基于上下行解耦接入架構的高能效異構蜂窩網(wǎng)絡研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長。為了在有限的頻譜資源下實現(xiàn)網(wǎng)絡容量的擴充，異構蜂窩網(wǎng)絡應運而生。異構蜂窩網(wǎng)絡在傳統(tǒng)單層宏蜂窩的基礎上，通過在熱點及盲點區(qū)域疊加其他類型的低功率、低成本設備，實現(xiàn)多類型網(wǎng)絡基礎設施的綜合服務。盡管低功率小基站的引入降低了單個基站的平均能耗，隨著基站數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡的整體能耗開銷日益增大。尤其在網(wǎng)絡密集化不斷加劇的第五代移動通信系統(tǒng)（5G）中，高能效的異構蜂

2、窩網(wǎng)絡研究已經(jīng)成為工業(yè)界和學術界關注的熱點。本文主要從異構蜂窩網(wǎng)絡的接入架構出發(fā)，理論分析并設計一種新型的高能效異構蜂窩網(wǎng)絡接入架構，上下行解耦接入架構。
　　傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡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，也就是接收信號最強的基站，這種上下行耦合的接入方式在異構蜂窩網(wǎng)絡中并不適用。一方面，異構蜂窩網(wǎng)絡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提供最強的下行接收信號；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節(jié)約能耗。基于上行和下行不同關聯(lián)基站的需求，上下行解耦接入架構受到越來越多的關注。本文在已有研究基礎上，對該架構的應用場景、面臨的挑戰(zhàn)、存在的研究難點及解決方案等進行了細致分析，應用隨機幾何理論和排隊論理論研究該架構所面臨的關鍵問題，包括上下行解耦接入架構帶來的網(wǎng)絡性能增益，該架構的普適性分析，該架構下高能效異構蜂窩網(wǎng)絡設計及部署等。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為

4、異構蜂窩網(wǎng)絡帶來的性能增益。上下行解耦接入架構與傳統(tǒng)接入架構相比，直觀上可以提高上行傳輸?shù)男阅?，但同時面臨著信號處理方面的額外開銷，包括信令同步認證、信號轉交等。本文應用隨機幾何理論，對上下行解耦接入架構進行網(wǎng)絡建模，從理論上定量分析該架構與傳統(tǒng)接入架構相比帶來的網(wǎng)絡性能增益。研究表明，上下行解耦接入架構為異構蜂窩網(wǎng)絡帶來了基站的負載均衡、系統(tǒng)頻效和能效的提升以及公平的用戶服務特性等性能增益，為該架構的工程實際應用奠定了理論基礎。

5、>　　2）上下行解耦接入架構適用于多類型的網(wǎng)絡場景。本文分析了異構蜂窩網(wǎng)絡中的兩種典型用戶分布場景，包括用戶隨機均勻分布以及熱點地區(qū)用戶成簇分布，分別采用了泊松點過程和泊松簇過程進行建模。研究表明上下行解耦接入架構可以在兩種用戶接入場景中提供網(wǎng)絡性能增益。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應用場景的普適性提供了理論支持。
　　3）理論分析并設計了上下行解耦接入架構的高能效休眠機制。盡管上

6、下行解耦接入架構可以為異構蜂窩網(wǎng)絡帶來為一定程度上的能效提升，傳統(tǒng)高能效休眠機制在這一新型接入架構上將進一步提高系統(tǒng)能效。本文采用隨機幾何理論對二層異構蜂窩網(wǎng)絡的休眠模式進行建模。研究表明，已有上下行非解耦接入架構中采用的休眠機制在新型架構中的直接應用，將過度關閉基站，降低用戶服務質量，造成網(wǎng)絡實際能效的降低。根據(jù)上下行解耦接入架構的特性，我們設計了新型休眠機制，有效節(jié)能的同時保障了網(wǎng)絡服務。
　　4）設計基于動態(tài)用戶行為的上下行