第一章 绪论
1.1 课题研究背景
目前 5G 研发已经进入第二阶段，我国在 5G 的概念、需求、无线技术和网络架构等方面，取得了一系列成果。5G 通信系统可以提供更高的传输速率、更低的延迟和更好的服务质量（Quality of Service，QoS）[1]。5G 时代的一大特点是“万物互联”，实现人、机器、智能终端、家用电器等数据交互。未来世界里，几乎所有物体都被连接到网络当中，每一个物体都有传感器和独立的 IP，它们之间彼此协同工作。单个物体不仅可以传递自己需要发送的数据，也能够作为中继，将其它物体的数据进行转发[2]。由此可见，中继传输具有广阔的应用前景，研究网络的中继传输问题，具有重要的现实意义。中继传输已经被应用在一些典型的无线接入网当中。网络中的中继节点协助源节点进行数据传输，可以在一定程度上扩大网络覆盖范围，降低通信能耗，延长网络的生命周期。例如在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）中，待检测区域随机部署大量传感器节点，这些节点对待检测区域的数据进行收集，然后通过单跳或者多跳的形式将数据传递给汇聚节点[3]。这种多跳的传播形式就用到了中继传输。中继传输另一个比较典型的应用是多跳蜂窝网络（Multi-hopCellular Network，MCN），在多跳蜂窝网络当中的中继站一般包括固定中继和移动中继两种情况，固定中继就是建设位置固定的中继站协助终端设备进行数据传输，移动中继就是将移动台作为中继站，把其它移动台的数据转发给基站[4]。
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1.2 国内外研究现状
中继技术最早应用于多跳蜂窝网络当中时是以固定中继的形式，文献[9]针对固定中继的多跳蜂窝网络给出了两类中继选择方案，一类是将物理距离作为评价指标进行中继选择，另一类是将路径损耗作为评价指标进行中继选择。文献[10]将网络模型分为内圆和外圆，内圆为非中继区域而外圆为中继区域，内圆的移动台直接与基站进行通信，外圆的移动台通过中继协助与基站进行通信。文献[11]给出了一种机会中继选择技术来满足未来绿色多跳蜂窝网络的目标，并给出了一个仿真模型，综合考虑了路径损耗、阴影衰减、内环干扰和一些其它服务要求。文献[12]面向多跳中继网络中移动的终端设备提出了一种固定中继选择策略，并且分别对低速移动的终端设备和高速移动的终端设备进行分析。
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第二章 无线接入网中继传输与复杂网络理论
2.1 中继传输技术
自古以来，人类一直都在追寻高速、低成本的通信方式。根据《左传》的记载，公元前 7 世纪的春秋时期，楚国建立了楚长城，其利用“烽火相传”的方式将信息由边关传向都城，这可以说是最早的无线中继通信系统，而烽火台这个“中继”起到了扩大通信范围、提高传输速率的作用。时至今日，无线接入网络仍然面临着扩展覆盖和提高速率等挑战，而中继成为了解决这些挑战的重要技术之一[34]。中继就是一种根据需求来转发信号从而协助发送端到接收端进行数据传输的技术，它一方面可以扩大无线系统的覆盖范围，另一方面也可以提高无线通信链路的质量。将中继的概念泛化来讲，认为无线网络中任意一个节点都可以成为其他节点的中继转发点，作为网络中的一份子，一个用户并不再局限于只发送自己的数据，也应该利用的闲置资源或者利用其他可用的资源推动整个网络中数据流的最大化。从个体的角度来讲，在进行中继传输的过程中，可能会耗费自己一些额外的资源；但从整体上讲，系统的总体的资源消耗是下降的，也就是说，个体平均消耗的资源是下降的，这种方式符合目前被世界所推广的绿色、低碳的概念。
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2.2 典型的无线接入网
中继传输作为无线通信研究当中的热点问题，具有广阔的应用场景，并被广泛应用于各种无线接入网络当中，不仅可以用在有基础设施的有中心无线接入网，也可以用于无基础设施的无中心无线接入网，中继传输的使用在很多方面提高了网络的性能。典型的应用场景包括无线自组织网络，多跳蜂窝网络，无线传感器网络，无线 Mesh 网络等等。Ad-hoc 网络是一种多跳无中心的自组织无线接入网络。网络中所有节点的地位平等，节点间通过分布式算法完成所有的网络操作，结点不仅具有普通移动终端的功能，而且具有路由器的功能，可以对报文进行中继转发，同时网络不需要设置特定的基础设施[39-40]。与普通的无线网络相比，它具有以下特点：（1）无中心无线自组织网络没有特定的中心节点。所有节点的地位平等，是一个对等式网络。网络中的节点可以随时加入和离开。单个节点的故障不会影响整个网络的运行，因此网络的抗毁性很强。
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第三章 基于无标度网络 BA 模型的无线接入网中继传输方法............... 20
3.1 网络模型和基本假设................20
3.2 基于 BA 模型的中继传输方法............... 22
第四章 具有拓扑重构机制的无线接入网中继传输方法............... 35
4.1 网络模型...............35
4.2 具有拓扑重构机制的中继传输方法...............37
第四章 具有拓扑重构机制的无线接入网中继传输方法
4.1 网络模型
蜂窝移动通信结合了传统蜂窝网络和 Ad-hoc 网络的优势，采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道进行连接，进而实现用户之间的相互通信。基于移动中继的多跳蜂窝网网络，数据以多跳的形式进行传输，其主要特征是终端的移动性。因此，本章继续选择基于移动中继的多跳蜂窝网络，将其作为一类节点移动的无线接入网的例子，对中继传输方法进行研究。随着经济的发展，我国的互联网信息技术在不断发展的同时，移动通讯业务也取得了较快的进步。在电信业务方面，3GPP 定义了四种基本业务类型：会话类业务、流媒体业务、交互类业务和后台业务[52]。
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4.2 具有拓扑重构机制的中继传输方法
无标度网络 BA 模型具有自然增长和择优选择两个阶段，可以解释很多网络的形成机制，形成的网络拓扑结构对随机攻击具有很强的鲁棒性。上一章基于 BA 模型研究的中继方法在节能方面和随机攻击的抗毁性方面具有优良特性，但是对于实际应用来说比较简单，无线接入网的一些特性考虑的不是很充分，因此，本章充分考虑了节点的移动性和业务请求的不同，给出了一种具有拓扑重构机制的无线接入网用户中继方法，同样基于 BA 模型，并在 BA 模型的基础上给出如下基本假设：（1）对移动台的到达顺序进行处理，基站按照与所有移动台的距离从小到大的顺序编号，移动台按照此顺序到达；（2）定义前向中继的概念，前向中继为满足以下条件的移动台：条件 1 为：与基站的距离小于当前新加入移动台与基站之间的距离；条件 2 为：与当前新加入移动台之间的距离小于当前新加入移动台与基站之间的距离；（3）中继过程包括拓扑结构的建立和数据传输两个阶段；（4）中继传输过程是动态的过程，每一轮进行拓扑结构的建立和数据传输两个过程，每隔固定时间进行下一轮过程；（5）移动台具有移动性。假设每一轮中移动台不发生移动，移动台的移动发生在不同轮当中；（6）网络的带宽一般为M 级。根据移动终端业务请求不同，把移动终端业务划分为1 2 3, , ...nw w w w 等级，文章中我们主要考虑文字、语言和视频三种典型业务，并且三种业务的带宽需求不同。
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结论
目前 5G 研发已经进入第二阶段。5G 通信系统可以提供更高的传输速率、更低的延迟和更好的服务质量，它的一大特点是“万物互联”，“互联”过程中必然会用到中继，因此对中继传输进行研究具有良好的应用前景。复杂网络理论是对复杂系统特性进行抽象并获得网络共性的理论，无线接入网由于其网络行为和节点连接关系的复杂性，属于复杂网络的研究范畴。借助于复杂网络模型构造方法，针对无线接入网络这一实际网络的中继传输问题进行研究，具有十分重要的意义。首先，以一类无线接入网为研究对象，针对网络节点随机失效的问题，结合无标度网络 BA 模型对随机攻击具有鲁棒性的特点，并根据无标度网络模型的“自然增长”和“择优选择”机制，给出了一种基于无标度网络模型的中继传输方法。以节点的加入表示移动台加入网络的过程，节点之间的连接表示移动台之间通信的过程。然后通过理论分析和仿真实验两种方法对网络度分布情况进行分析，结果表明网络的节点度分布服从幂律分布，因此网络具有无标度特性。
参考文献（略）
