超密集網(wǎng)絡的性能分析與能效優(yōu)化方法研究.pdf

1、為了應對未來無線數(shù)據(jù)流量持續(xù)爆炸性增長、智能設備海量接入、各類新興業(yè)務和應用場景不斷涌現(xiàn)等挑戰(zhàn)，第五代移動通信系統(tǒng)（5G）應運而生。其中，在分層異構網(wǎng)絡的基礎上部署超高密度接入點的超密集網(wǎng)絡（Ultra dense networks, UDN）被視為5G系統(tǒng)中最具前景的關鍵技術之一。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，其部署密度遠超于當前移動通信網(wǎng)絡。其密集化的站點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，加之可用頻譜的復用，可以實現(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部署時的性能分析和 UDN部署后的性能優(yōu)化兩個方面。前者主要通過構建UDN節(jié)點的空間點模型，推導和分析不同網(wǎng)絡配置參數(shù)對系統(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)絡配置確定的條件下，利用凸優(yōu)化、博弈論等工具對網(wǎng)絡性能進行優(yōu)化。針對這兩方面問題，本

3、文采用隨機幾何對UDN進行了建模與性能分析，同時從綠色通信的角度出發(fā)，設計了基于資源分配和基站休眠的低復雜度的能效優(yōu)化策略，為UDN性能的提升提供了有效解決方案。
　　針對UDN部署時的性能分析，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齊次泊松點過程和一個Matern簇過程。利用隨機幾何的相關理論，推導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速率。并在此基礎上進一步推導了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)級仿真，得到了系統(tǒng)參數(shù)與網(wǎng)絡性能之間的關系。
　　針對UDN部署后的性能優(yōu)化，本文以能量效率為優(yōu)化目標，首先提出了一個基于分簇的高能效資源分配策略。該策略包含兩個階段，即分簇階段和資源分配階段。在分簇階段，設計了可以根據(jù)基站密度自動調(diào)整基站簇數(shù)量的改進型K-means聚類算法。然后在每個基站簇中，以最小化每個基站簇內(nèi)干擾為原則設計了用戶分組算法。在資源分配階段，設計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現(xiàn)步驟。系統(tǒng)仿真結果表明，所提策略在降低網(wǎng)絡干擾的同時，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)勢隨著基站密度的進一步增加而越發(fā)明顯。同時，本文還提出了兩階段的UDN基站休眠策略。通過將熱點地區(qū)的小基站與用戶分別建模為兩個相互獨立的齊次泊松點過程，利用隨機幾何的相關理論，分析推導了用戶的平均可達速率，并給出了傳統(tǒng)休眠模式和隨機休眠模式下的系統(tǒng)能耗。相比于窮盡式搜索方式，本文所提出的策略