基于多点协作联合传输的舱内超密集组网性能研究

摘要

随着各种智能终端的广泛普及和移动业务应用的深入发展，在室内单位面积通信业务数据量大幅增长的区域，形成众多室内热点。在航空移动通信领域，飞机旅客对宽带数据服务的需求日益增长，使得客舱也成为了室内热点区域。5G超密集组网（Ultra-Dense Networks,UDN）通过密集部署低功耗、高集成小基站，缩短信号传输距离，进行高密度的频率空间复用，可大幅提高频谱效率，提升系统容量，是解决室内热点覆盖的关键技术，也为客舱内的无线覆盖提供了新的解决思路。　　虽然小基站的密集化部署能带来潜在的频谱复用增益和网络容量增益，但小小区的高密度重叠覆盖会产生严重的小区间干扰，使UDN存在基站密度极限，制约网络性能的进一步提升。因此，本文将多点协作联合传输（ Coordinated Multiple-Point Joint Transmission,CoMP-JT）技术应用于UDN，多个基站通过共享信道信息和用户数据信息同时为同一用户提供服务，将邻区干扰信号转化为有用信号，从而降低相邻小区间干扰，延续基站密集化带来的性能增益。同时，在UDN的网络建模与干扰分析方面，为进一步考虑基站分布的随机性以及信号在近场区的传播特性，采用了随机几何理论和有界双斜率路损模型。在此基础上，本文从一般到特殊，分别对室内热点区域和飞机客舱内的UDN部署进行了如下研究：　　① 针对室内热点区域的UDN部署，研究了CoMP-JT下协作基站数、基站密度等系统参数与网络性能的关系。首先，用三维齐次泊松点过程建模基站分布的随机性，进而推导了基站与用户距离的概率密度函数，为选取距离用户最近的多个基站联合传输的协作机制提供了基础。然后，结合有界双斜率路损模型，进行用户下行链路的干扰建模，进一步推导出用户下行链路覆盖率和网络区域频谱效率（Area Spectrum Efficiency,ASE）的表达式。最后，结合数值仿真结果，综合分析了协作基站数、基站密度等参数对网络性能的影响，得到使ASE最大的基站密度极限，并探讨了影响基站密度极限的因素，研究工作可为室内热点区域UDN的基站部署提供理论参考。　　② 针对飞机客舱内的 UDN 部署，基于绿色通信理念，研究了 CoMP-JT 下ASE与能量效率（Energy Efficiency,EE）的折中关系。首先，使小基站和用户分布在不同二维平面内，采用齐次泊松点过程建模基站分布，运用类似①中的干扰建模，并进一步考虑CoMP-JT的回程能耗，推导出用户下行链路覆盖率、ASE和EE的表达式。然后，结合数值仿真结果，分析了协作基站数、基站密度等参数对网络性能的影响，得到分别使ASE和EE最大的基站密度极限。最后，在中断率限制下的基站密度可行区间内，分三种情况讨论了ASE与EE的折中关系，得到了ASE与EE存在折中时二者的边际转换率和引入带有偏好因子的Cobb-Douglas效用函数时二者的边际替代率，并在边际转换率和边际替代率相等时确定了最优基站密度，从而在保证服务质量的同时实现了Pareto最优。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 客舱及室内小基站发展现状

1.2.2 UDN性能分析的研究现状

1.2.3 UDN频谱效率与能量效率折中的研究现状

1.3 研究动机及意义

1.4 主要研究内容

1.5 章节安排

2 UDN性能分析基础

2.1 5G UDN及应用场景

2.2 UDN建模与干扰分析

2.2.1 空间泊松点过程

2.2.2 网络干扰分析

2.2.3 有界双斜率路径损耗模型

2.3 多点协作CoMP

2.3.1 CoMP基本原理与分类

2.3.2 5G中的CoMP

2.4 本章小结

3 室内热点区域UDN的性能研究

3.1 引言

3.2 网络模型

3.3 网络性能分析

3.3.1 下行链路覆盖率

3.3.2 网络区域频谱效率

3.4 仿真结果与分析

3.4.1 蒙特卡洛仿真与理论分析

3.4.2 下行链路覆盖率

3.4.3 网络区域频谱效率

3.4.4 影响基站密度极限的因素

3.5 本章小结

4 舱内UDN频谱效率和能量效率的折中

4.1 引言

4.2 网络模型

4.3 网络性能分析

4.3.1 下行链路覆盖率

4.3.2 网络区域频谱效率

4.3.3 网络区域能量效率

4.4 中断率限制下频谱效率和能量效率的折中关系

4.5 效用最优下的最优基站密度

4.5.1 频谱效率与能量效率的边际转换率

4.5.2 基于偏好设置的效用函数

4.6 本章小结

5 总结与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢