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蜂窝网络的Strauss点过程模型研究

批准号:
62061018
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
36.0 万元
负责人:
陈春霖
依托单位:
学科分类:
通信网络
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈春霖

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
Strauss点过程作为一种排斥类随机几何模型,其拓扑结构十分吻合蜂窝网络基站的空间分布。但是概率母泛函数和真空区域函数等空间特征函数的缺失,却极大地限制了该模型在无线通信领域的应用。为了丰富Strauss点过程的理论研究,推动Strauss蜂窝网络模型的应用和发展,本项目拟深入学习Strauss点过程的生成机制,研究并推导与其空间分布有关的统计特征函数。并此为基础,构建上下行平稳Strauss点过程网络模型,利用随机几何的数学原理,推导易于分析的函数表达式用以研究蜂窝网络的各项性能指标。同时,通过引入协变量函数,量化外部因素(例如:自然环境和人口密度)对基站分布的影响,从统计学角度研究非平稳Strauss点过程模型的网络拟合和验证问题,为实际网络的运营和优化提供快速而准确的理论指导。
英文摘要
As a repulsive model, Strauss point process is much more suitable to describe the random topology in real-life cellular networks, but its applications are tremendously confined due to the lack of certain spatial characteristic functions such as moment generating functional and empty space function. To enrich the theoretical understanding of Strauss point process and further develop its applications in modelling and analysis of cellular networks, in this project, we plan to reexamine the generating mechanism of Strauss point process, and make a comprehensive study on its spatial characteristics. More precisely, we will propose Strauss models for uplink/downlink systems and derive analytically tractable expressions using stochastic geometry techniques for a convenient evaluation of network performance metrics. Besides, we will quantify the impact of external factors (e.g. natural environment and population densities) on the distribution of base stations by introduction of the covariate function, and finally describe a network-data-supported statistical technique that helps to solve fitting and verification issues for nonstationary Strauss models, leading to a fast and accurate theoretical guidance for network operation and optimization.
Strauss点过程在空间分布上表现出卓越的适应性和灵活性,能涵盖从相互排斥到完全随机的各种情况。但因缺少概率生成泛函数、真空距离分布函数等关键空间特征函数,它在无线通信领域的应用和发展受限,难以充分施展潜力。为此,本项目深入探究Strauss点过程的内在生成机制,推导出与空间分布相关的统计特征函数和近似方法。这些方法包括泊松鞍点近似、泊松均场近似、基于韦伯分布的真空距离分布经验公式、基于不等式的点过程概率生成泛函数推导,以及构建由泊松点过程和静态网格组成的Strauss点过程软排斥作用复合架构。.基于上述理论成果,本项目构建下行单层和多层蜂窝网络模型,应用随机几何方法推导网络性能分析的解析表达式。这些表达式作为评估蜂窝网络指标的强大工具,包括:准确表征Strauss网络模型中同频干扰的分布规律,以指导干扰管理策略;构建链路距离模型,从模拟数据中推导经验分布函数,并评估其对网络性能的影响;推导网络覆盖概率和香农容量的表达式,展示空间覆盖效率和数据传输速率,以指导网络优化;综合考量信号强度分布、用户分布密度等因素,对区域频谱效率进行量化评估,探寻提升频谱利用效率的最优方案;围绕服务中断概率,评估用户服务质量。.本项目成果意义重大。一方面,助力深入理解Strauss点过程的内在机制和规律,完善其理论体系,为随机几何理论注入新活力;另一方面,推动Strauss蜂窝网络模型的实际应用和发展,降低蜂窝网络理论分析难度,避开传统蒙特卡洛仿真的繁琐流程,提高研究效率。此外,加深了对蜂窝网络随机几何模型的认知,为在异构网络、干扰协调和安全性分析等多元网络应用领域开展更深入的研究筑牢根基。
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