【摘要】：隨著移動(dòng)用戶和移動(dòng)連接設(shè)備的瘋狂增長(zhǎng),移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量經(jīng)歷了空前的增長(zhǎng)。思科預(yù)測(cè)到2019年將有115億移動(dòng)設(shè)備連接,全球月移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到2014年的10倍,即24.3艾字節(jié)。尋找到合適、有效而且能夠?qū)嶋H應(yīng)用的下一代通信技術(shù),即B4G或者第五代移動(dòng)通信技術(shù)(fifth generation,5G),將是滿足這一需求的關(guān)鍵。5G需求主要包含3個(gè)方面,即速率需求、時(shí)延需求和能耗成本需求,而其中速率需求是亟待解決也是其它需求的基礎(chǔ)。從香農(nóng)公式出發(fā),可以在3個(gè)維度提高網(wǎng)絡(luò)速率,即(cells/km~2)維度,(bits/s/Hz/cell)維度和(Hz)維度。相對(duì)應(yīng)的技術(shù)分別為超密網(wǎng)絡(luò),增加可用頻譜帶寬以及其它增加頻譜效率的先進(jìn)技術(shù)如大規(guī)模MIMO等。本論文針對(duì)超密網(wǎng)絡(luò)在部署中存在的挑戰(zhàn)和未解決問(wèn)題展開研究。具體地,這些挑戰(zhàn)包括:1)隨著基站越來(lái)越多,在相同的區(qū)域內(nèi),移動(dòng)用戶將會(huì)“看到”更多的干擾源,宏基站和與它共信道的微小區(qū)基站之間的相互干擾可能會(huì)削弱移動(dòng)用戶接收信號(hào)的質(zhì)量;2)隨著移動(dòng)設(shè)備同時(shí)支持2G/3G/4G/WLAN甚至未來(lái)5G等多種接入技術(shù)的需求,能夠同時(shí)使用它們將會(huì)變得很重要,這可能會(huì)帶來(lái)一定的自干擾;3)微小區(qū)的覆蓋半徑小于宏小區(qū),因此存在更加頻繁的小區(qū)切換,有文獻(xiàn)表明異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換性能不如純宏小區(qū),移動(dòng)管理需要重新設(shè)計(jì)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:第一,在未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)中,一方面由于基站密度的增加用戶與基站之間將會(huì)存在更多的視距傳輸(line-of-sight,LoS),另一方面在城市中由于高樓樹木車輛的存在,用戶與基站之間也會(huì)存在非視距(non-line-of-sight,NLoS)傳輸。此外,由于電磁波近場(chǎng)傳輸和遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸存在一定的差異,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行數(shù)學(xué)分析時(shí)采用傳統(tǒng)的單段路徑損耗模型已經(jīng)不再準(zhǔn)確,需要采用更加一般的多段路徑損耗模型。綜上,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析時(shí),必須將NLoS傳輸和LoS傳輸考慮進(jìn)多段路徑損耗模型里才能較為真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)性能。本章給出了超密網(wǎng)絡(luò)的一般性分析框架,該框架同時(shí)考慮進(jìn)了NLoS傳輸和LoS傳輸,一般性的路徑損耗模型和一般性的衰落或陰影模型。揭示了隨著基站密度的增加,微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的性能從噪聲受限區(qū)間轉(zhuǎn)移到干擾受限區(qū)間這一現(xiàn)象,并且詳盡分析了影響這種轉(zhuǎn)移特性的因素。分析結(jié)果將會(huì)為在未來(lái)城市區(qū)域中部署密集網(wǎng)絡(luò)提供一定的理論依據(jù)。第二,未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是存在采用各種射頻技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),不同層的網(wǎng)絡(luò)采用不同的發(fā)射功率,部署不用的密度已經(jīng)成為常態(tài),如何優(yōu)化各層網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的密度將會(huì)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。我們對(duì)超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究,給出了一般性的分析框架。在服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)限制下研究了2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,2個(gè)QoS限制條件分別為限制網(wǎng)絡(luò)最大總功耗和限制網(wǎng)絡(luò)最小覆蓋概率。從上述2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題中得到了使網(wǎng)絡(luò)能效最大化的網(wǎng)絡(luò)部署方案。比較了在不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)置場(chǎng)景下的最優(yōu)基站部署方案,即假設(shè)基站采用固定發(fā)射功率、假設(shè)基站采用基站密度依賴的發(fā)射功率、理想的基站端功耗和實(shí)際的基站端功耗4種場(chǎng)景,針對(duì)不同場(chǎng)景給出了對(duì)應(yīng)的性能分析結(jié)果。第三,隨著網(wǎng)絡(luò)部署變得密集,由于小區(qū)覆蓋面積的減小導(dǎo)致切換經(jīng)常發(fā)生,用戶的移動(dòng)管理將會(huì)變得更加復(fù)雜;而如果切換時(shí)延大于用戶的小區(qū)駐留時(shí)間,則會(huì)發(fā)生切換失敗。將控制平面和用戶平面在邏輯架構(gòu)上進(jìn)行分離,形成控制-用戶平面分離架構(gòu)是解決這一問(wèn)題的有效方案。我們針對(duì)控制-用戶平面分離架構(gòu)的毫米波網(wǎng)絡(luò),提出了分析該網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率等性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,并且將其與傳統(tǒng)架構(gòu)的性能做比較。研究了2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,即分別在傳統(tǒng)架構(gòu)和控制-用戶平面分離架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,最小覆蓋概率約束下如何部署網(wǎng)絡(luò)使得網(wǎng)絡(luò)切換開銷最小。從理論分析結(jié)果和仿真結(jié)果出發(fā),給出了網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)該遵循的原則,即對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),需要增加網(wǎng)絡(luò)中的宏基站;而對(duì)于控制-用戶平面分離架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),則需要增加網(wǎng)絡(luò)中的微小區(qū)基站。第四,將蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物理層和網(wǎng)絡(luò)層聯(lián)合分析成為一個(gè)挑戰(zhàn)。以往的研究中往往不能在時(shí)間維度上和空間維度上對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行詳盡分析,我們基于馬爾科夫鏈和隨機(jī)幾何研究隨機(jī)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空性能,推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和阻塞概率,其中網(wǎng)絡(luò)中干擾節(jié)點(diǎn)位置服從泊松點(diǎn)過(guò)程分布,在信道模型中將衰落和陰影同時(shí)考慮了進(jìn)去;建立了網(wǎng)絡(luò)空間頻譜效率和能量效率的模型;對(duì)網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和能效進(jìn)行了分析。綜上所述,本文針對(duì)未來(lái)5G超密網(wǎng)絡(luò)在部署中存在的挑戰(zhàn)和未解決問(wèn)題展開研究,基于一般性的理論模型,論證了5G超密網(wǎng)絡(luò)的必要性,同時(shí)針對(duì)超密部署帶來(lái)的用戶服務(wù)質(zhì)量下降問(wèn)題,給出了服務(wù)質(zhì)量保證下的基站部署優(yōu)化方案,對(duì)未來(lái)基站部署提供一定的參考和借鑒意義。
【圖文】：

研究背景和意義.1 5G 技術(shù)需求近幾年，隨著移動(dòng)用戶和移動(dòng)連接設(shè)備的瘋狂增長(zhǎng)，移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量經(jīng)歷了增長(zhǎng)。2015 年 Cisco 公司發(fā)布了針對(duì)全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的預(yù)測(cè)白皮書[1]，白皮，截止到 2014 年年底，全球月移動(dòng)數(shù)據(jù)流量達(dá)到 2.5 艾字節(jié)，預(yù)測(cè) 2019 年移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到 2014 年的 10 倍，即 24.3 艾字節(jié)，如圖 1.1。近幾年數(shù)據(jù)狂增長(zhǎng)主要來(lái)自視頻業(yè)務(wù)的貢獻(xiàn)，但預(yù)計(jì)到 2020 年，一些新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將會(huì)除了移動(dòng)數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，2014 年全球移動(dòng)設(shè)備連接（如 M2M，，V2V 等）達(dá)而到 2019 年預(yù)測(cè)將有 115 億移動(dòng)設(shè)備連接，也就是平均每人將會(huì)擁有 1.5 部 1.2 所示。

圖 1.2 思科預(yù)測(cè)到 2019 年全球月移動(dòng)設(shè)備和連接數(shù)將達(dá)到 115 億[1]了“未來(lái)移動(dòng)峰會(huì)”，該峰會(huì)得出結(jié)論，目前 LTE 演進(jìn)或許并不能完全滿足 ，而標(biāo)準(zhǔn)化將會(huì)在 LTE Rel-14 或者 LTE Rel-15 時(shí)開始，時(shí)間大約是 2016-20為了更加深刻了解 5G 所面對(duì)的工程挑戰(zhàn)，我們需要首先了解 5G 系統(tǒng)的需求尋找相適應(yīng)的技術(shù)去滿足。下面列出的是 5G 在每個(gè)子維度上的需求，但需要是，并不是所有的需求都要同時(shí)滿足。5G 需求主要包含 3 個(gè)方面[2]，即速率需求、時(shí)延需求和能耗成本需求。其中求包括聚合速率需求：指整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠提供或服務(wù)的總數(shù)據(jù)量，從 4G 到 5G速率將增加 1000 倍；邊緣速率需求：指在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)，用戶能體驗(yàn)到的率，5G 邊緣速率將會(huì)達(dá)到 100Mbps 至 1Gbps。這個(gè)需求是 4G 系統(tǒng)的 100 倍速率（peakrate）需求：指在任何可能的網(wǎng)絡(luò)配置下，用戶所能體驗(yàn)到的最好，在 5G 系統(tǒng)中，這項(xiàng)需求將會(huì)達(dá)到幾十 Gbps。時(shí)延需求方面，當(dāng)前 4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大約在 15ms 這個(gè)數(shù)量級(jí)，另外會(huì)有 1ms 的子幀時(shí)間用來(lái)資源分配和接入
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.5

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本文編號(hào)：2628960