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基于随机几何的异构蜂窝网络能量效率研究

陈永红  
【摘要】:移动业务的爆炸式增长使得传统的蜂窝网络结构难以满足用户对通信质量和速度的要求,异构蜂窝网络(Heterogeneous Cellular Networks,Het Nets)已成为第五代蜂窝移动通信的网络架构。由于小型基站位置的不确定性,网络拓扑结构、链路特性等均会随之发生变化,传统的网络分析模型对于异构蜂窝而言已不太适用,研究符合实际的基站空间分布模型是非常必要的。在移动业务量快速上升的背景下,为了节能减排,降低蜂窝网络的能耗,实现绿色通信,研究并优化异构蜂窝网络的能量效率有很重要的现实意义。本文的主要工作和贡献如下:(1)研究了多天线中继辅助蜂窝网络下行链路的传输性能,其中宏基站(Macro Base Station,MBS)和中继(Relay Station,RS)采用齐次泊松点过程部署在欧几里德平面上。采用随机几何方法推导出MBS到用户(User Equipment,UE),MBS到RS,RS到UE链路的覆盖概率和平均可达速率,根据提出的功耗模型,推导出系统的能量效率表达式。同时也对宏基站采用随机休眠策略时系统的性能进行了分析。通过仿真对中继蜂窝网络下行链路的传输性能进行分析,并和单天线中继蜂窝网络的性能进行了比较,仿真结果验证了理论分析结果,并表明MBS采用多天线时下行链路的覆盖概率和系统的能量效率方面均优于单天线网络。(2)研究了中继采用休眠策略的多天线异构蜂窝网络的能量效率。提出了一种中继休眠策略,该策略根据中继服务的用户数是否超过给定阈值,动态改变中继的工作模式。推导了多天线RS休眠策略蜂窝网络中MBS-UE链路、MBS-RS链路和RS-UE链路的覆盖概率和平均可达速率,根据单位面积功耗和单位面积可达速率,推导出系统的能量效率。通过仿真对中继采用休眠策略的多天线蜂窝网络性能进行分析,提出系统可以通过设置适当的用户数阈值和MBS发射功率得到更高的能量效率。此外,宏基站采用多天线时系统的频谱效率和能量效率均优于单天线网络。(3)研究了基于非泊松点过程的两层异构蜂窝网络的能量效率,其中宏基站的部署采用?-Ginibre点过程进行建模。首先采用基于泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)的近似信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)分析方法,得到两层异构网络的信干比分布,即非泊松网络的SIR分布可以通过把泊松网络模型中SIR分布的给定阈值根据增益因子进行缩放来得到。然后推导了异构蜂窝网络各条链路的覆盖概率、平均可达速率和系统的能量效率表达式。最后,提出一种能量效率优化算法,寻找最优的微基站发射功率,使能量效率最大化。(4)研究了多天线异构蜂窝网络的能量效率及性能优化,其中宏基站采用Matérn硬核点过程(Matérn hard-core point process,MHCPP)建模。首先,利用基于平均干扰信噪比的增益法来近似MHCPP的SIR分布。其次,推导出多天线异构蜂窝网络的覆盖概率、平均可达速率和能量效率的具体表达式。然后,提出了一种通过控制微基站的发射功率来提高多天线Het Nets能量效率的优化算法。最后,对采用单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)、空分多址(Space Division Multiple Access,SDMA)和单用户波束成形(Single User Beamforming,SUBF)三种传输技术的系统性能进行了仿真分析。结果表明,多天线传输比单天线传输具有更好的系统性能,选择合适的发射功率可以有效地提高系统的能量效率。此外,两层MHCPP-PPP Het Nets的能量效率优于两层PPP-PPP Het Nets。


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