一种基于随机几何的电力无线专网性能分析方法与流程

本发明涉及一种电力无线专网网络性能分析，具体说是一种基于随机几何的电力无线专网性能分析方法。

背景技术：

随着时代的发展，电力行业对电力无线专网的需求日益增加。业务需求爆发增长、公网安全性有待增加、光缆建设成本高、各专业分散建设是目前电力无线专网面临的主要问题。基于目前4g无线通信以及即将到来的5g无线通信的电力无线专网是终端通信接入网一种重要的通信方式。因此，对电力无线专网进行性能分析具有重要的学术价值和广阔的应用前景，逐渐成为电力行业和无线通信行业共同的研究热点。

网络性能分析是通过计算机并结合相应的数学工具对网络的关键性能指标进行估算的过程，它使得计算机能够从网络的表象中分析出其内在的特性，为进一步的网络优化提供依据。电力无线专网性能分析主要包括网络覆盖性能(覆盖概率)、系统容量(传输速率)等。

基站分布描述是电力无线专网性能分析的一个非常重要的环节，是提高网络性能指标估算的关键步骤。在诸多基站分布描述方法中，网格分析法是比较常见的一种方法，具有直观简便的特点，其中六边形网格分析是该方法的典型代表。六边形网格分析方法的优点在于网络结构比较简单，影响小区干扰的因素仅有小区大小和基站的发射功率两个，在2g/3g移动通信时代被广泛应用于蜂窝网络性能分析中，并且在其他网络领域的应用越来越广阔。然而，随着无线通信的发展，网格分析法存在以下缺点：

1、过于理想化，即使是单层网络，这种六边形小区结构与基站的实际覆盖也存在较大的偏差，不能准确地描述基站的实际分布特性，只有在基站分布非常密集的情况下，才能表现出近似六边形的规则性；

2、不具有数学可分析性，只能通过蒙特卡洛仿真获得相应的结果，不利于后期网络性能优化。

技术实现要素：

基于以上情况，本发明的目的是提供一种基于随机几何的电力无线专网性能分析方法，利用随机几何理论对电力无线专网中目标用户的接收信干比的概率分布进行描述，它综合考虑了基站的空间分布情况以及目标用户接收信号和干扰的分布情况，区别于传统网格分析法小区大小为固定值，最终得出网络的覆盖性能指标值(覆盖概率)；在覆盖性能分析的基础上进一步分析网络容量(传输速率)，得出网络传输速率的解析表达式，代入网络基本参数后可直接计算出结果，具有很强的实用性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于随机几何的电力无线专网性能分析方法，其特征在于：该方法利用随机几何理论对电力无线专网的网络性能进行分析，分为网络覆盖性能分析和系统容量分析两方面；其中：

覆盖性能分析包括基于随机几何的电力无限专网基站空间分布模型以及网络覆盖概率的估算公式，将网络基站密度代入即可估算出电力无线专网的覆盖性能；

系统容量分析包括则在网络覆盖性能分析的基础上，引入系统带宽和基站连接用户数，代入容量分析的计算公式即可估算出电力无线专网的系统容量。

具体如下：

1)网络覆盖性能分析

基于随机几何的空间分布模型，根据一定空间中的基站数量构建基站的分布模型；

假设目标用户位于中心原点，则距离其最近的基站为通信基站，其余基站为干扰基站，通信基站距离目标用户的距离为r，其概率密度函数为

根据无线通信路径损耗模型，电力无线专网下行链路目标用户的信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio，sinr)为

h为综合考虑了基站的发射功率以及阴影衰落的随机变量，服从参数为的指数分布，记作h～exp(μ)，为基站的发射功率；因此，公式(2)的分子表示接收信号功率，分母表示干扰和噪声；

网络的覆盖性能(覆盖概率)通常指目标用户的接收sinr大于某门限t的概率；根据上述两点，结合随机几何理论，得出覆盖概率的一般解析结论

其中，

公式(3)中，λ表示基站密度，α表示路径损耗指数，σ²表示噪声功率，t为网络sinr门限值；上述参数从网络运营商处获取；通过公式(3)算出电力无线专网的覆盖性能；

2)系统容量分析(传输速率)

由于覆盖性能即为目标用户的接收sinr大于某门限t的概率，也就是sinr的分布情况，因此，根据香农定理，推算出网络的系统容量(传输速率)

其中，

公式(4)中，w表示系统带宽，n表示基站连接用户数，从网络运营商处获得；通过公式(4)估算出电力无线专网的系统容量。

本发明的有益效果：

1.随机几何模型、网格模型与基站实际分布情况的比较

随机几何模型和六边形网格模型分别在某区域电力无线专网场景内上进行实验，根据运营商提供的基站密度模拟出的网络结构分别如图1、图2所示，图3为根据基站实际位置绘制的网络结构。从这三幅中可以看出，随机几何模型模拟出的网络结构比六边形网格模型更贴近实际网络的分布情况，依据随机几何模型估算出的网络性能指标将更为准确。

2.随机几何模型与网格模型、实测覆盖性能比较

由于随机几何模型描述的基站分布更贴近实际，被大量用于蜂窝网络、ad-hoc网络、自组织网络等网络性能分析中。从图4中可以看出，随机几何模型对电力无线专网覆盖性能的估算值要明显比网格模型准确，基本和实测值一致。表1给出了随机几何模型和网络模型对覆盖性能估算值的误差比较和运算时间比较。可以看出，随机几何模型不仅误差小而且计算时间大大减少，提高了计算效率。此外，从估算结果看，网格模型的估算值要高于实测值，这会导致网络管理者过分相信网络的覆盖性能，从而导致实际覆盖不足。

表1电力无线专网覆盖性能不同模型的估算误差和计算时间

3.随机几何模型与网格模型、实测系统容量比较

随机几何模型和六边形网格模型分别在某区域电力无线专网场景内上进行传输容量估算，以实测速率值为参照。结果如表2所示。从表中可以看出，随机几何模型对系统容量的估算值更接近实测值，同时由于随机几何模型在计算系统容量时仅涉及积分计算，而网格模型需要蒙特卡洛仿真，因此所耗时间大大减少，提高了计算效率。由于网格模型估算的容量值高于实际值，这对网络性能评估是不利的。

表2随机几何模型和网格模型对电力无线专网系统容量计算值和计算时间比较

本发明利用随机几何理论对电力无线专网中目标用户的接收信干比的概率分布进行描述，它综合考虑了基站的空间分布情况以及目标用户接收信号和干扰的分布情况，区别于传统网格分析法小区大小为固定值，最终得出网络的覆盖性能指标值；在覆盖性能分析的基础上进一步分析网络容量，得出网络传输速率的解析表达式，代入网络基本参数后可直接计算出结果，具有很强的实用性。

本发明解决了传统蜂窝网络性能分析方法过于理性化和结果不够准确的问题。

附图说明

图1是本发明中随机几何模型模拟出的网络结构示意图。

图2是本发明中网格模型模拟出的网络结构示意图。

图3是本发明中网络实际分布示意图。

图4是本发明中覆盖性能比较示意图。

具体实施方式

一种基于随机几何的电力无线专网性能分析方法，利用随机几何理论对电力无线专网的网络性能进行分析，分为网络覆盖性能分析和系统容量分析两方面；其中：

网络覆盖性能分析包括基于随机几何的电力无限专网基站空间分布模型以及网络覆盖概率的估算公式，将网络基站密度代入即可估算出电力无线专网的覆盖性能；

系统容量分析包括则在网络覆盖性能分析的基础上，引入系统带宽和基站连接用户数，代入容量分析的计算公式即可估算出电力无线专网的系统容量。

本发明提出了基于随机几何的空间分布模型，根据一定空间中的基站数量(即，基站密度)构建基站的分布模型。

假设目标用户位于中心原点，则距离其最近的基站为通信基站，其余基站为干扰基站。通信基站距离目标用户的距离为r，其概率密度函数为

目标用户的信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio，sinr)

根据无线通信路径损耗模型，电力无线专网下行链路目标用户的sinr为

h为综合考虑了基站的发射功率以及阴影衰落的随机变量，服从参数为的指数分布，记作h～exp(μ)，为基站的发射功率。因此，公式(2)的分子表示接收信号功率，分母表示干扰和噪声。

网络的覆盖性能(覆盖概率)通常指目标用户的接收sinr大于某门限t的概率。根据上述两点，结合随机几何理论，可以得出覆盖概率的一般解析结论

其中，

公式(3)中，λ表示基站密度，α表示路径损耗指数，σ²表示噪声功率，t为网络sinr门限值。上述参数都可以很方便地从网络运营商处获取。统计区域内基站的数量，除以区域面积，得到区域基站密度，通过公式(3)可以很方便地估算出电力无线专网的覆盖性能。

由于覆盖性能即为目标用户的接收sinr大于某门限t的概率，也就是sinr的分布情况，因此，根据香农定理，可以推算出网络的系统容量(传输速率)

其中，

公式(4)中，w表示系统带宽，n表示基站连接用户数，同样可以从网络运营商处获得；其余参数在第3点中已说明。结合基站密度一并代入公式(4)中，同样可以很方便地估算出电力无线专网的系统容量。

本发明利用随机几何理论对电力无线专网中目标用户的接收信干比的概率分布进行描述，它综合考虑了基站的空间分布情况以及目标用户接收信号和干扰的分布情况，区别于传统网格分析法小区大小为固定值，最终得出网络的覆盖性能指标值；在覆盖性能分析的基础上进一步分析网络容量，得出网络传输速率的解析表达式，代入网络基本参数后可直接计算出结果，具有很强的实用性。