基于能效的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署和資源管理優(yōu)化.pdf

1、近幾年，無線智能終端和各種移動服務(wù)應(yīng)用爆炸式的增長直接給蜂窩通信系統(tǒng)帶來了許多挑戰(zhàn)。一方面，海量的移動終端和高速下載、視頻電話、在線游戲等應(yīng)用對蜂窩網(wǎng)絡(luò)提出了大容量、高速率和低延時等越來越高的QoS(Quality ofService)需求。另一方面，為了滿足急速增長的負載需求，蜂窩運營商們增大部署基站及其相應(yīng)配套設(shè)施，這直接導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗的快速增長。出于全球氣候變暖和對網(wǎng)絡(luò)運營開銷控制的考慮，運營商們在關(guān)注用戶QoS的同時也越來越重視

2、系統(tǒng)的能量效率。因此，綜合考慮QoS和能量效率，特別是在滿足用戶QoS前提下優(yōu)化系統(tǒng)能量效率，具有重要的現(xiàn)實意義。
　　為了更好的滿足用戶QoS需求，LTE和WiMax標準組相繼提出，在已有宏基站的基礎(chǔ)之上引入家庭基站、Pico基站和中繼等低功耗節(jié)點（本文統(tǒng)稱其為微基站），以擴大系統(tǒng)容量、卸載熱點宏基站負載、增強室內(nèi)覆蓋、提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。這種由宏基站和低功率節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)稱為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。除了給用戶提供更好的QoS

3、性能，相比于僅由宏基站構(gòu)成的同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在提升系統(tǒng)能量效率性能上充滿了許多優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，其中包括高頻譜復(fù)用、微基站低功耗、短距離通信等優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)拓撲更加隨機、干擾更加嚴重、資源調(diào)度更加復(fù)雜等挑戰(zhàn)?？紤]以上優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，本文研究基于能效的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署和資源管理技術(shù)，聯(lián)合考慮基站部署密度、發(fā)射功率、休眠操作以及頻譜分配機制，探討如何在滿足用戶QoS前提下優(yōu)化異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量效率。本文主要工作和貢獻如下:
　　1)研

4、究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部署問題，聯(lián)合優(yōu)化基站密度與發(fā)射功率，在保證覆蓋/信干噪比或速率統(tǒng)計性能前提下最小化系統(tǒng)區(qū)域功耗。
　　利用泊松點過程網(wǎng)絡(luò)模型分析推導(dǎo)系統(tǒng)平均覆蓋概率（信干噪比累積分布函數(shù)）與基站密度、基站發(fā)射功率的關(guān)系式。基于推導(dǎo)結(jié)果，建立一個覆蓋/信干噪比或速率統(tǒng)計性能約束下的區(qū)域功耗最小化問題，并通過消除變量法聯(lián)合求解得到最優(yōu)的宏基站發(fā)射功率、宏基站密度、微基站發(fā)射功率和微基站密度。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn):相比于同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)蜂

5、窩網(wǎng)絡(luò)在能效性能上具有絕對的優(yōu)勢;考慮發(fā)射功率配置可進一步降低系統(tǒng)功耗。
　　2)系統(tǒng)部署后，研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的宏基站休眠策略，在保證下行覆蓋性能不變和上行平均功耗在用戶容忍范圍內(nèi)的前提下最小化系統(tǒng)區(qū)域功耗。
　　利用泊松點過程網(wǎng)絡(luò)模型分析推導(dǎo)下行平均覆蓋概率和上行用戶功耗與宏基站休眠比例的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，提出調(diào)節(jié)剩余宏基站發(fā)射功率和引入微基站的方法以保證關(guān)閉部分宏基站前后系統(tǒng)覆蓋性能不變。此外，得到了保證上行平均功耗

6、在用戶容忍范圍內(nèi)的宏基站休眠比例上限。然后建立了以下優(yōu)化問題:在保證下行覆蓋性能不變和上行平均功耗在用戶容忍范圍內(nèi)的前提下，聯(lián)合優(yōu)化休眠宏基站比例、宏基站的發(fā)射功率和引入微基站的密度以使得系統(tǒng)區(qū)域功耗最小。通過消除變量法求解得到問題的最優(yōu)解。
　　3)研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的微基站休眠策略，提出基于門限的微基站休眠策略，分析系統(tǒng)功耗與頻譜效率/吞吐量的折中關(guān)系，得到能效最優(yōu)的節(jié)能門限值。
　　設(shè)計一種基于門限的微基站休眠策略，即

7、當微基站負載低于節(jié)能門限且能被宏基站接管時關(guān)閉該微基站，當休眠微基站負載高于節(jié)能門限或宏基站過載時激活微基站。將基站模式切換過程建模為準生滅過程，結(jié)合泊松點過程網(wǎng)絡(luò)模型和Markov鏈理論，推導(dǎo)得到宏基站的平均負載、宏基站的平均功耗、平均休眠微基站數(shù)目、微基站的平均負載、微基站的平均功耗等性能表達式。利用泊松點過程網(wǎng)絡(luò)模型分析得到微基站用戶和宏基站用戶的平均速率。將系統(tǒng)平均功耗與系統(tǒng)平均吞吐量的比率作為能效評判準則，分析能效與節(jié)能門限的

8、關(guān)系表達式，并得到節(jié)能門限取值方案。
　　4)給定基站工作模式后，研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的資源調(diào)度問題，設(shè)計能效優(yōu)先的自適應(yīng)傳輸策略，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定/平均時延前提下最小化系統(tǒng)平均功耗。
　　將認知無線電技術(shù)應(yīng)用到蜂窩通信中，提出一種由宏基站和中繼組成的多跳認知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)可以在用戶不具有感知功能的基礎(chǔ)上擴大系統(tǒng)可用資源。在該架構(gòu)下，考慮到各節(jié)點可用頻譜空間、時間上的波動性和業(yè)務(wù)的時延容忍特性，提出調(diào)度時延容忍數(shù)據(jù)在可