基于用户移动特性的5G网络空间-时间双维度性能研究

摘要

2018年第四代移动通信技术（4G,4th generation）已经完成大规模部署和商用，其承载的无线数据流量也在逐步上升。但随着无线应用的大幅升级，4G系统的数据传输能力已经捉襟见肘。基于上述情况，国际电信联盟（ITU）下属的第三代合作伙伴计划（3GPP,3rdgenerationpartnership project）组织将第五代移动通信技术（5G,5th generation）的研发和标准化工作提上了日程，并拟于2020年实现5G系统的商用。在3GPP的规划中，5G系统的数据承载能力将比4G系统强1000倍，并兼顾多种不同类型的应用需求。为此5G系统将针对不同的应用需求分为三大技术领域，即针对高速数据传输需求的增强型移动宽带场景（EMBB,enhancemobile broadband），针对大规模设备接入需求的海量机器类通信场景（MMTC,massive machine type of communication），以及针对低时延高可靠数据传输需求的超高可靠低时延类通信场景（URLLC,ultrareliable&low latency communication）。另一方面，作为5G通信领域的热点技术，高密度异构网络（UDHN,ultra dense heterogeneous networks）在世界范围内引起了广泛关注。通过大规模的部署低功率的微蜂窝基站（SBS,small cell base stations），一方面使网络用户和基站设备的距离更近，降低了无线信号所经历的大尺度衰落，提升用户体验和网络性能；另一方面，通过高密度部署SBS，大幅提升了网络中单位空间的数据传输能力，在高用户密度的区域可以大幅提高用户体验。但由于SBS数据处理能力和信号发射功率相比宏基站（MBS,macrocell base stations）非常低，使得SBS的覆盖范围比MBS小很多。因此，不同于传统的以MBS为主的蜂窝网，UDHN中用户的移动会对网络的整体性能造成影响，并且从传统移动用户到车联网，这种影响会随着用户动态的增强而随之增大。而如何针对用户的动态特性进行建模，以及如何在此基础上进一步对网络性能进行分析并评估用户动态特性对网络性能的影响，还尚未有系统的研究。基于此，本文将对动态用户场景下的5G UDHN的性能展开研究，并进一步探究用户动态化的建模方法以及对网络性能的影响。本文的主要创新点如下： 第一，考虑到5G UDHN场景下，SBS的密度非常大，而目前并没有针对如此大密度的SBS进行有效利用。为了能够深入研究该问题，本文提出了基于随机几何和群服务策略的5G UDHN模型，并通过概率论和随机几何相结合的方式，推导出了信号源数量关于干扰源数量的隐函数表达式，并且为了进一步对干扰源数量和SBS协作簇中信号源数量进行解耦合推导。对应数值结果显示，SBS群服务策略通过大幅提高SBS利用率的方式，使得布设较低密度的SBS也可以实现网络性能提升。 第二，5G UDHN场景下由于SBS密度非常大，导致用户移动会对网络性能造成较大影响。为了深入研究这个问题，本文在基于随机几何的5G UDHN模型基础上，引入了个体移动模型（IMM,individualmobility model），以解决传统移动模型无法体现用户移动聚集特性和倾向性的问题。在此基础上，推导了针对静止用户和移动用户的覆盖概率、以及用户可以使用的SBS数量期望值。对应数值仿真结果显示，热点区域外SBS密度对网络覆盖性能的影响更大。 第三，5G UDHN的性能和用户在网络中的分布高度相关，用户在网络中的实际分布是非均匀的。为了深入研究用户空间上的非均匀分布对网络性能的影响，本文利用排队网络理论（Queueing network theory）对发射吸收模型进行了时域拓展，并基于提出的模型，我们推导了针对特定热点区域的用户密度分布以及用户覆盖概率、呼叫阻塞率、网络吞吐量等重要性能指标。对应数值仿真结果显示，用户呼叫的阻塞率并不会随着接收端信干噪比（SINR,signal to interference plus noise ratio）阈值的上升而单调上升，而是用户的呼叫阻塞率会随着接收端SINR阈值的升高出现先升高后降低的趋势。 第四，作为5G UDHN在URLLC通信场景下的主要应用，5G车联网对于信息传输的时延和可靠性有着极高的要求，而在5G车联网中传输时延和传输可靠性是一对相互耦合的性能指标，单独对其中之一进行优化可能导致另外一个性能出现下降。为了深入研究这个问题，本文对5G车联网进行了空间-时间双维度建模分析，并对5G车联网中数据传输时延和可靠性的耦合表达式进行了推导。对应数值仿真结果显示，5G车联网中数据传输时延和可靠性并不是简单线性耦合关系，而是与网络多维参数相互关联的非线性耦合关系。 综上所述，本论文对于实际部署环境中，考虑用户空间位置动态变化的UDHN的性能，非均匀用户密度下的UDHN性能，以及5G车联网中数据传输时延和可靠性建模分析，做出了创新性的研究。研究成果对于UDHN和5G车联网的实际部署具有一定指导意义，对进一步的网络传输协议设计和优化工作有所帮助，同时对5G车联网的实际设计和优化也提供了一定参考。

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