网络通信性能分析：从光网络公平排队到D2D通信能效

### 网络通信性能分析：从光网络公平排队到D2D通信能效 #### 光网络中的公平排队与拓扑模型 公平排队是光网络中一种流行的范式。过去的工作通过简单分析，在低容量连接下实现了最小吞吐量。而现在的研究确定了独立公平模型中的全局拓扑位置。 ##### 全局独立公平模型 - **流量控制**：公平排队实现了流量控制，使得每个节点的访问有序进行，且流量竞争具有可交换性。 - **信息传播**：在光连接中实现公平排队分布，流量信息在多跳连接中传播。 - **公平排队过程**：涉及图中的节点（N）、顶点（V）、度数（d）等参数。 全局公平性可针对NXN网络拓扑配置进行估计，这里选取了N = 12、15和18三种网络拓扑配置，对应的系统吞吐量如下表所示： | 网络拓扑 | 带宽 (Gb) | 协议 | 节点大小 | 流量大小 | 仿真生命周期 | 吞吐量 (%) | SCR (%) | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 12×12 | 1 | NCP - PPP | 12 | 10 | 576.436 | 247 | 147 | | 15×15 | 1 | NCP - PPP | 15 | 14 | 743.244 | 220 | 120 | | 18×18 | 1 | NCP - PPP | 18 | 17 | 856.236 | 256 | 156 | 位置独立参数具有以下特性： | 参数 | 特性 | | ---- | ---- | | 位置独立 | 是 | | 信道复用能力 | 是 | | 分布式性质 | 是 | | 节点移动性 | 是 | | 节点可扩展性 | 是 | 通过网络架构分析（NAA），在一些假设条件下实现并保持了公平排队。这些假设包括：流量为无限源，吞吐量按单位时间内传输的数据包数量来衡量，避免了碰撞，在时域和频域测量流体公平性，整体吞吐量达到94%。 ##### 公平排队的关键要点 - **拓扑配置**：不同的网络拓扑配置（如12×12、15×15、18×18）对吞吐量和SCR有不同影响。 - **参数特性**：位置独立参数的特性（如信道复用能力、分布式性质等）有助于提高网络性能。 - **假设条件**：NAA中的假设条件为实现公平排队提供了基础。 #### D2D通信在蜂窝网络中的能效分析 如今，设备到设备（D2D）通信作为一种短距离通信方式，因其能减轻基站流量负担、提高吞吐量并降低功耗，成为重要的研究领域。D2D通信已被视为LTE、LTE - A和5G网络的关键组成部分。 ##### D2D通信的分类与特点 - **频谱使用分类**：D2D通信分为带内和带外两类。带内使用许可的蜂窝频谱，带外使用未许可的ISM频段。带内D2D的频谱效率更高，但会产生干扰。 - **带内模式分类**：带内模式又分为覆盖网络和底层网络，底层网络更受青睐，尽管面临干扰挑战。 在分析D2D通信在蜂窝网络中的性能时，考虑了平均和速率（ASR）和能源效率（EE）这两个重要指标。 ##### 系统模型 为了便于分析，考虑了一个半径为R的单个圆形小区，演进型Node B（eNB）位于小区中心。假设系统是干扰受限的，忽略了噪声功率。D2D用户共享现有蜂窝系统的上行链路频率资源。 - **用户集合**：用Uc和Ud分别表示蜂窝用户和D2D用户的集合，其密度分别为kc和kd。 - **信道传播模型**：包括路径损耗和小尺度衰落，接收功率Pr = Pthd⁻ᵃ，其中Pr为接收功率，Pt为发射功率，h为衰落系数，a为路径损耗指数。衰落系数假设遵循Nakagami - m分布，其平方信号包络（即信号功率）遵循Gamma分布。 典型D2D接收器的SIR表达式为： \[SIR = \frac{P_dh_dd_d^{-a}}{I_{dd} + I_{cd}}\] 其中，Pd为D2D发射机功率，hd和dd分别为Nakagami - m衰落系数和从期望的D2D发射机到D2D接收机的距离。Idd为其他D2D用户在小区中引起的干