基于隨機幾何的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能分析.pdf

1、爆炸性移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長使得傳統(tǒng)同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以應(yīng)對數(shù)據(jù)量的沖擊以及用戶對于通信質(zhì)量的要求，而異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則廣泛被認(rèn)為是應(yīng)對該挑戰(zhàn)的有效方式之一。蜂窩網(wǎng)絡(luò)密集化、多元化和隨機化的異構(gòu)趨勢導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，從而使得傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能評估方法因其過于復(fù)雜或相關(guān)假設(shè)過于理想而無法適用于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而，對網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)的性能評估是決策網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定和引入新型網(wǎng)絡(luò)部署和技術(shù)的前提條件。因此，找尋一個有效且便于分析的網(wǎng)絡(luò)性能評估方法是當(dāng)前異

2、構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中亟待解決的問題之一。目前隨機幾何理論是廣泛用于建模和分析網(wǎng)絡(luò)的重要數(shù)學(xué)工具，且所得理論結(jié)果與實際仿真結(jié)果切合。因此，本文考慮不同類型點過程建模的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景，利用隨機幾何相關(guān)理論分析不同的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，期望給予可分析性較高的理論結(jié)果，從而在理論上了解網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和參數(shù)對于網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的影響。
　　首先，考慮最簡單的泊松點過程所建模的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，分析其最基本的性能指標(biāo)信干比分布和可達(dá)速率以及更全面反映網(wǎng)絡(luò)性

3、能的指標(biāo)，如區(qū)域頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)能效。由于模型的可分析性較高，本研究考慮更為實際的多信道環(huán)境下的中繼異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用泊松多層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型對基站和中繼的空間分布進行建模，并給出網(wǎng)絡(luò)性能的理論分析，進而研究站點密度等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對于網(wǎng)絡(luò)性能的影響。在該模型下，本文推導(dǎo)了宏用戶和中繼用戶的覆蓋率及相應(yīng)的平均可達(dá)速率，并進一步推導(dǎo)出區(qū)域頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)能效的理論閉式表達(dá)式。利用齊次泊松點過程的獨立稀釋特性，本文通過以一定概率去關(guān)閉或者開啟站點以建

4、模站點密度的動態(tài)特性，從而探究網(wǎng)絡(luò)性能與站點密度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示中繼異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能要明顯高于傳統(tǒng)單層蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其中隨著站點密度的增加，區(qū)域頻譜效率隨之增加而網(wǎng)絡(luò)能效先增加后減小，因而站點密度對于區(qū)域頻譜效率和能效的影響存在一定折中。簡單網(wǎng)絡(luò)模型所分析的結(jié)果與方法為更復(fù)雜一般性的模型分析提供了基本的理論結(jié)果和參考方法。
　　其次，將建模異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空間點過程推廣到一般性的非泊松點過程，提出有效且簡單的分析方法，進一步推廣更

5、為實際的非泊松模型在網(wǎng)絡(luò)研究上的應(yīng)用，從而得出更具有實際意義的理論結(jié)果。以最基本的性能指標(biāo)信干比分布為研究目標(biāo)，本文提出兩種適用于非泊松多層網(wǎng)絡(luò)的泊松近似方法，以給出信干比分布較為精確卻簡單易分析的理論結(jié)果，如此可兼顧模型的精確性和可分析性。本文首先對一般性異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)建立了每層泊松近似方法，并基于每層泊松近似方法給出適用于所有路損指數(shù)相等的場景中的有效增益泊松近似方法，即推導(dǎo)出異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的有效增益的具體表達(dá)式，如此相應(yīng)的信干比分布則

6、可以通過以泊松網(wǎng)絡(luò)簡單的信干比分布為基礎(chǔ)，在信干比門限上平移有效增益即可。此外，兩種泊松近似方法也可用來刻劃一般性異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信干比分布的拖尾特性。更進一步地，本文推導(dǎo)了在β-Ginibre和泊松點過程所組成的雙層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下精確的信干比分布，通過在精確度和表達(dá)式簡易性兩個方面比較了精確理論結(jié)果和近似結(jié)果以說明所提近似方法的有效性。結(jié)果證明所提的兩種方法可以給出簡單且精確的信干比近似分布，因此本研究為進一步分析其他更能反映網(wǎng)絡(luò)性

7、能提供了基礎(chǔ)分析結(jié)果。
　　最后，在非泊松多層網(wǎng)絡(luò)模型下，利用近似信干比分布，進一步考慮其他更能反映網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)以及相關(guān)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。同樣考慮區(qū)域頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)能效兩種性能指標(biāo)，并基于由泊松近似方法所得來的近似信干比分布研究一般性異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下的頻譜分配策略對于這兩種性能的影響，以確定不同頻譜分配策略在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用范圍。分別以最大化這兩種性能指標(biāo)為目標(biāo)，優(yōu)化各自在一定頻譜策略下各層所需頻譜大小和各層信干比門限。首先考

8、慮頻譜分隔策略，并形成相應(yīng)的目標(biāo)性能優(yōu)化問題，在此基礎(chǔ)上引入不同的頻譜效率限制條件。該優(yōu)化問題可等價分解為兩個子問題，其中一個是獲取最優(yōu)的信干比門限值以最大化相應(yīng)的頻譜效率，另一個是基于最優(yōu)信干比門限給出最優(yōu)的層間頻譜分配策略以最大化區(qū)域頻譜效率或網(wǎng)絡(luò)能效。隨后，利用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的有效增益泊松近似方法，本文證明了頻譜共享優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為頻譜分隔優(yōu)化問題，因此所提的解決方案亦適用于頻譜共享問題。此外，本文比較了泊松模型和非泊松模型在采用