本文選題：超密集網(wǎng)絡(luò)　切入點：多天線　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：在移動互聯(lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)等概念的驅(qū)動下,5G系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)研究與標準化工作已經(jīng)展開。面對移動用戶對數(shù)據(jù)速率的極致需求,提升系統(tǒng)容量仍是5G系統(tǒng)最為核心的設(shè)計目標。5G系統(tǒng)吞吐量相對于當前蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提升超過千倍,而超密集網(wǎng)絡(luò)與多天線技術(shù)被視為應(yīng)對極高數(shù)據(jù)流量密度挑戰(zhàn)的基本使能技術(shù)。其中,超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過以極高密度部署微站提升頻譜復用增益;多天線技術(shù)則通過分集與復用提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。為深入理解兩項技術(shù)結(jié)合后的網(wǎng)絡(luò)基本特性,本文從統(tǒng)計性能角度出發(fā),深入地研究了多天線超密集網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域頻譜效率分析、網(wǎng)絡(luò)部署參數(shù)與干擾協(xié)調(diào)策略優(yōu)化的相關(guān)問題,旨在為5G系統(tǒng)的部署與優(yōu)化提供啟示性指導。本文主要的工作與貢獻如下:1)針對未來多天線超密集網(wǎng)絡(luò)基站密度大、天線數(shù)多的特征,研究了單層多天線超密集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域頻譜效率與基站密度、天線數(shù)等參數(shù)間的理論關(guān)系,并以網(wǎng)絡(luò)平均功耗最低為目標,給出了最優(yōu)的基站密度、天線數(shù)等參數(shù)的組合。本文通過泊松點過程(PPP)建立單層網(wǎng)絡(luò)模型,推導了系統(tǒng)區(qū)域頻譜效率及其下界,證明了區(qū)域頻譜效率隨基站密度線性增長,并發(fā)現(xiàn)區(qū)域頻譜效率為基站天線數(shù)和服務(wù)用戶數(shù)的聯(lián)合凹函數(shù)。以最大化區(qū)域頻譜效率為目標,本文證明了基站最優(yōu)的空分復用服務(wù)用戶數(shù)與天線數(shù)的比值為定值。并且當服務(wù)用戶數(shù)設(shè)為最優(yōu)時,區(qū)域頻譜效率隨天線數(shù)線性增長。此外,本文發(fā)現(xiàn)單層網(wǎng)絡(luò)的平均功耗最小化問題等價于網(wǎng)絡(luò)能效最大化問題,并給出了求解網(wǎng)絡(luò)能效最大化問題的最優(yōu)與低復雜度的次優(yōu)算法,仿真結(jié)果顯示次優(yōu)算法可逼近最優(yōu)算法性能。本文發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)平均功耗隨著區(qū)域頻譜效率設(shè)計目標線性增長,并觀察到宏站相比于微站傾向于配備更多的天線。2)針對未來多天線超密集網(wǎng)絡(luò)宏微共存的多層結(jié)構(gòu)以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩個特征,研究了雙層多天線超密集網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域頻譜效率與各層基站參數(shù)間的理論關(guān)系,并在控制/數(shù)據(jù)分離架構(gòu)下研究了平均功耗最低的網(wǎng)絡(luò)部署參數(shù)。本文利用兩個獨立的PPP為雙層網(wǎng)絡(luò)建立拓撲模型,推導了區(qū)域頻譜效率及其近似表達式,從理論上證明了部署更多微站總能提升區(qū)域頻譜效率。當采用小區(qū)拓展技術(shù)時,本文發(fā)現(xiàn)微站發(fā)射功率越高,區(qū)域頻譜效率則越高。以最大化區(qū)域頻譜效率為目標,各層基站的最優(yōu)服務(wù)用戶數(shù)與該層天線數(shù)呈線性關(guān)系,數(shù)值結(jié)果顯示最優(yōu)服務(wù)用戶數(shù)的取值隨雙層網(wǎng)絡(luò)間參數(shù)差異變化并不敏感。當各層服務(wù)用戶數(shù)設(shè)為最優(yōu)時,系統(tǒng)區(qū)域頻譜效率隨著各層基站天線數(shù)均為線性增長。與單天線網(wǎng)絡(luò)不同,本文觀察到當宏站天線數(shù)相對于微站足夠大時,小區(qū)拓展可提升系統(tǒng)區(qū)域頻譜效率。此外,本文在控制/數(shù)據(jù)分離架構(gòu)下,研究了雙層多天線超密集網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)部署參數(shù),旨在以最低的網(wǎng)絡(luò)平均功耗保證系統(tǒng)覆蓋率與吞吐量性能。為此,本文形成網(wǎng)絡(luò)平均功耗最小化問題,以聯(lián)合優(yōu)化雙層網(wǎng)絡(luò)的基站密度、天線數(shù)以及帶寬分配比例。為求解該問題,本文分別提出了最優(yōu)與低復雜度的次優(yōu)求解算法。仿真結(jié)果顯示所提次優(yōu)算法可逼近最優(yōu)算法性能,并發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)平均功耗隨帶寬分配比例變化不敏感。3)由于小區(qū)間干擾仍是限制多天線超密集網(wǎng)絡(luò)性能的主要瓶頸,本文進一步考慮了雙層多天線超密集網(wǎng)絡(luò)引入干擾協(xié)調(diào)策略,刻畫了各層用戶平均可達速率與干擾協(xié)調(diào)參數(shù)間的理論關(guān)系,并且給出了統(tǒng)計性能最優(yōu)的干擾協(xié)調(diào)策略。本文針對封閉式微站密集部署的強干擾場景,考慮微站利用功率控制、接入控制以及協(xié)作波束成型抑制其對宏用戶干擾。基于兩步近似,本文推導了用戶平均可達速率的表達式,刻畫了用戶性能與干擾協(xié)調(diào)參數(shù)間的理論關(guān)系,仿真結(jié)果驗證了理論分析的準確性�；诶碚摲治鼋Y(jié)果,本文進一步討論了最優(yōu)的干擾協(xié)調(diào)策略,以在保證宏用戶性能的前提下最大化微站用戶性能。在不考慮協(xié)作波束成型的特殊場景下,從理論上證明最優(yōu)的干擾協(xié)調(diào)策略僅采用功率控制;而在一般場景下,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)干擾協(xié)調(diào)策略為功率控制與協(xié)作波束成型的組合。當宏用戶平均可達數(shù)據(jù)速率門限較低時,本文發(fā)現(xiàn)微站僅使用協(xié)作波束成型即可逼近最優(yōu)策略性能。若單獨使用各干擾協(xié)調(diào)策略,仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)性能的排序為:協(xié)作波束成型、功率控制、接入控制。
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【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.5

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本文編號：1630672