异构蜂窝网络能量效率研究

发布时间：2020-05-19 13:41

【摘要】：随着无线通信技术的迅速发展和移动终端设备的大量普及,全球范围内的数据流量出现了爆发式的增长。异构蜂窝网络(Heterogeneous cellular networks,HCN)作为能提升系统容量,改善边缘覆盖的技术得到了业界和学术界的广泛关注。异构蜂窝网络在宏小区的覆盖范围内部署不同的低功率基站节点,通过节点的密集部署来提高网络的容量和覆盖。但是基站结点的密集部署造成了能量消耗的不断攀升,给经济和环境造成了巨大的影响。为了节能环保,实现绿色通信,本文对异构蜂窝网络的能量效率(Energy Efficiency,EE)进行了研究。首先,本文研究了微基站密度对系统能量效率的影响。利用随机几何中的齐次泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)对异构蜂窝网络进行建模,然后在瑞利信道环境下推导了系统的覆盖率和可达速率的表达式,并且推导了能量效率的闭合形式表达式,再通过凸优化算法对微基站密度进行优化,使网络能量效率达到最大。仿真结果验证了理论分析的正确性。在此研究基础上,本文研究了异构蜂窝网络中基于能效的资源分配问题。为了降低问题分析的复杂度,将资源分配问题分为三个子问题:基站分配、子载波分配和功率分配。针对基站分配子问题,采用基于所有子信道平均信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)的准则确定用户和基站的关联。基站分配确定后,在传统比例公平算法的基础上,提出了基于子载波调整的比例公平算法来得到子载波分配。子载波分配确定后,针对功率分配子问题,首先利用Dinkelbach求解分数规划的思想,将分式形式的目标函数转换为减数形式的目标函数,然后利用拉格朗日对偶和次梯度法得到最优的功率分配。仿真结果验证了算法的有效性。
【图文】：

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图 1.1 5G 的关键能力1.1.1 异构蜂窝网络随着智能手机、平板电脑、智能手环、智能眼镜等无线终端设备的出现，以及微信、QQ、游戏、网购等应用软件的风靡使得人们可以随时随地地进行聊天、娱乐和购物。这些导致了全球移动数据流量出现了急剧的增长。根据思科公司最新公布的预测数据显示[4]，预计到 2021年，全球移动数据流量将达到 2016 年的 7 倍，并且平均每人将会拥有 1.5 个移动设备。面对快速增长的数据流量和终端数量，通信运营商通常通过以下几种方式来提升系统的容量：1）增加系统的频谱资源；2）采用先进的物理层技术来提升系统容量；3）通过小区分裂增加基站的数量来提升系统的容量。对于第一种方式，虽然增加系统的频率资源可以提升容量，但是在无线通信中频率资源是非常宝贵的，这会给运营商带来高昂的成本。对于第二种方式，随着无线通信技术的不断发展，现在的 4G 系统采用的多输入多输出（Multiple Input Multiple

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（a）同构蜂窝网络（b）异构蜂窝网络图 2.3 基于 PPP 的蜂窝网络模型2.1.4 异构蜂窝网络中的节能技术由于微基站的大规模部署，，异构蜂窝网络的基站变得愈加密集，导致了能量的巨大消耗。近年来，人们针对异构蜂窝网络的节能技术做了一些研究[37]，概括如下：基站睡眠：由于在网络部署的阶段，基站一般都是根据峰值负载而部署的。但是在实际系统中，负载会随着时间和空间的变化而产生波动。首先在时间尺度上，通常白天用户的活跃数量要比晚上用户的活跃数量更大，所以就造成晚上基站的负载比白天小的多。然后在空间尺度上，由于地理位置的差异或者用户移动性的影响，导致不用区域网络负载的不均衡，可能会出现有的基站过载，而有的基站只服务了很少的用户。因此，在轻负载时间段或区域动态的关闭一些基站可以有效的降低网络的能耗。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

【参考文献】