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基于三维随机几何理论的异构蜂窝网络性能分析与能效优化研究

潘子宇  
【摘要】:随着移动互联网的迅猛发展以及移动应用的爆发性增长,无线网络正面临前所未有的挑战。一方面,数据业务逐渐取代传统的话音业务成为无线通信业务的主导,且大量的数据业务发生在室内;另一方面,海量的移动终端以及高清视频、在线游戏、高速下载等应用对蜂窝网络的容量、速率和时延等各方面性能提出了越来越高的要求。应对上述挑战的有效方式之一是在传统宏蜂窝网络内引入各类诸如家庭基站、微微蜂窝、中继等小基站。然而,异构蜂窝网络中各类基站的大量引入,直接导致了系统能耗的快速增长。因此,探索一个准确分析异构蜂窝网络性能的方法以及相应的能效优化问题成为无线通信领域的热点课题。本文以随机几何这一关于空间点分布的理论作为数学工具,对异构蜂窝网络进行性能分析和能效优化研究。根据异构蜂窝网络中宏基站和小基站各自的空间分布特性,对异构蜂窝网络进行干扰建模和性能分析,推导了网络覆盖概率、平均接入率、传输速率等性能指标,并在此基础上进一步探索了基于休眠机制的异构蜂窝网络能效优化问题,对平均接入率和传输速率双重约束下的小基站休眠概率进行了优化。本文的主要研究内容如下:(1)基于三维泊松点过程(Three-Dimensional Poisson Point Process,3-D PPP)理论对小基站蜂窝网络进行性能分析,并推导了性能表达式。根据小基站在城市密集区域呈立体分布的特性,将传统二维泊松点过程(Two-Dimensional Poisson Point Process,2-D PPP)的干扰建模方法推广到三维(Three-dimensional,3-D),构建了基于3-D PPP的小基站干扰模型,分析了小基站蜂窝网络的上、下行覆盖概率以及平均传输速率等网络性能指标。对于下行链路,本文假设一定区域内的小基站服从一定参数的3-D PPP,在点过程相关理论的支撑下,推导了目标用户覆盖概率和传输速率的一般表达式以及特殊情况下的闭式解。对于上行链路,本文假设小基站和用户服从各自参数的独立3-D PPP并考虑基于分数功率控制因子的上行功率控制策略,推导了目标小区上行覆盖概率和传输速率的理论表达式。仿真结果表明,相比较传统基于2-D PPP分析结果,本文基于3-D PPP的分析方法能够更好地描述小基站的空间分布特性,为小基站蜂窝网络的覆盖性能提供了更紧密的下界。(2)研究了小基站网络上下行交叉干扰情况下的系统性能,并推导了性能表达式。在已有频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)场景上、下行链路分别干扰建模及性能分析的基础上,进一步研究了时分双工(Time Division Duplexing,TDD)制式下小基站蜂窝网络考虑上下行交叉干扰情况下的系统性能。借助3-D PPP理论对动态TDD小基站蜂窝网络上下行交叉干扰进行了建模分析,推导了目标小区分别处于上行和下行场景下的覆盖概率并以此为基础进一步推导了频谱效率和能量效率。通过仿真分析,得到的理论结果与动态TDD小基站网络的仿真结果基本一致说明本文模型的准确性。(3)分析了宏基站和小基站不同分布特性的异构蜂窝网络的系统性能。在对小基站蜂窝网络进行3-D PPP性能分析的基础上,根据宏基站在楼层顶部平面分布而小基站在楼层内部立体分布的特点,对异构蜂窝网络进行2-D PPP和3-D PPP混合干扰建模及性能分析。将异构网络中的宏基站和小基站分别假设为服从各自参数的2-D PPP和3-D PPP,在分析目标用户与宏基站和小基站通信的概率以及用户到其通信基站距离的分布的基础上推导了目标用户分别与宏基站和小基站通信时的覆盖概率,利用全概率公式计算目标用户在整个异构网络中的下行覆盖概率,并利用香农公式推导下行传输速率。仿真结果表明,本文提出的2-D PPP和3-D PPP混合干扰建模分析方法比单一2-D PPP能够更好的体现异构网络中不同基站的分布特性,尤其是小基站的空间分布特性。(4)提出了基于休眠机制的小基站网络能效优化策略。小基站通常部署在写字楼、商贸区等城市密集区域以弥补传统宏基站在覆盖和传输方面的不足。而小基站的分布一般是根据高峰时的网络负荷设计的,这必然导致在网络负荷较低时的资源浪费。本文在小基站蜂窝网络基于3-D PPP性能分析的基础上,研究了平均接入率(Average Connection Ratio,ACR)和信道容量双重约束下基于休眠机制的小基站蜂窝网络的能效优化问题。首先,在小基站网络基于3-D PPP传输速率分析的基础上进一步推导了小基站网络中用户平均接入率的数学表达式。其次,通过对平均速率和平均接入率单调性的分析得出了同时满足传输速率和接入率要求的最佳休眠概率。最后,建立了一个平均接入率和传输速率双重约束下能耗最小化问题,并获得了小基站的最佳休眠概率允许用户接入数。通过对该参数的合理配置,可以在满足通信指标的前提下降低网络能耗。仿真结果表明,本文设计的基站休眠机制可以使得小基站网络的能耗下降约21%。


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