為了實現(xiàn)未來5G網(wǎng)絡超高速、超高容量、超低時延和高能效的愿景,增加接入點(Access Point,AP)的類型和數(shù)量被普遍認為是最有效的方法之一。因此,未來通信網(wǎng)絡將呈現(xiàn)出密集化和異構化的趨勢,逐漸演變成超密集網(wǎng)絡(Ultra Dense Network,UDN)。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡相比,超密集網(wǎng)絡中的接入點數(shù)目驟增,發(fā)送端和接收端的距離大大縮短,小區(qū)邊緣的概念逐漸弱化,網(wǎng)絡服務模式從“以基站為中心”到“以用戶為中心”轉變,實現(xiàn)了系統(tǒng)容量等網(wǎng)絡性能的大幅度提升。鑒于超密集網(wǎng)絡的新特點,傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的理論分析及資源分配方法已不再適用。一方面,傳統(tǒng)的理論性能分析方法對于節(jié)點空間分布的建模主要采用確定性模型,并且性能分析過程依賴于蒙特卡羅仿真或者過于理想化的假設,但是面對超密集網(wǎng)絡中節(jié)點分布的異構性、隨機性和密集性,傳統(tǒng)的建模方法過于理想化,因此亟需新型的建模方法來描述超密集網(wǎng)絡拓撲的隨機性,從而進行準確的性能分析。另一方面,在超密集網(wǎng)絡中,由于用戶和接入節(jié)點的數(shù)量驟增,信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)等信息膨脹,同時,除卻傳統(tǒng)的空、時、頻無線資源,計算、緩存等多維度的網(wǎng)絡資源卷入,使得資源分配問題的維度、復雜度和反饋量大大增加,傳統(tǒng)的基于逐點測量、逐點反饋的資源分配方法已無法滿足需求。針對超密集網(wǎng)絡中性能分析和資源分配的難點問題,本論文采用隨機幾何理論、隨機過程、概率論等數(shù)學方法,分析超密集網(wǎng)絡中不同場景的網(wǎng)絡性能,為超密集網(wǎng)絡構建新的性能評估體系,并設計低復雜度、低開銷的資源分配方案,為推動超密集網(wǎng)絡的演進、部署和實施進行前沿探索。本論文的主要研究成果和貢獻如下:1、靜態(tài)場景下基于隨機幾何理論的網(wǎng)絡性能分析針對采用小區(qū)范圍擴張技術的蜂窩異構網(wǎng)絡,從小區(qū)的角度,推導單個小區(qū)面積加權的平均負載量,單個用戶的平均遍歷速率,面積加權的頻譜效率和能量效率;從網(wǎng)絡層的角度,推導平均每層的頻譜效率和能量效率;從整個網(wǎng)絡的角度,推導網(wǎng)絡的頻譜效率和能量效率,并研究不同偏置值對兩者之間折中關系的影響。此外,針對采用多點協(xié)作(Coordinated Multipoint,CoMP)技術的超密集網(wǎng)絡,提出了新的性能指標包括成功服務概率和有效遍歷容量等,比較網(wǎng)絡在分別采用聯(lián)合傳輸(Joint Transmission,JT)和協(xié)同調度/波束賦形(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming,CS/CB)這兩種不同多點協(xié)作技術時用戶、小區(qū)以及全網(wǎng)絡的性能。以上兩個方面的研究均通過對比理論推導結果與仿真結果進行驗證。相關靜態(tài)場景的性能分析研究成果為蜂窩異構網(wǎng)絡在采用小區(qū)范圍擴張技術時偏置值的設置,多點協(xié)作傳輸網(wǎng)絡對于不同多點協(xié)作方案的選擇和協(xié)作簇大小的設置等提供了理論指導。2、移動場景下基于隨機幾何理論的網(wǎng)絡性能分析第一,在移動通信網(wǎng)絡中,針對五種基本切換準則,利用隨機幾何理論分析用戶在移動過程中與基站的相對位置關系,推導出采用不同切換準則時簇切換概率的理論表達式,研究不同切換策略對用戶切換性能的影響。第二,考慮過時CSI對用戶切換性能的影響,提出兩個新的指標一誤切概率(False Handover Probability)和漏切概率(Miss Handover Probability),用以衡量由過時CSI造成的切換失敗概率。第三,針對采用多點協(xié)作技術的超密集網(wǎng)絡,考慮用戶移動性的影響,研究過時和準確的CSI之間的關系,利用隨機幾何理論推導網(wǎng)絡覆蓋率,探索過時CSI對移動通信網(wǎng)絡性能的影響。以上三個方面的研究也均通過對比理論推導結果與仿真結果進行驗證。超密集網(wǎng)絡中移動場景的相關性能分析(如切換概率、切換失敗率、網(wǎng)絡覆蓋率等)為多點協(xié)作網(wǎng)絡中不同切換策略的選擇,用戶移動性對切換失敗概率的影響,以及基站密度的部署和協(xié)作簇大小的設置等問題提供了一種新的研究思路和方法。3、基于隨機幾何理論的資源分配算法研究針對超密集網(wǎng)絡中資源分配的高維度、高復雜度、高反饋量問題,提出了兩種資源分配方案——基于隨機幾何理論的分級功率分配方案以及計算任務卸載和內容緩存方案。針對超密集網(wǎng)絡的上行鏈路場景,考慮一個離散功率集合,則可以根據(jù)發(fā)射功率將干擾用戶分為多組,然后利用隨機幾何理論方法推導相關性能參數(shù),并利用得到的性能參數(shù)設計基于交替遺傳算法的功率分配方案。針對具有計算密集型業(yè)務的超密集網(wǎng)絡場景,用戶可以選擇將計算任務卸載到附近的基站或一組D2D(Device to Device)用戶,并決定是否緩存計算結果。然后將如何設計最佳計算卸載和緩存策略以最大化卸載和緩存的凈收益表示成一個優(yōu)化問題,最后設計基于ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)的分布式算法求解該問題。仿真結果表明借助隨機幾何理論,這兩種方案在進行資源分配時只需要獲得部分CSI(每個用戶的有用信號信息),能夠在保證相關用戶性能的條件下有效地降低資源分配算法的計算復雜度和信令開銷。相關研究成果有效地解決了傳統(tǒng)無線資源管理和控制的復雜度高、反饋開銷大等問題,為超密集網(wǎng)絡中無線和網(wǎng)絡資源分配的工程實踐提供重要的理論基礎。
【學位單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

１．１．１研究背景??隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，各種智能終端的普及和新型業(yè)務的涌現(xiàn)使得??當前的無線網(wǎng)絡產生了巨大的數(shù)據(jù)風暴，據(jù)預測，截止到２０２０年，全球移動數(shù)??據(jù)流量將增長１０００倍，網(wǎng)絡也將進入５Ｇ時代。未來的５Ｇ網(wǎng)絡將實現(xiàn)從今天的??ＩｏＨ（Ｉｎｔｅｒａｅｔ?ｏｆ?Ｈｕｍａｎ）、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｍｅｔ?ｏｆ?Ｔｈｉｎｇｓ）演變成?ＩｏＥ（Ｉｎｔｅｍｅｔ?ｏｆ?Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ），??通信系統(tǒng)將變得“萬物包容”、“無處不在”［１］。３ＧＰＰ、ＩＴＵ－Ｒ等國際標準化組織指??出，為了實現(xiàn)未來５Ｇ網(wǎng)絡的１０００倍容量增長（Ｕｌｔｒａ?Ｈｉｇｈ?Ｃａｐａｃｉｔｙ）、超高可??靠性（Ｕｌｔｒａ?Ｌｏｗ?Ｌａｔｅｎｃｙ）、超低時延（Ｕｌｔｒａ?Ｒｅｌｉａｂｌｅ）、高能效（Ｈｉｇｈ?Ｅｎｅｒｇｙ??Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）的愿景，減小小區(qū)半徑、增加接入節(jié)點的類型和數(shù)量的超密集網(wǎng)絡??（Ｕｌｔｒａ?Ｄｅｎｓｅ?Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，?ＵＤＮ）是未來５Ｇ網(wǎng)絡的關鍵技術之一［２］。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)??絡相比，超密集網(wǎng)絡中的接入點數(shù)目驟增，發(fā)送端和接受端的距離大大縮短，小??區(qū)邊緣的概念逐漸弱化，網(wǎng)絡服務模式從“以基站為中心”到“以用戶為中心”??轉變，同時也實現(xiàn)了系統(tǒng)容量等網(wǎng)絡性能的大幅度提升。??＿?－＾：??

?確。而隨機幾何作為建模、分析和設計無線隨機網(wǎng)絡的強大數(shù)學工具，能夠為無??線通信網(wǎng)絡的空間隨機建模提供一種新的方法［１５＿ｉ８］。如圖１－２?（ｂ）所示，該方法的??主要思想是將節(jié)點的空間位置抽象成合適的隨機點過程，如齊次泊松點過程??（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?Ｐｏｉｓｓｏｎ?Ｐｏｉｎｔ?Ｐｒｏｃｅｓｓ，?ＨＰＰＰ），而實際網(wǎng)絡拓撲可以看成是該點??過程的一次“快照”。對比傳統(tǒng)的性能分析方法，隨機幾何方法能夠更好地描述??無線通信網(wǎng)絡拓撲的隨機性，而且借助隨機幾何相關理論，能夠不依賴于仿真或??者過于理想的假設，從理論上有效、準確地分析網(wǎng)絡的性能［１２，１５］。??＿■??（ａ）?（ｂ）??圖??（Ｃ）??圖１－２節(jié)點模型示意圖：（ａ）傳統(tǒng)網(wǎng)格模型；（ｂ）隨機幾何模型；（ｃ）實際節(jié)點分布圖??（紅點代表基站，藍色曲線代表小區(qū)覆蓋范圍）??Ｆｉｇ．?１－２?Ａ?ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｎｏｄｅ?ｍｏｄｅｌｓ：?（ａ）?ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ?ｇｒｉｄ?ｍｏｄｅｌ；?（ｂ）?ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ?ｍｏｄｅｌ；??（ｃ）?ａｃｔｕａｌ?ｎｏｄｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??（Ｒｅｄ?ｐｏｉｎｔｓ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ?ｂａｓｅ?ｓｔａｔｉｏｎｓ；?ｂｌｕｅ?ｌｉｎｅｓ?ｄｅｎｏｔｅ?ｔｈｅ?ｃｅｌｌ?ｃｏｖｅｒａｇｅ）??為了解決超密集網(wǎng)絡中關于性能分析和資源分配方案設計的難題，本論文利??用隨機幾何建模方法及其相關理論在無線網(wǎng)絡的建模和性能分析中表現(xiàn)出的優(yōu)??越性和準確性

測點的性質［３，４］。隨著隨機幾何理論的應用越來越廣泛，根據(jù)應用場景的不同，??采用的點過程也不盡相同，常用的點過程模型主要包括齊次泊松點過程（ＨＰＰＰ）、??泊松聚過程（ＰＣＰ）、泊松核過程（ＨＣＰＰ）等。圖２－１給出了常用點過程的示意??圖，其中紅色方形點代表基站，黑色原點代表基站簇。在這些點過程中，應用最??廣泛的是ＨＰＰＰ，下面將對這一模型的性質和應用進行詳細的介紹和說明。??１８??
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本文編號：2838296