超密异构网络能效问题研究

摘要

随着移动互联网的迅猛发展以及移动智能终端的大量普及，移动通信网络的用户数和数据业务流量将呈现大规模增长。为了解决移动通信用户对无线网络容量需求的井喷式增长与有限的频谱资源之间的矛盾，层叠覆盖的异构网络应运而生，异构网络经济有效地解决目前移动通信网络在覆盖与容量存在的问题。同时，异构网络中部署密集的各类基站也给能源和环境带来了相应的挑战，由于全球对能源和环境的高度关注，绿色通信得到广泛关注，考虑到整个移动通信网络的能源消耗主要来自于基站部分，本论文针对异构网络场景的基站休眠技术展开研究。
　　首先，本文研究异构蜂窝网络的技术特点，研究异构网络中低功耗基站的部署策略以及在不同的部署策略中如何减小宏基站与低功耗基站之间的层间干扰，主要研究基于多载波、载波聚合以及同信道的三种部署策略，重点研究同信道部署策略下的小区选择以及区间干扰协调技术，为了减轻宏基站与低功耗基站由于信号发射功率的巨大差异导致的上下行覆盖不平衡以及信号干扰等问题造成的不良影响，移动用户在选择服务小区判断时，需采用小区扩展技术，并同时采用区间干扰协调技术对用户干扰进行控制。以异构蜂窝网络为背景，研究了现有的典型基站休眠算法并分析其利弊，从集中式基站休眠算法和基于分簇的混合式基站休眠算法两个方面来研究基站休眠技术，为后续的研究打下基础。
　　接着，本文提出了一种应用于异构蜂窝网络的两阶段集中式基站动态休眠算法。在对异构网络建模的基础上，利用网络业务在时间和空间上分布的差异性，设计微基站效用函数代表微基站的业务负载状况以及所受干扰情况，第一阶段算法综合考虑宏微基站的负载状况，兼顾考虑算法复杂度以及算法节能性能，采用循环迭代的方式尽量关闭效用函数较低的微基站，并将业务集中在一部分效用函数较高的微基站上;第二阶段算法弥补第一阶段算法的不足，考虑关闭负载较低的宏基站覆盖下仍然开启的微基站。为了分析本算法的性能，将所提算法与同样属于集中式算法的渐进式基站休眠算法进行比较，结果表明，相对于渐进式基站休眠算法，本文提出的两阶段基站休眠算法在节能方面具有显著的性能增益。
　　最后，本文提出了一种应用于超密异构蜂窝网络的基于分簇的混合式基站休眠算法。在低功耗基站部署密集的异构网络中，基于基站休眠算法复杂度的考虑，设计一种基于分簇的基站动态休眠算法，该算法目标不仅是关闭更多的低功耗基站，更重要的是提升网络能效。首先将低功耗基站围绕选择的簇头基站根据距离将其分簇，然后在算法起始时刻，每个簇同时独立采用集中式算法对簇内基站进行休眠测试。簇被分为两类，簇内成员多于一个的簇尽量关闭能效较低的成员基站，以基站接入用户能否全部转移和簇的总能效是否提升作为该基站能否成功关闭的标准;只拥有单个基站的簇需对该基站进行一段时间的监控，如无用户呼叫出现方可关闭。仿真结果表明，所提算法不仅降低了算法的复杂度，并且在保证网络通信服务质量的基础上，极大地提高了网络能效。

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本论文专用术语的注释表

第一章 绪论

1．1 移动通信发展历程

1．2 绿色通信

1．3 论文内容安排

1．4 数学符号约定

第二章 异构蜂窝网络概述

2．1 引言

2．2 异构网络传输节点

2．3 异构网络部署策略

2．3．1 基于多载波的部署策略

2．3．2 基于载波聚合的部署策略

2．3．3 基于同信道的部署策略

2．4 小区选择以及ICIC技术

2．4．1 小区选择

2．4．2 ICIC技术

2．5 基站休眠算法

2．5．1 集中式基站休眠算法

2．5．2 基于分簇的基站休眠算法

2．6 本章小结

第三章 集中式基站休眠算法

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 信道模型

3．2．2 用户速率计算

3．2．3 网络业务流量模型

3．3 集中式微基站休眠算法

3．3．1 第一阶段算法

3．3．2 第二阶段算法

3．3．3 用户移交及用户资源分配方案

3．4 仿真结果与分析

3．4．1 仿真平台搭建

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

第四章 基于分簇的混合式基站休眠算法

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 基于分簇的混合式基站休眠算法

4．3．1 家庭式基站成簇算法

4．3．2 基站休眠算法

4．3．3 用户移交及用户资源分配方案

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

作者简介