网络理论中的干扰问题寻找解决方案

（1）标度律层次分类：信息理论界限和网络理论界限

给定无线网络，它的标度律首先依赖于对网络模型的假设。一般来讲，无线网络标度律可分为两个层次[5]。第一个层次是信息理论（Information-theretic）界限。这一级别的标度律是以网络信息论为基础给出网络性能的上界[14-17]，而在设计达到这一上界的最优策略时，往往需要引入更为复杂的物理层技术，使得合作通信（Cooperative Communication）可以运行[18-19]，诸如干扰消除（Interference Cancellation）[20]、MIMO[19，21]等技术。第二个层次是网络理论（Networking-theretic）界限。这种层次的标度律直观上可看做是有线网络对应的理论和方法在无线网络环境下的推广。但是，无线网络和有线网络之间显著的差异性导致了无线网络有着大量独特的挑战性问题。首先，在有线网络中，根据物理拓扑可以直接导出网络图，而在无线网络中，实际上只能通过对模型做简化性假设，人为地使无线网络关联于一个图。依据不同的模型假设，无线网络的关联图将有很大的不同。而且图中的链接不是独立的，一些链接若同时传输则会彼此产生干扰。如何处理这些干扰，是网络理论层次下的标度律研究的主要问题之一。

在网络理论界限的研究中，主要的特点是“干扰即噪声”。也就是说，节点之间只进行点对点的通信，而不引入任何的合作通信技术。无线网络容量标度律的开山之作[6]便是在网络理论层次下开展的。而且，已有文献中大多研究也都是设定在网络理论层次中，主要的原因在于现有的无线网络的物理层技术大多仍是限制在点对点通信的层次。尽管无线网络远非用一系列点对点的链接可以描述，“干扰即噪声”的假设也抹除了无线媒介典型特性，而且开发更为先进的物理层技术，是无线通信/网络领域的发展方向，但是，给出基于当前主流技术的网络标度律结果同样具有现实意义，而且，网络理论层次下的结果对进一步研究信息理论层次的标度律有一定的参考价值。在本书中，我们将研究网络理论层次的标度律。

（2）标度律研究分类

无线网络标度律研究依据各自采取系统模型的不同来分类。一般来讲，我们可以从以下几个方面来分类：部署模型、扩展模式、移动模型、通信/干扰模型和会话类别等。

部署模型：Gupta和Kumar[6]根据对网络部署的控制力度，定义了两种静态节点部署模型：任意网和随机网。在任意网中，节点的位置、源点之目的节点的选取以及网络的传输需求都可根据需要做设定。对于任意网的性能分析往往是研究网络的最优部署问题[6，22-24]。在随机网中，节点是随机部署在网络中的，而且源点的目的节点也假设是随机选取的。这些随机性导致网络性能往往不会优于任意网络的性能。在本书中，针对自组节点构成的网络，主要是研究同构随机网络模型。在图1-1中，着重给出了随机网络模型的分类。具体的定义，将在2.1节介绍。

图1-1　常见网络部署模型

扩展模式：扩展模式是指网络规模扩展的方式。两类典型的扩展模式是：密集式和扩展式。前者是部署区域面积不变，而节点数目增大，从而节点密度增大；后者是节点密度不变，节点数目增多，部署区域面积增大。二者在工程意义上的主要区别体现在干扰受限和覆盖/能量受限[19]。密集式网络是密集式的部署，接收端收到的信号具有充分大的信噪比（SNR），而网络吞吐量主要受限于同时进行的传输之间的干扰。扩展式网络是相对稀疏式的部署，通信的源点和目的节点的距离不断扩大，网络吞吐量受限于传输能量和干扰。实际上，两类网络只是一般密度网络的两个极端特例，一般性的扩展模式可以通过引入一般的密度参数来描述。具体的定义，在2.1节介绍。(www.xing528.com)

移动模型：一般来讲，无线网络的移动模型主要有两大类：运动轨迹和综合模型。所谓运动轨迹，是从现实生活中的运动系统中观察到的移动模式；从充分的实践和观察中得到的这种轨迹通常能够提供准确的信息。但是，对于新的网络系统而言，在未掌握其现实的运行轨迹的情况下，建模是非常困难的。针对这种情况，就要运用综合模型（Synthetic Models）。综合模型的目的是，在没有运行轨迹等数据的情况下表达出节点的移动模式。在本书中，将只考虑综合模型。一般来讲，综合模型分为综合实体移动模型（节点的移动是独立的）和综合组移动模型（节点的移动依赖于组内其他节点的移动）。将在2.2节介绍这些移动模型。在本书中，着重考虑以下几类常见综合实体移动模型：I.I.D.模型、随机行走模型、随机路点模型和布朗模型。另外，也研究了一般化的混合随机游走移动模型和离散随机方向移动模型[25]。依据一定的参数取值，常见的随机游走移动模型、I.I.D.移动模型、随机路点移动模型、离散和布朗模型均可看做这两类模型的特例。将在第4章具体介绍。

通信模型：通信/干扰模型是体现标度律层次的重要角度之一。通常来讲，网络理论层次下的通信模型是对现实中的无线信道做了抽象和简化，其定义本身便能体现出“干扰即噪声”这一假设条件[6]；而针对信息理论界限的通信模型则需要更为贴切的反映真实无线广播信道。在图1-2中，着重给出了网络理论层次下的通信模型的分类。各种通信模型的定义以及它们之间的关系，在2.3节介绍。

图1-2　常用通信模型

会话类别：在无线网络中，按信息流业务的需求，信息传输的会话类别通常可分为信息分发（Information Dissemination）和信息汇集（Information Gathering）；按源节点与目的节点对应关系的确定性，可分为确定型会话（Deterministic Session）和机会型会话（Opportunistic Session）。在确定型会话中，数据产生之时，其目的节点已经确定；而在机会型会话中，路由和目的节点都可根据某些随机事件动态变化。在表1-1中，给出了常见的会话类别，具体定义在2.4节给出。在本书中，研究确定型的会话类别。

表1-1　常见的会话类别

针对标度律问题的已有工作中的模型设置一般都可以看做是以上几类模型的组合。近来，相关研究中的一个趋势便是力图给出一般化、普遍性的结果。这种“一般化”正是体现在模型的综合性当中。比方说，最初的网络容量标度律工作通常考虑的会话模型是单播，部署模型是均匀密度网络，扩展模型是密集网，通信模型是固定速率模型；其后，一些研究者开始把结果扩展到广播的情况；继而，开始有研究者把单播和广播作为组播的两个特例，给出一般性的组播标度律，并且统一了之前关于单播和广播的结果；另一方面，开始有研究者观察到固定速率模型的局限性，开始引入更为现实的自适应速率模型，给出新的通信模型下的标度律，具体的研究也是从会话类别、部署模型、扩展模式和移动模型等多个方面，沿着从特例到一般的脉络开展。