超密集網(wǎng)絡(luò)的性能分析與能效優(yōu)化方法研究.pdf

1、為了應(yīng)對(duì)未來無線數(shù)據(jù)流量持續(xù)爆炸性增長(zhǎng)、智能設(shè)備海量接入、各類新興業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)等挑戰(zhàn)，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）應(yīng)運(yùn)而生。其中，在分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上部署超高密度接入點(diǎn)的超密集網(wǎng)絡(luò)（Ultra dense networks, UDN）被視為5G系統(tǒng)中最具前景的關(guān)鍵技術(shù)之一。UDN一般是由大量超高密度的低功率、低成本的小型基站組成，其部署密度遠(yuǎn)超于當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。其密集化的站點(diǎn)部署縮短了信息接收端與發(fā)送端的距離，使得傳輸路徑損

2、耗減小，有效提高鏈路傳輸質(zhì)量，加之可用頻譜的復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量、頻譜效率的大幅提升。
　　然而若要充分發(fā)揮UDN的諸多優(yōu)良性能，仍有很多問題亟待解決。主要體現(xiàn)UDN部署時(shí)的性能分析和 UDN部署后的性能優(yōu)化兩個(gè)方面。前者主要通過構(gòu)建UDN節(jié)點(diǎn)的空間點(diǎn)模型，推導(dǎo)和分析不同網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而為UDN的部署提供理論依據(jù)。后者主要是在網(wǎng)絡(luò)配置確定的條件下，利用凸優(yōu)化、博弈論等工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)這兩方面問題，本

3、文采用隨機(jī)幾何對(duì)UDN進(jìn)行了建模與性能分析，同時(shí)從綠色通信的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于資源分配和基站休眠的低復(fù)雜度的能效優(yōu)化策略，為UDN性能的提升提供了有效解決方案。
　　針對(duì)UDN部署時(shí)的性能分析，本文以兩層UDN為例，將微微基站與家庭基站的分布分別建模成一個(gè)齊次泊松點(diǎn)過程和一個(gè)Matern簇過程。利用隨機(jī)幾何的相關(guān)理論，推導(dǎo)出在多信道條件下外部用戶和內(nèi)部用戶的覆蓋率以及平均可達(dá)速率。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)了UDN的區(qū)域頻譜效率和區(qū)

4、域能量效率。通過理論分析與系統(tǒng)級(jí)仿真，得到了系統(tǒng)參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)性能之間的關(guān)系。
　　針對(duì)UDN部署后的性能優(yōu)化，本文以能量效率為優(yōu)化目標(biāo)，首先提出了一個(gè)基于分簇的高能效資源分配策略。該策略包含兩個(gè)階段，即分簇階段和資源分配階段。在分簇階段，設(shè)計(jì)了可以根據(jù)基站密度自動(dòng)調(diào)整基站簇?cái)?shù)量的改進(jìn)型K-means聚類算法。然后在每個(gè)基站簇中，以最小化每個(gè)基站簇內(nèi)干擾為原則設(shè)計(jì)了用戶分組算法。在資源分配階段，設(shè)計(jì)了分步頻譜分配算法和基于非合作博弈的

5、迭代功率分配算法，并給出了算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，所提策略在降低網(wǎng)絡(luò)干擾的同時(shí)，有效提升了系統(tǒng)的吞吐量、頻譜效率和能量效率，并且這種優(yōu)勢(shì)隨著基站密度的進(jìn)一步增加而越發(fā)明顯。同時(shí)，本文還提出了兩階段的UDN基站休眠策略。通過將熱點(diǎn)地區(qū)的小基站與用戶分別建模為兩個(gè)相互獨(dú)立的齊次泊松點(diǎn)過程，利用隨機(jī)幾何的相關(guān)理論，分析推導(dǎo)了用戶的平均可達(dá)速率，并給出了傳統(tǒng)休眠模式和隨機(jī)休眠模式下的系統(tǒng)能耗。相比于窮盡式搜索方式，本文所提出的策略