肖雪芳，雷國(guó)偉

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 廈門361024；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院 北京100876；3.集美大學(xué)理學(xué)院 廈門361021)

1 引言

隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)用戶的日益龐大，各種無(wú)線接入技術(shù)也飛速發(fā)展。特別是隨著“三網(wǎng)融合”概念的提出，更加速了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的泛在融合。然而以頻譜為代表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源則顯得日趨緊張，因此，一方面必須對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行整體規(guī)劃、智能管理、優(yōu)化決策和調(diào)度，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用；另一方面，采用自適應(yīng)調(diào)制(AM)技術(shù)、多天線(MIMO)技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線電(CR)技術(shù)等提高無(wú)線頻譜利用的有效性，以提高無(wú)線通信系統(tǒng)的信道容量。然而，傳統(tǒng)無(wú)線通信的容量研究主要是建立在特定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道下尋求達(dá)到最佳理論性能界限或信道容量?；邳c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的香農(nóng)定理在無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中的應(yīng)用獲得了巨大的成功，但是在高度網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng)中面臨巨大的困難。如何將香農(nóng)信息理論推廣至多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成的復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，解決多個(gè)發(fā)送者、多個(gè)接收者之間的相互作用(如干擾、合作等)問(wèn)題，從而指導(dǎo)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一直是網(wǎng)絡(luò)信息論研究者努力的目標(biāo)。

目前，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的研究已涌現(xiàn)了大量開(kāi)拓性的成果[1～10]。Gupta和Kumar針對(duì)自組織(Ad Hoc)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行分析，提出了4種網(wǎng)絡(luò)模型情況下各自所能達(dá)到的容量界[1]，即隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能獲得的吞吐量則以標(biāo)度率(scaling law)下降。該文獻(xiàn)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量領(lǐng)域的經(jīng)典論文，從而拉開(kāi)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量研究的序幕。但該文獻(xiàn)討論的對(duì)象僅限于獨(dú)立同分布的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，另外節(jié)點(diǎn)的功率、網(wǎng)絡(luò)流量模式等也比較單一。之后，Grossglauser等人研究了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況下，采用多用戶分集和數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，理論上可以使源—宿之間的平均吞吐量不再受節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化的影響[2]。但該結(jié)果是在信道狀態(tài)信息完全已知的前提下獲得的，如果節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度太快，則無(wú)法獲取網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ纱藥?lái)信道估計(jì)的困難勢(shì)必影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[3]。另外，以上結(jié)果還沒(méi)有考慮到路徑損耗、節(jié)點(diǎn)功率及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等因素。參考文獻(xiàn)[4]在研究網(wǎng)絡(luò)傳輸容量時(shí)結(jié)合了路徑損耗和吸收衰減的因素。參考文獻(xiàn)[5，6]討論了節(jié)點(diǎn)的傳輸功率以及功率控制給網(wǎng)絡(luò)容量帶來(lái)的影響。參考文獻(xiàn)[7，8]在研究網(wǎng)絡(luò)吞吐量時(shí)考慮了數(shù)據(jù)分組時(shí)延的因素?？傊?，這些文獻(xiàn)都從理論上探討了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量界和不同參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響，但由于實(shí)際無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，因此還難以給出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的一般表達(dá)形式。參考文獻(xiàn)[9，10]嘗試著以二維柵格網(wǎng)和環(huán)型網(wǎng)為例，給出了規(guī)則拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的容量閉式解，為一般網(wǎng)絡(luò)的容量研究提供了借鑒。伴隨著網(wǎng)絡(luò)容量理論研究的同時(shí)，一些提高網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)化方法和技術(shù)也相繼提出[11～31]。如采用基礎(chǔ)設(shè)施[11～13]、多 信 道 多 射 頻[14，15]、智 能 天 線 技 術(shù)[16，17]、MIMO技 術(shù)[18～20]、超寬帶技術(shù)[21，22]、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)[23～25]、網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作傳輸[26～29]、廣播和多播[30]策略、多分組多數(shù)據(jù)流[31，32]、路由策略[33]等。

無(wú)論是從理論還是從技術(shù)上來(lái)講，對(duì)自組織網(wǎng)的容量研究已趨于成熟。但是，在無(wú)線通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，涌現(xiàn)出了多種類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如：無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、WiMAX、Wi-Fi、無(wú) 線 個(gè) 域 網(wǎng)(WPAN)、無(wú) 線 網(wǎng) 狀 網(wǎng)(WMN)、無(wú)線傳感器網(wǎng)(WSN)等。雖然對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)的容量也有相關(guān)的研究，如WMN的網(wǎng)絡(luò)容量[34，35]和WSN的網(wǎng)絡(luò)容量[36]，但這些研究無(wú)疑還是在自組織網(wǎng)的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的。目前，雖然有相關(guān)綜述性的文章，但主要是針對(duì)某一類型如自組織網(wǎng)[37]或網(wǎng)狀網(wǎng)等進(jìn)行討論[38]。在網(wǎng)絡(luò)泛在的大趨勢(shì)下，采用不同組網(wǎng)技術(shù)的異構(gòu)認(rèn)知與網(wǎng)絡(luò)融合將是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)容量研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。相關(guān)的研究還不多，本文正是在此背景下深入探討無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的發(fā)展和研究方向。下面先從理論角度和技術(shù)角度分別進(jìn)行闡述。

2 理論研究

由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)網(wǎng)絡(luò)容量的概念比較繁雜，為此歸納了幾種典型的網(wǎng)絡(luò)容量概念[1～4，39～45]，見(jiàn)表1。

目前研究頻率最高的主要是圍繞傳送容量[1～4,39～40]和平均節(jié)點(diǎn)吞吐量展開(kāi)的[41，42]。根據(jù)表1中的傳送容量定義，當(dāng)平均空間傳送距離為1 m時(shí)，傳送容量即退化成吞吐量容量。參考文獻(xiàn)[1]首先介紹了兩種類型網(wǎng)絡(luò)：擴(kuò)張型網(wǎng)絡(luò)(extended network)和密度型網(wǎng)絡(luò)(dense network)，然后主要就二維平面密度型網(wǎng)絡(luò)研究了4種情況下的平均節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量界，見(jiàn)表2。

表1 幾種典型的網(wǎng)絡(luò)容量概念

表2 平面密度型網(wǎng)絡(luò)的容量界

表2中采用了Knuth函數(shù)表示法，Ο表示漸進(jìn)上限，Ω表示漸進(jìn)下限，Θ表示上下同時(shí)逼近。相比傳送容量而言，傳輸容量以新的角度研究網(wǎng)絡(luò)容量[43]。其核心思想是基于網(wǎng)絡(luò)中信干比的統(tǒng)計(jì)特性，即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的總干擾信號(hào)功率服從穩(wěn)態(tài)分布[44]?？梢钥吹?，傳輸容量和傳送容量還是有一定聯(lián)系的。根據(jù)表中傳輸容量的概念，其值與傳輸半徑的關(guān)系為Θ(r-2)，另外傳輸范圍和節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系又為r2∝1/n，因此傳送容量就與λr有關(guān)，即規(guī)律為Θ(1/n1/2)。由于傳輸容量能夠反映在數(shù)據(jù)率、帶寬、中斷概率一定的情況下，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠支持的用戶數(shù)，因此，在分析Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)傳輸能量也被看作一種重要的性能指標(biāo)。除了表2中介紹的之外，還有一些傳輸容量的變種[45，46]，限于篇幅不進(jìn)行贅述。

雖然Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的理論分析已取得了大量的成果，但由于mesh網(wǎng)和Ad Hoc網(wǎng)之間的差別，其研究結(jié)果可能無(wú)法直接應(yīng)用于mesh網(wǎng)。比如，mesh網(wǎng)中可能同時(shí)存在固定的Ad Hoc節(jié)點(diǎn)，又存在移動(dòng)的Ad Hoc節(jié)點(diǎn)，因此參考文獻(xiàn)[1]采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不匹配。參考文獻(xiàn)[34]從mesh的鏈?zhǔn)酵負(fù)渫茝V到任意拓?fù)洌赋銎骄總€(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)以Ο(1/n)下降。隨后，參考文獻(xiàn)[35]發(fā)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)這一段，給節(jié)點(diǎn)增加發(fā)射功率級(jí)可使吞吐量改善為Ο(1/δn)。特別在多網(wǎng)關(guān)情況下，可使效果更為明顯?？傊?，對(duì)mesh網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，影響網(wǎng)絡(luò)容量的因素很多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)流量類型、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)功率、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等在容量估計(jì)與優(yōu)化中都必須考慮[38]。因此，有很多文獻(xiàn)就mesh容量提出了跨層優(yōu)化的思想[47，48]。

3 技術(shù)研究

盡管Gupta和Kumar從理論上給出了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量所能達(dá)到的性能界，人們還是努力通過(guò)各種技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐容量，分別有如下一些技術(shù)手段。

（1）物理模型下使用滲透理論

Franceschetti等人提出[49]，在物理模型下，使用滲透 (percolation)理論設(shè)計(jì)路由策略,由一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成類似“高速公路”的跨越源—宿之間的所有節(jié)點(diǎn)。該“高速公路”就像一個(gè)滲透的管道，源節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送到附近處于管道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)由管道以高數(shù)據(jù)率送達(dá)離宿節(jié)點(diǎn)最近的管道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，最后傳送給宿節(jié)點(diǎn)。理論證明，無(wú)論是隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)還是任意網(wǎng)絡(luò)，都可以得到更為緊密的容量上下界值，即單個(gè)容量的界值是Θ(1/n1/2)的速率。

（2）采用固定基礎(chǔ)設(shè)施

由基礎(chǔ)設(shè)施支持的Ad Hoc網(wǎng)相繼被提出[11～13]，其中參考文獻(xiàn)[13]提出混合(hybrid)自組織網(wǎng)的概念，網(wǎng)中Ad Hoc節(jié)點(diǎn)獨(dú)立同分布且具有相同的發(fā)射功率，基站規(guī)則分布且把區(qū)域分成許多六邊形蜂窩狀?；局g的通信采用

高速寬帶有線網(wǎng)連接。加入基礎(chǔ)設(shè)施的好處是使源—宿之間的跳數(shù)保持不變，而純Ad Hoc網(wǎng)的源—宿之間的跳數(shù)則隨節(jié)點(diǎn)數(shù)以1/n1/2的關(guān)系增長(zhǎng)。可以說(shuō)采用固定基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)質(zhì)是以減少跳數(shù)的增加改善網(wǎng)絡(luò)容量。

（3）采用多信道多射頻接口

[1]研究的是單信道單射頻接口的情形,對(duì)此參考文獻(xiàn)[14，15]討論了多信道多接口的網(wǎng)絡(luò)容量。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中采用多信道技術(shù)，讓相鄰鏈路使用不同信道，這樣就可以減少因干擾引起的信道容量衰減。但是在多信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，若每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有單一射頻接口，那么每個(gè)射頻接口和不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)就要不停地切換信道。這樣會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)刻變化，切換時(shí)間帶來(lái)的時(shí)延也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。因此，使用多射頻、多信道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可使每個(gè)射頻接口具有獨(dú)立的MAC和物理層特性，可以通過(guò)路由控制協(xié)調(diào)不同節(jié)點(diǎn)間的通信，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)化。

（4）利用智能天線技術(shù)

Yi等人通過(guò)討論在任意網(wǎng)絡(luò)中使用智能天線[16]發(fā)現(xiàn)：若發(fā)射端天線使用的波束寬度為α，接收端使用的波束寬度為β，則網(wǎng)絡(luò)容量可獲得2π的增益。而在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中這個(gè)結(jié)果可以達(dá)到4π2/αβ。文中還特別提出，如果波束寬度α、β減小的程度與1一樣快，則網(wǎng)絡(luò)中的吞吐容量可以不受節(jié)點(diǎn)數(shù)的影響。參考文獻(xiàn)[17]則具體從硬件的角度討論天線參數(shù)如天線增益、波束寬度等對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響。

（5）利用MIMO技術(shù)

為了考察MIMO技術(shù)對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的影響，參考文獻(xiàn)[18]介紹了容量界域(capacity region)和數(shù)據(jù)率界域(rate region)的概念。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，采用MIMO技術(shù)對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的增益和對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)的增益貢獻(xiàn)是相似的。參考文獻(xiàn)[19]提出在網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和單個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)只使用一根天線發(fā)射，而接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用多根天線分別接收來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)并且譯碼，這些天線使用的都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立信道。參考文獻(xiàn)[20]針對(duì)mesh網(wǎng)的傳輸配置問(wèn)題，研究當(dāng)節(jié)點(diǎn)的物理層使用MIMO技術(shù)時(shí)，在同樣的空間傳輸范圍內(nèi)，發(fā)射天線的數(shù)目對(duì)于網(wǎng)絡(luò)容量的影響。

（6）采用超寬帶技術(shù)

Negi等人首先將超寬帶(UWB)技術(shù)應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)化[21]。文中假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率均為W，在帶寬B→∞的極限情況下，推導(dǎo)得出：節(jié)點(diǎn)吞吐容量的上 界為O（（nln n）（α-1）/2），下界為在該基礎(chǔ)上，Honghai等人采用滲透理論，將其上下界減少了Θ（n（α-1）/2)的數(shù)量級(jí)[22]。

（7）采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電被視為解決頻譜覆蓋問(wèn)題的充滿前景的方法之一，它采用機(jī)會(huì)通信的思想，在盡可能不影響主用戶通信的前提下，為從用戶開(kāi)辟可用的頻譜空間。參考文獻(xiàn)[23]引入了輔助網(wǎng)絡(luò)ξ、α分析網(wǎng)絡(luò)容量上下界，推導(dǎo)出協(xié)議模型和物理模型下的一般結(jié)果。同時(shí)指出，參考文獻(xiàn)[1]的單信道、單射頻是CRN的特例。參考文獻(xiàn)[24]在mesh網(wǎng)中采用覆蓋認(rèn)知無(wú)線電模型，基于Jovicic和Viswanath的范例[25]，在給定干擾區(qū)域內(nèi)就能夠并發(fā)傳輸。對(duì)文中討論的鏈?zhǔn)酵負(fù)洌鲆婵蛇_(dá)33%。文中還給了一個(gè)復(fù)雜的拓?fù)漕愋停玫降脑鲆娓摺?/p>

（8）利用網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼的概念是由Ahlswede等人率先引入，參考文獻(xiàn)[26]以蝴蝶網(wǎng)絡(luò)的研究為例，指出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼，中間節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的信息進(jìn)行編解碼，可以達(dá)到多播路由傳輸?shù)淖畲罅鹘?。Liu等人研究了網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的貢獻(xiàn)[27]，并指出：在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的物理模型或協(xié)議模型下，這種改善最多只有常數(shù)倍的提高；而在任意網(wǎng)絡(luò)的物理模型或協(xié)議模型下，可獲得最大Ο(ln n)數(shù)量級(jí)的容量增益。不過(guò)，文中也提出了如果不考慮物理層，很難從根本上解決參考文獻(xiàn)[1]的擴(kuò)容問(wèn)題。對(duì)此，出現(xiàn)了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(PLNC)的新概念[28]，即允許節(jié)點(diǎn)接收干擾的無(wú)線信號(hào)，再由物理層處理這些信號(hào)。參考文獻(xiàn)[29]從3種編碼機(jī)制討論了大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐容量。即：多點(diǎn)到多點(diǎn)編碼(MPPC)、基于MPPC的網(wǎng)絡(luò)編碼、基于MPPC的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。為了比較前3種機(jī)制的容量增益，引入了尺度因子ω。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ω增大到一定程度，MPPC比PPC更能改善網(wǎng)絡(luò)容量的標(biāo)度率。另一方面，在尺度因子ω、傳輸功率、噪聲和路徑傳播損耗的多因素下，基于PLNC的容量增益在二維網(wǎng)絡(luò)接近2，而在一維網(wǎng)絡(luò)的容量增益可超過(guò)2。

（9）廣播、多播對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響量為Θ的多播流量為Θ（W/n）。

參考文獻(xiàn)[30]對(duì)多播容量問(wèn)題進(jìn)行了闡述。假設(shè)有n個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分布在正方形區(qū)域內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)具有相同的傳輸半徑和干擾半徑R，R>r，每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)均可以通過(guò)一個(gè)共同的無(wú)線信道以W bit/s的速率傳輸或接收數(shù)據(jù)。證明指出，如果有n個(gè)多播數(shù)據(jù)流，且每個(gè)數(shù)據(jù)流都有k個(gè)接收對(duì)象，那么當(dāng)k=Ο(n/ln n)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)流的多播容

（10）采用多分組、多數(shù)據(jù)流的方法

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有同時(shí)接收多個(gè)用戶數(shù)據(jù)分組并對(duì)它們進(jìn)行有效分離的能力，而不是對(duì)于多個(gè)同時(shí)到來(lái)的數(shù)據(jù)分組只能當(dāng)作沖突全部丟棄。多分組接收可有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和減少數(shù)據(jù)分組的傳送等待 時(shí) 延[31，32]。

（11）采用路由策略

參考文獻(xiàn)[33]描述了一個(gè)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)的容量界域，引入了聯(lián)合調(diào)度和路由方法，把問(wèn)題映射為關(guān)聯(lián)接觸圖法上的多流問(wèn)題。通過(guò)關(guān)聯(lián)接觸圖法，提供了一個(gè)精確刻畫容量界域的一般方法。該方法可以把分析推廣到各向異性移動(dòng)模式的同構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

4 泛在網(wǎng)的容量研究

由于通信網(wǎng)絡(luò)朝著高速化、寬帶化、泛在化的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，使得未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性和融合性更加突出。由于多種網(wǎng)絡(luò)的并存以及頻譜資源的日趨緊張，如何加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)間的融合、提高網(wǎng)絡(luò)智能化、保持網(wǎng)絡(luò)的頑健性、保證用戶的QoS要求等，都是新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要面對(duì)的問(wèn)題。而這些技術(shù)無(wú)疑都與網(wǎng)絡(luò)容量的研究密不可分，因此筆者認(rèn)為，這些都將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)容量研究的重要領(lǐng)域。

（1）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的容量

網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性比較繁多，直接體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面，例如網(wǎng)絡(luò)的頻譜、網(wǎng)絡(luò)的功率和調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)終端以及網(wǎng)絡(luò)的管理等方面。

目前關(guān)于異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的文獻(xiàn)還不多，且研究得還不夠深入。參考文獻(xiàn)[50]提出在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中加入幫助節(jié)點(diǎn)（helping node）而得到的雙層網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，若在帶寬等方面賦予幫助網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)的性能，就能獲得比同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更高的吞吐容量。參考文獻(xiàn)[12]討論了混合網(wǎng)絡(luò)的容量，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中與基站通信進(jìn)行有線鏈接，可以通過(guò)功率控制獲得比純無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更高的容量。這種網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)就是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)和純Ad Hoc網(wǎng)的融合[13]。參考文獻(xiàn)[51]在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用了認(rèn)知路由矩陣以提高網(wǎng)絡(luò)容量。參考文獻(xiàn)[52]研究了UMTS、WiMAX及Wi-Fi等多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并存的情況下，交通車輛之間采用并行多路徑傳輸帶來(lái)的吞吐量（也稱流量）情況。參考文獻(xiàn)[53]研究了一種mesh異構(gòu)網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能做了嘗試性的研究，但并沒(méi)有涉及到網(wǎng)絡(luò)流量或者吞吐量方面的內(nèi)容。且其對(duì)象也僅限于對(duì)特例進(jìn)行仿真，并沒(méi)有做一般性的推廣。

（2）認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的容量

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念源于認(rèn)知無(wú)線電，但技術(shù)上還是存在很大差別。認(rèn)知無(wú)線電一般只考慮物理層和MAC層，而認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則是一種具有認(rèn)知能力的網(wǎng)絡(luò)。它包括含頻譜在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息感知、智能決策、資源分配機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方面[54]。例如，在主網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在相同頻段的情況下，準(zhǔn)許次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（也稱認(rèn)知節(jié)點(diǎn)）調(diào)整傳輸功率來(lái)保證主網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量。頻譜管理包括頻譜感知和頻譜分配。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)不斷感知未被主網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的頻帶（也稱頻譜空洞），尋機(jī)使用頻譜進(jìn)行通信。路由選擇是指節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，這就需要網(wǎng)絡(luò)具有鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和拓?fù)渲貥?gòu)的能力。同時(shí)在未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備監(jiān)測(cè)更多參數(shù)的能力，包括周圍（協(xié)同或競(jìng)爭(zhēng)）無(wú)線設(shè)備的其他共享資源、配置、時(shí)延、能耗等。在認(rèn)知原理方面，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以采用博弈理論、圖著色、多屬性判決等多種智能方法。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)容量的研究一般圍繞網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)存在主用戶節(jié)點(diǎn)和次用戶節(jié)點(diǎn)時(shí)，如何采用高效的頻譜管理[55]、路由策略[56]等技術(shù)，以提高網(wǎng)絡(luò)容量。而參考文獻(xiàn)[57]推出了一種由認(rèn)知節(jié)點(diǎn)以多跳方式組成的智能網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)基于路由選擇與功率分配的跨層優(yōu)化，采用遺傳算法等優(yōu)化分析網(wǎng)絡(luò)吞吐量，以此性能逼近網(wǎng)絡(luò)容量上界。 參考文獻(xiàn)[58]研究了具有認(rèn)知能力的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多射頻協(xié)作性優(yōu)化，但對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的容量研究還不夠深入。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前看來(lái)，無(wú)論在理論上或者在技術(shù)上，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的研究已取得了大量的成果。不過(guò)，這個(gè)領(lǐng)域仍然存在新的問(wèn)題，也面臨著新的挑戰(zhàn)，主要有以下幾點(diǎn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)容量定義的統(tǒng)一

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的定義繁多，其主流的定義可見(jiàn)表1。如前所述，雖然有些網(wǎng)絡(luò)容量概念在某種程度上具有關(guān)聯(lián)性，但若不加區(qū)別地運(yùn)用則會(huì)帶來(lái)麻煩。因?yàn)槊糠N網(wǎng)絡(luò)容量概念都有其存在的實(shí)際應(yīng)用背景，要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)形式和通信方式針對(duì)性地分析。而且，表1所列的網(wǎng)絡(luò)容量定義主要基于網(wǎng)絡(luò)層描述（如空間距離、節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)分組時(shí)延等）。倘若將物理層、鏈路層等綜合考慮進(jìn)來(lái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的分析會(huì)越發(fā)復(fù)雜。不過(guò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量定義的統(tǒng)一化工作卻有一定的理論意義，在工程上也有實(shí)用價(jià)值。

（2）融合異構(gòu)認(rèn)知的跨層優(yōu)化

由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，單一地從網(wǎng)絡(luò)層、物理層，抑或是MAC層都不能全面很好地分析其網(wǎng)絡(luò)容量。因此，對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量研究必須跨層、跨協(xié)議地展開(kāi)。早在2003年，Shakkottai等人就對(duì)跨層設(shè)計(jì)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[59]，利用跨層設(shè)計(jì)在協(xié)議棧各層之間進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化?；诖耍P者提出跨層映射的思想，為未來(lái)的工作提供參考：從物理層出發(fā)，綜合不同網(wǎng)絡(luò)的頻譜、功率、調(diào)制方式等；從網(wǎng)絡(luò)層出發(fā)，考慮不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞炔町?，建立多屬性決策表，利用多屬性判決機(jī)制構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的容量代價(jià)函數(shù)，進(jìn)而為無(wú)線接入的網(wǎng)絡(luò)切換提供依據(jù)。對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)來(lái)說(shuō)，垂直切換的目標(biāo)和難度遠(yuǎn)高于水平切換[60]，所以平衡異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信中的有效性和可靠性的矛盾顯得非常關(guān)鍵。

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