隨著移動智能終端數(shù)量的持續(xù)增長以及多樣化移動新業(yè)務(wù)應(yīng)用的推廣,高速率無線數(shù)據(jù)傳輸需求爆炸式增加。未來第五代無線網(wǎng)絡(luò)(the fifth Generation,5G)須大幅提升頻譜利用率從而滿足市場傳輸需求。致密化組網(wǎng)通過增加基站部署密度方式,提升頻譜資源利用率是未來5G通信的關(guān)鍵方案。基于資本和運(yùn)營支出考慮,業(yè)界普遍認(rèn)同在傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上部署低功率基站形成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Networks,Het Nets)是提升頻譜資源空間利用率的高效方式。由于頻譜資源稀缺,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)采用同信道部署方式。然而,嚴(yán)重干擾和負(fù)載不均衡明顯限制了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能,需采用有效的資源管理技術(shù)予以解決。雖然業(yè)界針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已提出改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋及頻譜效率的資源管理方案,但網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)對性能的影響以及資源最優(yōu)配置仍沒有明確量化。其次,由于密集網(wǎng)絡(luò)能耗巨大,研究能效資源管理方案降低排放具有現(xiàn)實(shí)意義。此外,由于低功率基站無規(guī)劃部署,傳統(tǒng)網(wǎng)格模型不再適用,建立通用、易處理且能捕捉基站隨機(jī)部署特性的網(wǎng)絡(luò)模型亟待解決。針對以上問題,本文分別針對稀疏和超密集部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景,應(yīng)用隨機(jī)幾何理論建立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)理論模型,以提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio,SINR)覆蓋、數(shù)據(jù)速率及能量效率為目標(biāo),展開異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)及性能研究,主要研究工作和創(chuàng)新包括:第一,回程受限異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)范圍擴(kuò)張及子信道分配性能分析。基于正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景,采用小區(qū)范圍擴(kuò)張(Cell Range Expansion,CRE)技術(shù)促進(jìn)負(fù)載平衡,同時基于多信道分配方式消除跨層干擾。為了捕捉基站隨機(jī)部署特性并獲得易處理解析結(jié)果,建立了回程受限異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通用理論模型。在考慮蜂窩負(fù)載分布及通用的信道模型基礎(chǔ)上,合理建模OFDMA網(wǎng)絡(luò)干擾,并利用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)SINR覆蓋、速率覆蓋及能量效率解析式。利用蒙特卡洛仿真驗(yàn)證解析結(jié)果的正確性�；诮馕鼋Y(jié)果,進(jìn)一步分析連接偏置及資源分配系數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,并獲得速率覆蓋性能最優(yōu)的用戶連接偏置和資源分配系數(shù)以及能量效率最優(yōu)的基站部署密度。第二,Fe ICIC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配聯(lián)合優(yōu)化。針對OFDMA異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),基于聯(lián)合Fe ICIC(Further enhanced inter-cell interference coordination)和CRE方案,建立聯(lián)合用戶連接、功率控制及資源分配方案理論模型。利用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)兩層回程受限異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)SINR覆蓋及速率覆蓋解析表達(dá)式。利用蒙特卡洛仿真驗(yàn)證解析結(jié)果的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,研究速率覆蓋性能最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。此外,基于網(wǎng)絡(luò)傳輸需求,引入自適應(yīng)基站休眠技術(shù),推導(dǎo)能量效率和頻譜效率解析表達(dá)式。為了創(chuàng)建頻譜和能量有效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),針對頻譜和能量效率多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化問題,提出Dinkelbach迭代和梯度下降低復(fù)雜度聯(lián)合優(yōu)化算法,獲得頻譜和能量效率折衷的資源分配聯(lián)合優(yōu)化方案。第三,位置感知跨層協(xié)作異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能研究�；谙∈璧凸β驶静渴鸬漠悩�(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景,針對蜂窩邊緣區(qū)域嚴(yán)重跨層干擾問題,提出位置感知跨層協(xié)作(Cross-Tier-Cooperation,CTC)方案。引入?yún)f(xié)作因子靈活調(diào)節(jié)協(xié)作范圍,建立位置感知跨層協(xié)作通用模型,利用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)SINR覆蓋及遍歷容量解析式,并驗(yàn)證解析結(jié)果的準(zhǔn)確性以及跨層協(xié)作方案的有效性。進(jìn)一步研究了協(xié)作因子對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,并提出了協(xié)作因子選擇策略,為協(xié)作傳輸系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。第四,跨層群簇協(xié)作異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶連接策略研究�；诘凸β驶境芗渴甬悩�(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Ultra-Dense-Het Nets,UDHs)場景,針對跨層及同層嚴(yán)重同信道干擾問題,提出以用戶為中心的跨層群簇協(xié)作傳輸方案。利用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)SINR覆蓋和遍歷容量解析式,并量化基站回程容量需求,推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)成功服務(wù)概率及有效遍歷容量解析式。進(jìn)一步研究基站部署密度、回程容量及協(xié)作群簇大小對有效遍歷容量的影響,并提出最優(yōu)群簇協(xié)作策略。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
縮略語
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究目的和意義
        1.1.1 移動通信發(fā)展歷程
        1.1.2 5G愿景與市場需求
        1.1.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的提出
        1.1.4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)
    1.2 國內(nèi)外最新研究進(jìn)展
        1.2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析模型研究
        1.2.2 資源管理技術(shù)研究
    1.3 當(dāng)前研究存在的問題
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
    1.5 本文組織結(jié)構(gòu)
第2章 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理及服務(wù)基站距離分布
    2.1 引言
    2.2 OFDMA異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理方案
        2.2.1 聯(lián)合小區(qū)范圍擴(kuò)張和子信道分配方案
        2.2.2 聯(lián)合FeICIC和CRE方案
        2.2.3 跨層協(xié)作方案
    2.3 基于空間點(diǎn)過程基站位置分布
        2.3.1 空間點(diǎn)過程概念
        2.3.2 泊松點(diǎn)過程模型
    2.4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶與服務(wù)基站間距離分布
        2.4.1 基于小區(qū)范圍擴(kuò)張與子信道分配聯(lián)合方案服務(wù)距離分布
        2.4.2 基于FeICIC和CRE聯(lián)合方案服務(wù)距離分布
        2.4.3 基于跨層協(xié)作方案服務(wù)距離分布
    2.5 數(shù)值結(jié)果與討論
        2.5.1 仿真驗(yàn)證
        2.5.2 服務(wù)距離分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 回程受限異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)范圍擴(kuò)張及子信道分配性能分析
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)模型
        3.2.1 用戶連接
        3.2.2 子信道分配
        3.2.3 回程約束
        3.2.4 功耗模型
    3.3 性能分析
        3.3.1 SINR性能
        3.3.2 速率覆蓋
        3.3.3 能量效率
    3.4 數(shù)值結(jié)果與討論
        3.4.1 仿真驗(yàn)證
        3.4.2 性能評估
    3.5 本章小結(jié)
第4章 FeICIC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配聯(lián)合優(yōu)化
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)模型
        4.2.1 用戶連接
        4.2.2 FeICIC干擾管理
        4.2.3 子信道分配及自適應(yīng)基站休眠
        4.2.4 功耗模型
    4.3 性能分析
        4.3.1 SINR性能
        4.3.2 速率覆蓋
    4.4 資源分配聯(lián)合優(yōu)化
        4.4.1 優(yōu)化目標(biāo)
        4.4.2 SE及EE優(yōu)化問題
        4.4.3 Dinkelbach迭代算法
        4.4.4 梯度下降算法
    4.5 數(shù)值結(jié)果與討論
        4.5.1 仿真驗(yàn)證
        4.5.2 性能評估
    4.6 本章小結(jié)
第5章 跨層協(xié)作異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能分析及用戶連接策略研究
    5.1 引言
    5.2 系統(tǒng)模型
        5.2.1 位置感知跨層協(xié)作
        5.2.2 以用戶為中心跨層群簇協(xié)作
    5.3 性能分析
        5.3.1 SINR性能
        5.3.2 遍歷容量
        5.3.3 Backhaul容量需求
        5.3.4 成功服務(wù)概率
        5.3.5 有效遍歷容量
    5.4 數(shù)值結(jié)果和討論
        5.4.1 仿真驗(yàn)證
        5.4.2 性能評估
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個人簡歷

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本文編號：2850756