基于上下行解耦接入架構(gòu)的高能效異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)。為了在有限的頻譜資源下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)充，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)單層宏蜂窩的基礎(chǔ)上，通過在熱點(diǎn)及盲點(diǎn)區(qū)域疊加其他類型的低功率、低成本設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多類型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的綜合服務(wù)。盡管低功率小基站的引入降低了單個(gè)基站的平均能耗，隨著基站數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)的整體能耗開銷日益增大。尤其在網(wǎng)絡(luò)密集化不斷加劇的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）中，高能效的異構(gòu)蜂

2、窩網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文主要從異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的接入架構(gòu)出發(fā)，理論分析并設(shè)計(jì)一種新型的高能效異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)，上下行解耦接入架構(gòu)。
　　傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的上行和下行通信接入相同的基站，通常為地理位置最近，也就是接收信號(hào)最強(qiáng)的基站，這種上下行耦合的接入方式在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中并不適用。一方面，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不同類型基站的發(fā)射功率差異較大，地理位置最近的基站未必會(huì)提供最強(qiáng)的下行接收信號(hào)；另一方面，電池供電的終端用戶

3、更傾向上行接入地理位置最近的基站來(lái)節(jié)約能耗。基于上行和下行不同關(guān)聯(lián)基站的需求，上下行解耦接入架構(gòu)受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文在已有研究基礎(chǔ)上，對(duì)該架構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景、面臨的挑戰(zhàn)、存在的研究難點(diǎn)及解決方案等進(jìn)行了細(xì)致分析，應(yīng)用隨機(jī)幾何理論和排隊(duì)論理論研究該架構(gòu)所面臨的關(guān)鍵問題，包括上下行解耦接入架構(gòu)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)性能增益，該架構(gòu)的普適性分析，該架構(gòu)下高能效異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及部署等。本文的主要研究成果如下：
　　1）理論分析了上下行解耦接入架構(gòu)為

4、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的性能增益。上下行解耦接入架構(gòu)與傳統(tǒng)接入架構(gòu)相比，直觀上可以提高上行傳輸?shù)男阅?，但同時(shí)面臨著信號(hào)處理方面的額外開銷，包括信令同步認(rèn)證、信號(hào)轉(zhuǎn)交等。本文應(yīng)用隨機(jī)幾何理論，對(duì)上下行解耦接入架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，從理論上定量分析該架構(gòu)與傳統(tǒng)接入架構(gòu)相比帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)性能增益。研究表明，上下行解耦接入架構(gòu)為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了基站的負(fù)載均衡、系統(tǒng)頻效和能效的提升以及公平的用戶服務(wù)特性等性能增益，為該架構(gòu)的工程實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

5、>　　2）上下行解耦接入架構(gòu)適用于多類型的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。本文分析了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的兩種典型用戶分布場(chǎng)景，包括用戶隨機(jī)均勻分布以及熱點(diǎn)地區(qū)用戶成簇分布，分別采用了泊松點(diǎn)過程和泊松簇過程進(jìn)行建模。研究表明上下行解耦接入架構(gòu)可以在兩種用戶接入場(chǎng)景中提供網(wǎng)絡(luò)性能增益。盡管用戶成簇分布模型加大了理論分析的難度，該研究一定程度上為上下行解耦接入架構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景的普適性提供了理論支持。
　　3）理論分析并設(shè)計(jì)了上下行解耦接入架構(gòu)的高能效休眠機(jī)制。盡管上

6、下行解耦接入架構(gòu)可以為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)為一定程度上的能效提升，傳統(tǒng)高能效休眠機(jī)制在這一新型接入架構(gòu)上將進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效。本文采用隨機(jī)幾何理論對(duì)二層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的休眠模式進(jìn)行建模。研究表明，已有上下行非解耦接入架構(gòu)中采用的休眠機(jī)制在新型架構(gòu)中的直接應(yīng)用，將過度關(guān)閉基站，降低用戶服務(wù)質(zhì)量，造成網(wǎng)絡(luò)實(shí)際能效的降低。根據(jù)上下行解耦接入架構(gòu)的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了新型休眠機(jī)制，有效節(jié)能的同時(shí)保障了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
　　4）設(shè)計(jì)基于動(dòng)態(tài)用戶行為的上下行