基于能效的异构蜂窝网络部署和资源管理优化

摘要

近几年，无线智能终端和各种移动服务应用爆炸式的增长直接给蜂窝通信系统带来了许多挑战。一方面，海量的移动终端和高速下载、视频电话、在线游戏等应用对蜂窝网络提出了大容量、高速率和低延时等越来越高的QoS(Quality ofService)需求。另一方面，为了满足急速增长的负载需求，蜂窝运营商们增大部署基站及其相应配套设施，这直接导致了系统能耗的快速增长。出于全球气候变暖和对网络运营开销控制的考虑，运营商们在关注用户QoS的同时也越来越重视系统的能量效率。因此，综合考虑QoS和能量效率，特别是在满足用户QoS前提下优化系统能量效率，具有重要的现实意义。
　　为了更好的满足用户QoS需求，LTE和WiMax标准组相继提出，在已有宏基站的基础之上引入家庭基站、Pico基站和中继等低功耗节点（本文统称其为微基站），以扩大系统容量、卸载热点宏基站负载、增强室内覆盖、提高小区边缘用户的服务质量。这种由宏基站和低功率节点组成的网络架构称为异构蜂窝网络。除了给用户提供更好的QoS性能，相比于仅由宏基站构成的同构蜂窝网络，异构蜂窝网络在提升系统能量效率性能上充满了许多优势和挑战，其中包括高频谱复用、微基站低功耗、短距离通信等优势和网络拓扑更加随机、干扰更加严重、资源调度更加复杂等挑战。考虑以上优势和挑战，本文研究基于能效的异构蜂窝网络部署和资源管理技术，联合考虑基站部署密度、发射功率、休眠操作以及频谱分配机制，探讨如何在满足用户QoS前提下优化异构蜂窝网络系统的能量效率。本文主要工作和贡献如下:
　　1)研究异构蜂窝网络的部署问题，联合优化基站密度与发射功率，在保证覆盖/信干噪比或速率统计性能前提下最小化系统区域功耗。
　　利用泊松点过程网络模型分析推导系统平均覆盖概率（信干噪比累积分布函数）与基站密度、基站发射功率的关系式。基于推导结果，建立一个覆盖/信干噪比或速率统计性能约束下的区域功耗最小化问题，并通过消除变量法联合求解得到最优的宏基站发射功率、宏基站密度、微基站发射功率和微基站密度。由仿真结果发现:相比于同构蜂窝网络，异构蜂窝网络在能效性能上具有绝对的优势;考虑发射功率配置可进一步降低系统功耗。
　　2)系统部署后，研究异构蜂窝网络下的宏基站休眠策略，在保证下行覆盖性能不变和上行平均功耗在用户容忍范围内的前提下最小化系统区域功耗。
　　利用泊松点过程网络模型分析推导下行平均覆盖概率和上行用户功耗与宏基站休眠比例的关系式。在此基础上，提出调节剩余宏基站发射功率和引入微基站的方法以保证关闭部分宏基站前后系统覆盖性能不变。此外，得到了保证上行平均功耗在用户容忍范围内的宏基站休眠比例上限。然后建立了以下优化问题:在保证下行覆盖性能不变和上行平均功耗在用户容忍范围内的前提下，联合优化休眠宏基站比例、宏基站的发射功率和引入微基站的密度以使得系统区域功耗最小。通过消除变量法求解得到问题的最优解。
　　3)研究异构蜂窝网络下的微基站休眠策略，提出基于门限的微基站休眠策略，分析系统功耗与频谱效率/吞吐量的折中关系，得到能效最优的节能门限值。
　　设计一种基于门限的微基站休眠策略，即当微基站负载低于节能门限且能被宏基站接管时关闭该微基站，当休眠微基站负载高于节能门限或宏基站过载时激活微基站。将基站模式切换过程建模为准生灭过程，结合泊松点过程网络模型和Markov链理论，推导得到宏基站的平均负载、宏基站的平均功耗、平均休眠微基站数目、微基站的平均负载、微基站的平均功耗等性能表达式。利用泊松点过程网络模型分析得到微基站用户和宏基站用户的平均速率。将系统平均功耗与系统平均吞吐量的比率作为能效评判准则，分析能效与节能门限的关系表达式，并得到节能门限取值方案。
　　4)给定基站工作模式后，研究异构蜂窝网络下的资源调度问题，设计能效优先的自适应传输策略，在保证系统稳定/平均时延前提下最小化系统平均功耗。
　　将认知无线电技术应用到蜂窝通信中，提出一种由宏基站和中继组成的多跳认知异构蜂窝网络架构，该架构可以在用户不具有感知功能的基础上扩大系统可用资源。在该架构下，考虑到各节点可用频谱空间、时间上的波动性和业务的时延容忍特性，提出调度时延容忍数据在可用频谱较多的节点和时隙上传输，以降低系统的传输功耗开销。数学上，将能效传输问题建模为跨层随机优化问题，即联合物理层的功率控制、链路层的频谱分配和网络层的路径选择，在保证系统稳定/平均时延前提下最小化系统的平均功耗。基于李亚普诺夫优化技术和分支界限法，提出一种能效调度算法。理论分析发现所提出算法既可以保证系统稳定又可以确保系统的平均功耗最多偏离理论最优值O(1/V)。

目录

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摘要

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表格索引

缩略词表

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．1．1 异构蜂窝网络简介

1．1．2 蜂窝网络的能耗问题

1．2 绿色蜂窝通信研究现状

1．2．1 绿色蜂窝网络能效度量准则

1．2．2 绿色蜂窝网络架构与部署

1．2．3 绿色蜂窝资源管理技术

1．2．4 研究现状小结

1．3 异构蜂窝网络面临的挑战

1．3．1 干扰问题

1．3．2 网络拓扑建模问题

1．3．3 资源管理问题

1．4 论文结构及主要创新点

第2章 能效异构蜂窝网络部署策略优化

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 部署参数对覆盖性能的影响分析

2．4 能效最优的部署策略

2．4．1 问题定义

2．4．2 能效最优的同构部署策略

2．4．3 能效最优的异构部署策略

2．5 仿真与性能分析

2．5．1 仿真设置

2．5．2 仿真结果

2．6 本章小结

第3章 宏基站休眠策略设计与优化

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 下行覆盖和上行用户功耗分析

3．3．1 维持下行覆盖性能不变的方式

3．3．2 上行用户功耗分析

3．4 最优宏基站休眠策略

3．4．1 问题定义

3．4．2 基于PA的宏基站休眠策略

3．4．3 基于MD的宏基站休眠策略

3．4．4 基于JPW的宏基站休眠策略

3．5 仿真与性能评估

3．5．1 仿真设置

3．5．2 仿真结果

3．6 本章小结

第4章 微基站休眠策略设计与优化

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 基于门限的微基站休眠策略

4．4 系统平均功耗与频谱效率分析

4．4．1 休眠微基站数目分布

4．4．2 系统平均功耗

4．4．3 频谱效率

4．5 仿真与性能分析

4．5．1 仿真设置

4．5．2 仿真结果

4．6 本章小结

第5章 多跳认知蜂窝网络中能效传输策略优化

5．1 引言

5．2 系统模型与问题提出

5．2．1 系统架构

5．2．2 能效调度的出发点

5．2．3 数学模型

5．2．4 问题定义

5．3 最优能效调度算法

5．3．1 李雅普诺夫漂移分析

5．3．2 能效优先调度算法

5．3．3 EESA性能分析

5．4 基于分支界限的近似算法

5．4．1 ABB算法

5．4．2 ABB算法性能分析

5．5 仿真与性能评估

5．5．1 仿真设置

5．5．2 仿真结果

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 下一步工作

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

攻读博士学位期间的科研和项目经历

致谢