移动通信原理（第3版下册）教学课件6

北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心 BUPT Information Theory&Technology Center 第十七章第十七章新型无线通信网络新型无线通信网络主讲人主讲人:牛牛 凯凯BUPT Information Theory&Technology Center 内容提要内容提要随着现代移动通信的快速发展，具有分布式特征的各种新型无线通信网络得到了人们越来越多的关注本章首先引入无线自组织(Ad Hoc)网络的模型，简要介绍了主流的分布式无线网络容量分析理论，指出分布式网络的关键技术特征。其次介绍近年来出现的新型无线网络架构，包括无线云计算与C-RAN、无线边缘计算以及认知无线网络等。然后详细阐述了三类重要的分布式无线网络：物联网(IoT)、车联网(VANET)以及无人机网络(UAV)。最后，简要介绍了绿色无线网络的一些技术特点。2BUPT Information Theory&Technology Center 317.1 分布式无线网络容量分布式无线网络容量1948年，仙农在经典文献17.1中，确立了点到点信道的可达速率，即信道容量。但人们仍然无法回答一个基础理论问题：给定一个无线网络，能够传输的信息量是多大？这个基本问题，需要分析多点到多点的无线网络容量，这也是网络信息论17.2的核心概念。针 对 一 些 单 跳 多 用 户 信 道 模 型，例 如MAC/BC/Relay/IC/Two way等，推广了经典意义上的信道容量17.217.3。但即使是这些简单网络，信息论意义上的容量分析也非常困难。21世纪初的网络信息论缺乏完整而系统的理论框架，对于实际无线网络的设计难以起到指导作用。BUPT Information Theory&Technology Center 17.1 分布式无线网络容量分布式无线网络容量2000年以来，在无线自组网络的容量分析方面，学术界取得了重大进展，主要的代表性工作有两个。首先是Gupta与Kumar在经典文献17.7中，引入了输运容量(Transport Capacity)的概念，从宏观角度揭示了无线自组织网络容量的渐近规律，这是网络信息论领域的一个重大突破。其次是Weber等人在文献17.26中提出的发送容量(Transmission Capacity)，从微观角度，刻画了无线自组织网络单跳通信的中断概率行为。这两项工作是最近二十年来，无线网络容量分析方面的标志性工作4BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.1 无线自组织无线自组织(Ad Hoc)网络概念网络概念无线自组织(Ad Hoc)网络是一种分布式无中心的无线网络，各个通信节点通过多跳连接方式相互通信，其结构如图所示一般的，基于节点的移动性，Ad Hoc网络可以分为静态自组网与移动自组网(MANET)。5BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.2 输运容量分析输运容量分析Gupta与Kumar研究无限大规模网络的渐近容量行为。引入了新的输运容量概念，揭示了无线自组网容量的变化特征。1.网络模型网络模型6BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.2 输运容量分析输运容量分析1.网络模型网络模型7BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.2 输运容量分析输运容量分析2.容量尺度定律容量尺度定律8BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.2 输运容量分析输运容量分析2.容量尺度定律容量尺度定律定理定理17.1与定理定理17.2反映了无线自组网容量与节点数目之间的渐近变化规律，称为尺度定律。9BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.2 输运容量分析输运容量分析2.容量尺度定律容量尺度定律10图17.2 随机网络吞吐容量的渐近性BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.3 发送容量分析发送容量分析1.网络模型网络模型(1)空间泊松点过程空间泊松点过程(PPP)模型模型假设无线自组网由分布在无限大平面上的无限多节点构成，网络节点的空间位置分布服从平稳泊松点过程(PPP:Poisson point process)，11BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.3 发送容量分析发送容量分析2.路径损耗下的网络容量12BUPT Information Theory&Technology Center 17.1.4 两种容量分析比较两种容量分析比较Gupta与Kumar提出的输运容量，测量的是网络端到端和速率与端到端传输距离的乘积。这个指标反映了无线网络的宏观特征，但是忽略了网络配置参数对容量的影响，因此无法精确评估网络容量。在输运容量理论框架下，最重要的成果是尺度定律，它能够反映容量域随着网络节点数目增长的规律Weber等人提出的发送容量，是无线自组网容量的微观度量，表征的是单位面积单位时间的单位输运能力发送容量与输运容量在量级尺度上是一致的。但是，发送容量的理论分析更细致，能够精细刻画无线网络的端到端与多跳性能，这一点是发送容量分析的优势，输运容量很难反映这些网络细节特征。13BUPT Information Theory&Technology Center 17.2 新型无线网络架构新型无线网络架构17.2.1 云计算架构云计算架构1.移动云计算移动云计算(MCC)移动云计算一般指移动通信网络与云计算的集成架构，采用集中式架构，将计算资源、存储资源与无线资源进行整合与高效利用。14BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.1 云计算架构云计算架构2.云无线接入网云无线接入网(C-RAN)15BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.2 边缘计算架构边缘计算架构1.雾计算雾计算(Fog Computing)架构架构16雾计算名称由来是类比云计算，由于雾比云更接近网络边缘与终端。雾计算网络是三层或多层结构，中间的雾层可以包含一层或多层雾节点，物联网传感器主要接入各层的雾节点，就近完成存储与处理，因此雾计算是全分布式网络架构。BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.2 边缘计算架构边缘计算架构2.片云片云(Cloudlet)架构架构17片云概念是由卡内基梅隆大学团队提出17.40，它可以在WiFi网络或蜂窝网络中部署片云的关键特点是支持边缘节点的实时应用，以及终端移动时边缘节点之间的虚拟机映像切换17.38。BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.2 边缘计算架构边缘计算架构3.移动边缘计算移动边缘计算(MEC)架构架构18 移动边缘计算(MEC)是ETSI白皮书提出的网络架构17.41MEC包含五类组件，是三层结构，包括云层、MEC层与设备层BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.3 认知无线网络认知无线网络随着无线/移动业务速率的递增和新业务涌现，对无线频谱的需求也不断增加。与此同时，大多数无线频段已经分配殆尽，找出新的频段支持新业务或提高现有业务速率变得越来越困难。19图17.12 加州伯克利大学测试无线频谱使用率测量情况BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.3 认知无线网络认知无线网络1.认知认知无线电无线电定义定义17.10(认知无线电认知无线电)：所谓认知无线电，是指在自学习系统中具有说明性和过程性知识的无线电系统。具体而言，认知无线电是软件无线电(SDR)的扩展，它能根据外界环境的变化通过智能的计算来获得用户的需求，并对通信参数和功能进行重配置来提供无线电资源最有效的利用以及无线业务的最佳服务。20BUPT Information Theory&Technology Center 17.2.3 认知无线网络认知无线网络2.认知认知无线网络无线网络在认知无线网络中，多个异构网络工作于同一频段，这些异构网络通常可分为两种类型主网络和次网络。主网络中的用户(即主用户，PU)是该频段的授权用户，它们有频段优先使用权；而次网络中的用户(即次用户，SU)具有较低的频谱使用优先级，它们只能在不影响主用户通信的前提下使用频谱。根据认知能力的不同，可将认知无线网络的频谱接入方式分为interweave接入、underlay接入和overlay接入三种21BUPT Information Theory&Technology Center 17.3 IoT网络网络17.3.1 信息物理系统信息物理系统(CPS)与物联网与物联网(IoT)1.信息物理系统信息物理系统(CPS)定义定义17.11:信息物理系统是指应用现代计算与通信技术，有效集成信息与物理单元构成的系统，实现人类社会、信息空间与物理世界的密切交互。CPS强调信息单元与物理单元的交互(Interaction)，目的是经由信息单元，实现物理单元的安全、有效与智能监测与控制。22BUPT Information Theory&Technology Center 17.3.1 信息物理系统信息物理系统(CPS)与物联网与物联网(IoT)信息物理系统一般为三层结构：传感执行层、通信层与应用层，针对特定应用场景，从下到上构成了垂直结构。23BUPT Information Theory&Technology Center 17.3.1 信息物理系统信息物理系统(CPS)与物联网与物联网(IoT)2.物联网物联网(IoT)定义定义17.12：物联网(IoT:Internet of Things)是采用现代信息技术，连接海量设备用于监测与控制的网络基础设施。物联网强调的是设备间的连接，主要目标是通过连接各种设备网络，实现跨越异构网络的数据收集、资源共享、分析与管理。基于这样的网络基础设施，能够提供可靠、有效、安全的业务。24BUPT Information Theory&Technology Center 17.3.1 信息物理系统信息物理系统(CPS)与物联网与物联网(IoT)3.CPS与与IoT比较比较CPS与IoT有很多相似之处，共性特点总结如下：两种系统目标相似，都是为了实现信息空间与物理世界之间的交互或连接；两种系统采用的技术手段类似，都是通过智能传感设备，采集与测量系统或场景中物理单元的状态信息；两种系统的交互机制类似，都是通过有线或无线通信网络，将测量的状态信息进行传输与共享；两种系统的输出类似，对状态测量信息进行分析后，都能够提供安全、有效与智能的服务。两种系统的应用有很多类似场景，例如智能电网、智能交通、智慧城市等。25BUPT Information Theory&Technology Center 17.3.1 信息物理系统信息物理系统(CPS)与物联网与物联网(IoT)尽管CPS与IoT有诸多相似之处，但它们之间也存在显著差异(1)系统结构差异显著系统结构差异显著CPS系统采用垂直架构，三层结构往往针对应用场景设计的专用方案。网络的基本目标是实现连接，是更通用的异构通信平台，其控制平面比CPS复杂，要考虑多种场景、多种网络与应用的集成。(2)业务应用要求不同业务应用要求不同简言之，CPS是针对特定场景设计的专用系统，而IoT是针对多应用场景的异构网络基础设施。26BUPT Information Theory&Technology Center 17.3.2 IoT网络架构网络架构IoT的参考架构包括四层：感知层、网