蜂窝异构网络的性能分析与优化

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蜂窝异构网络是指在宏基站覆盖的范围内,引入其他通信方式,有针对性地加强特定区域的覆盖,形成两层覆盖的一种网络结构。与通过小区分裂提升频谱利用率的方法相比,蜂窝异构网络建网灵活,维护成本低廉,因而受到了广泛的关注。蜂窝异构网络的形式丰富多样,既包括引入基于蜂窝通信制式的小型站点,如中继站点、微微蜂窝站点和家庭基站等;也包括其他通信制式的加强覆盖,如无线局域网、Ad hoc网络和用户直连通信等。论文将蜂窝异构网络中用户与宏基站之间的通信称为蜂窝通信,将宏基站与蜂窝用户统称为蜂窝通信节点;同时将蜂窝异构网络中的加强覆盖方式统称为非蜂窝通信,而将小型站点及其用户、直连通信用户等统称为非蜂窝通信节点。论文对共享无线资源情况下,蜂窝异构网络的性能进行了深入的分析研究,主要包括:一、根据异构网络中蜂窝通信节点和非蜂窝通信节点的空间分布特性,分析了蜂窝通信节点与非蜂窝通信节点之间,以及非蜂窝通信节点之间的干扰的统计特性,对比了蜂窝通信与小型站点通信共存、蜂窝通信与用户直连通信共存两种蜂窝异构网络场景的干扰性能;二、论文以理论分析结果为指导,研究了蜂窝异构网络的资源配置方法;三、论文对蜂窝异构网络动态调度性能的分析方法展开了研究,建立了理论分析模型,并以轮询调度、比例公平调度和最大载干比调度三种调度算法为例,证明了论文所提的分析建模方法的正确性。首先,论文考虑了蜂窝异构网络中最为严重的干扰场景,即蜂窝通信节点与非蜂窝通信节点完全复用时频资源。论文利用空间泊松点过程,建模了蜂窝异构网络中通信节点的空间分布,分析了网络中干扰的数学期望、概率密度函数和累积分布函数,推导了非蜂窝通信节点的信干比的累积分布函数。针对不同类型蜂窝异构网络的特点和需求,论文为支持用户直连通信的蜂窝异构网络和引入小型站点的蜂窝异构网络配置了不同的参数,在保证用户实际接收的最小信号功率相等的前提下,对比了两种类型蜂窝异构网络中的干扰。其次,论文利用分析所得的干扰和信干比的统计特性,对蜂窝异构网络的资源配置方法进行了研究。一方面,提出了一种根据蜂窝通信节点接收有用信号功率和来自非蜂窝通信节点干扰功率的比值关系,配置非蜂窝通信节点发射功率的方法。该方法还将非蜂窝通信节点的中断概率考虑在内,确定非蜂窝通信节点发射功率范围的下限。另一方面,提出了一种基于宏基站与非蜂窝通信节点相对位置关系的频率资源配置方法。当非蜂窝通信节点位于小区内圈(距离宏基站较近)时,其占用与蜂窝通信节点正交的频率资源;而当非蜂窝通信节点位于小区外圈(距离宏基站较远)时,其与蜂窝通信节点复用频率资源。该方法利用理论分析得到的非蜂窝通信节点对宏基站的平均干扰值的闭合表达式,从理论上分析推导了使用正交频率资源的区域半径。最后,论文对蜂窝异构网络动态调度性能的分析方法进行了研究,采用Petri网模型对蜂窝异构网络中的无线信道和动态调度行为进行建模。由于在较短的时间内(几千子帧对应几秒),用户在空间上的移动范围较小,因此,由路径损耗和阴影衰落决定的用户平均信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio, SINR)几乎不发生变化,而快衰落系数在此期间则会改变。于是,论文采用大尺度衰落和快衰落分别建模再叠加的基本思想建立无线信道Petri网模型,即在用户平均SINR的基础上叠加快衰落。首先,遍历用户的空间分布,得到用户平均SINR的累积分布函数;然后,对平均SINR划分等级,得到各平均SINR等级的概率分布;最后,在各平均SINR等级上分别叠加快衰落,表示无线信道的瞬时变化。论文将无线信道建模为一个二维Petri|网模型,一个维度表示平均SINR等级,而另一个维度则表示在平均SINR等级上信道的快衰落。在建立蜂窝异构网络无线信道和动态调度行为的Petri网模型的基础上,论文推导了轮询调度、比例公平调度和最大载干比调度三种调度方案下,用户的平均队列长度和平均吞吐量等性能指标。在一组给定的蜂窝异构网络配置参数下,论文通过系统级仿真验证了提出的分析模型及推导过程的正确性。
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