基于小区关联策略的异构蜂窝网络干扰管理研究

摘要

本研究的背景源于人们对通信依赖程度不断增加的现实需求所导致的蜂窝网络中有限的通信资源与无限的用户需求之间的矛盾。然而，现有通信系统的无线通信体系框架主要是基于传统蜂窝网络，由于在此基础上围绕干扰管理问题进行的小区关联和资源分配等技术方面的演进和发展逐渐受到了各种“边界效应”的制约，系统性能难以得到进一步提升，这已经成为了制约无线通信发展的瓶颈。此外，现实中复杂的政治、经济因素对通信系统带来了新威胁与新要求，使得未来蜂窝网络的发展趋势，必然朝着“密集化”、“异构化”和“多系统共存”的方向发展。这些都表明了从研究视角来看，有必要采用新理念、新思路和新方法来对通信系统及其相关技术进行开拓和发展。鉴于上述挑战，各种低功率节点被提出，与传统蜂窝一起组成异构蜂窝网络。异构蜂窝网络更加注重通过不同技术、系统与设备之间的协作与融合，来对现有资源进行整合与利用，最终实现系统性能的提升。它与传统蜂窝相比在部署位置、分布密度、覆盖能力、组网要求等方面差异较大，并且低功率节点的部署具有一定的不确定性和随机性，这些特性给蜂窝网络带来机遇的同时也带来了新的挑战：传统蜂窝网络模型不再适用于异构蜂窝网络，需要重新对其进行组网分析；宏基站和低功率节点相比发射功率很大，这将导致严重的小区负载不平衡问题，相关研究有待进行；此外，异构蜂窝网络环境下如何进一步提升上行链路传输性能也是未来不可回避、已得到共识的研究重点。
　　本研究针对上述问题，用第五代移动通信系统（5G）蜂窝网络发展带来的新特性，从系统场景、方案设计和算法提出的角度出发，围绕干扰管理问题进行探索，解决有限的通信资源与无限的用户需求之间的矛盾，最终实现通信系统性能的提升。为了实现这一目标，给出异构蜂窝网络组网模型并分析了传统蜂窝网络中的干扰和低功率节点加入后网络中的干扰；通过比较归纳，指出异构蜂窝网络中往往更倾向于采用带有几乎空白子帧、带有减少发射功率几乎空白子帧和上下行分离这三种小区关联策略，并从中得出：不同小区关联策略各有其特点和适用场景，没有哪一种策略可以完全被另一种策略替代。分别在异构蜂窝网络中采用上述三种常用的小区关联策略场景下，以数学工具和模型作为研究手段，研究亟待解决的干扰管理问题。首先，D2D技术引入异构蜂窝网络带来的额外干扰会导致通信系统环境变得更加复杂。在基于几乎空白子帧小区关联策略的异构蜂窝网络中引入D2D技术的场景下，搭建系统模型并进行干扰分析。为了抑制系统中受到的额外干扰，提出一种基于最小最大遗憾值的干扰管理方法。所提方法无需实际信号与干扰噪声比（SINR）先验知识，提高了对SINR估计不准确的鲁棒性；给出了利用不确定输入参数构建决策场景并采用以损失期望值最小的最小机会损失准则作为决策优劣判别标准相结合的干扰管理方法，从而实现了用最少的无线资源来满足系统中不同用户不同需求的优化目标。仿真结果表明，所提方法可以较好地利用异构蜂窝网络中的无线资源，有效地进行用户选择接入和资源分配，符合理论分析并具有一定的实际意义和应用场景。其次，基于减少发射功率几乎空白子帧的小区关联策略为了充分利用时域资源并兼顾干扰管理，在几乎空白子帧处将宏基站发射功率设置为低功率而非零。为了获得更好的系统性能，本文针对采用减少发射功率几乎空白子帧小区关联策略的异构蜂窝网络场景，提出了一种小区间联合资源管理优化方法，通过减少发射功率几乎空白子帧的引入，提升了宏基站对时域资源的利用率，从而实现最大化系统总吞吐量的目标；而减少发射功率的基站功率控制模式又降低了宏基站对小区边缘用户的干扰，使所提方法兼顾小区边缘用户性能。仿真结果证实了所提方法可以减少功率资源消耗并提升小区平均频谱效率，符合前面的理论分析。研究发现，异构蜂窝网络中上行链路性能难以得到满足的主要问题不是低功率节点不够多，而是宏基站和低功率节点间的功率差异较大，小区负载不平衡导致用户上行传输时路径损耗大、发射功率不够高所致。针对上述问题，本文在上下行分离小区关联策略的异构蜂窝网络场景研究中，提出了一种基于图论的小区间联合资源管理优化方法，通过将部分小区边缘用户划分为双连接用户，降低其上行传输时的路径损耗；构建了系统中用户带权值的无向干扰图，然后基于干扰图进行用户分组，利用匈牙利算法进行资源优化分配，降低用户之间的干扰，从而提升上行链路总体性能。仿真结果表明所提方法在提升上行链路总体性能的同时，兼顾了小区边缘用户性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 异构蜂窝网络研究发展现状

1.3 3GPP规范演进及5G的主要技术特征

1.4 异构蜂窝网络中干扰管理和小区关联策略研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 异构蜂窝网络组网模型和基于小区关联策略的干扰分析

2.1 引言

2.2 异构蜂窝网络的组网模型

2.3 异构蜂窝网络中的干扰

2.4 基于不同小区关联策略的干扰分析

2.5 本章小结

第3章 带有几乎空白子帧小区关联策略的干扰管理

3.1 引言

3.2 存在几乎空白子帧时系统模型与干扰分析

3.3 受到额外干扰的异构蜂窝网络干扰管理优化模型

3.4 仿真验证与结果分析

3.5 本章小结

第4章 带有减少发射功率几乎空白子帧小区关联策略的干扰管理

4.1 引言

4.2 减少发射功率几乎空白子帧存在时的干扰分析

4.3 引入减少发射功率几乎空白子帧的系统模型与问题描述

4.4 带有减少发射功率几乎空白子帧的小区间联合资源管理优化方法

4.5 仿真验证与结果分析

4.6 本章小结

第5章 基于上下行分离小区关联策略的干扰管理

5.1 引言

5.2 上下行分离小区关联策略的特点

5.3 引入上下行分离小区关联策略后的系统模型与干扰分析

5.4 构建资源管理优化模型

5.5 基于图论的小区间联合资源管理优化方法

5.6 仿真验证与结果分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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