基于能效的異構蜂窩網絡部署和資源管理優(yōu)化.pdf

1、近幾年，無線智能終端和各種移動服務應用爆炸式的增長直接給蜂窩通信系統帶來了許多挑戰(zhàn)。一方面，海量的移動終端和高速下載、視頻電話、在線游戲等應用對蜂窩網絡提出了大容量、高速率和低延時等越來越高的QoS(Quality ofService)需求。另一方面，為了滿足急速增長的負載需求，蜂窩運營商們增大部署基站及其相應配套設施，這直接導致了系統能耗的快速增長。出于全球氣候變暖和對網絡運營開銷控制的考慮，運營商們在關注用戶QoS的同時也越來越重視

2、系統的能量效率。因此，綜合考慮QoS和能量效率，特別是在滿足用戶QoS前提下優(yōu)化系統能量效率，具有重要的現實意義。
　　為了更好的滿足用戶QoS需求，LTE和WiMax標準組相繼提出，在已有宏基站的基礎之上引入家庭基站、Pico基站和中繼等低功耗節(jié)點（本文統稱其為微基站），以擴大系統容量、卸載熱點宏基站負載、增強室內覆蓋、提高小區(qū)邊緣用戶的服務質量。這種由宏基站和低功率節(jié)點組成的網絡架構稱為異構蜂窩網絡。除了給用戶提供更好的QoS

3、性能，相比于僅由宏基站構成的同構蜂窩網絡，異構蜂窩網絡在提升系統能量效率性能上充滿了許多優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，其中包括高頻譜復用、微基站低功耗、短距離通信等優(yōu)勢和網絡拓撲更加隨機、干擾更加嚴重、資源調度更加復雜等挑戰(zhàn)?？紤]以上優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，本文研究基于能效的異構蜂窩網絡部署和資源管理技術，聯合考慮基站部署密度、發(fā)射功率、休眠操作以及頻譜分配機制，探討如何在滿足用戶QoS前提下優(yōu)化異構蜂窩網絡系統的能量效率。本文主要工作和貢獻如下:
　　1)研

4、究異構蜂窩網絡的部署問題，聯合優(yōu)化基站密度與發(fā)射功率，在保證覆蓋/信干噪比或速率統計性能前提下最小化系統區(qū)域功耗。
　　利用泊松點過程網絡模型分析推導系統平均覆蓋概率（信干噪比累積分布函數）與基站密度、基站發(fā)射功率的關系式?；谕茖ЫY果，建立一個覆蓋/信干噪比或速率統計性能約束下的區(qū)域功耗最小化問題，并通過消除變量法聯合求解得到最優(yōu)的宏基站發(fā)射功率、宏基站密度、微基站發(fā)射功率和微基站密度。由仿真結果發(fā)現:相比于同構蜂窩網絡，異構蜂

5、窩網絡在能效性能上具有絕對的優(yōu)勢;考慮發(fā)射功率配置可進一步降低系統功耗。
　　2)系統部署后，研究異構蜂窩網絡下的宏基站休眠策略，在保證下行覆蓋性能不變和上行平均功耗在用戶容忍范圍內的前提下最小化系統區(qū)域功耗。
　　利用泊松點過程網絡模型分析推導下行平均覆蓋概率和上行用戶功耗與宏基站休眠比例的關系式。在此基礎上，提出調節(jié)剩余宏基站發(fā)射功率和引入微基站的方法以保證關閉部分宏基站前后系統覆蓋性能不變。此外，得到了保證上行平均功耗

6、在用戶容忍范圍內的宏基站休眠比例上限。然后建立了以下優(yōu)化問題:在保證下行覆蓋性能不變和上行平均功耗在用戶容忍范圍內的前提下，聯合優(yōu)化休眠宏基站比例、宏基站的發(fā)射功率和引入微基站的密度以使得系統區(qū)域功耗最小。通過消除變量法求解得到問題的最優(yōu)解。
　　3)研究異構蜂窩網絡下的微基站休眠策略，提出基于門限的微基站休眠策略，分析系統功耗與頻譜效率/吞吐量的折中關系，得到能效最優(yōu)的節(jié)能門限值。
　　設計一種基于門限的微基站休眠策略，即

7、當微基站負載低于節(jié)能門限且能被宏基站接管時關閉該微基站，當休眠微基站負載高于節(jié)能門限或宏基站過載時激活微基站。將基站模式切換過程建模為準生滅過程，結合泊松點過程網絡模型和Markov鏈理論，推導得到宏基站的平均負載、宏基站的平均功耗、平均休眠微基站數目、微基站的平均負載、微基站的平均功耗等性能表達式。利用泊松點過程網絡模型分析得到微基站用戶和宏基站用戶的平均速率。將系統平均功耗與系統平均吞吐量的比率作為能效評判準則，分析能效與節(jié)能門限的

8、關系表達式，并得到節(jié)能門限取值方案。
　　4)給定基站工作模式后，研究異構蜂窩網絡下的資源調度問題，設計能效優(yōu)先的自適應傳輸策略，在保證系統穩(wěn)定/平均時延前提下最小化系統平均功耗。
　　將認知無線電技術應用到蜂窩通信中，提出一種由宏基站和中繼組成的多跳認知異構蜂窩網絡架構，該架構可以在用戶不具有感知功能的基礎上擴大系統可用資源。在該架構下，考慮到各節(jié)點可用頻譜空間、時間上的波動性和業(yè)務的時延容忍特性，提出調度時延容忍數據在可