐约束

3．2．3 干扰对齐算法

3．3 基于干扰对齐的井下网络模型约束

3．4 混合整数线性规划问题的求解

3．4．1 简介

3．4．2 一般求解过程

3．4．3 OPT-IA求解过程

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

第四章 井下异构同频网络间的干扰对齐

4．1 MIMO系统容量

4．2 理想状态下多天线传感器节点的通信

4．3．1 干扰类型

4．3．2 系统模型

4．3．3 干扰对齐可行性研究

4．3．4 分布式干扰对齐算法

4．3．5 方案收敛性

4．4 实验结果分析

4．5 本章小结

第五章 MIMO干扰实验及分析

5．1 无线干扰分析

5．2 干扰消除分析

5．3 实验分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况