基于随机几何的异构蜂窝网络性能分析与节能研究

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近些年来随着移动数据流量的指数型增长,传统的宏蜂窝网络小区结构已无法满足移动用户的数据业务需求,未来的移动通信网络环境将会是不规则的、多种类小区重叠覆盖的多层异构蜂窝网络。然而,异构蜂窝网络中小基站的大量引入也增加了通信网络的能量消耗。面对复杂的多层异构蜂窝网络,如何对其建模并对网络性能进行分析、如何进行网络的节能以实现绿色通信,这是现在移动通信领域重要的研究课题之一。  本文针对异构蜂窝网络的节能问题,分析了基站休眠技术的可行性,总结了现有的宏蜂窝网络和异构蜂窝网络中的基站休眠方法。基于随机几何理论,对异构蜂窝网络进行建模,推导了网络性能的数学表达式,并分别提出了基于数据业务量的微微基站休眠方法和基于系统中断概率的宏基站休眠机制。本文主要的研究内容如下:  (1)提出了一种基于用户数据业务量的两层异构蜂窝网络微微基站休眠方法。该方法将异构蜂窝网络建模为均匀泊松点过程,并根据微微基站覆盖范围内的负载情况,决定基站的工作状态。构建了基站能耗模型,并对小区内用户平均速率以及小区边缘用户性能进行分析,在考虑系统能耗最小的同时也要保证网络性能要求。仿真表明,提出的方法在满足系统的性能要求的同时,降低了网络的能耗,提高了能量效率。  (2)采取了一种基于用户数的基站休眠方法并对两层异构蜂窝网络性能进行了分析。构建了一个基于泊松点过程的网络模型,推导了用户与各层的基站建立通信的概率,给出了异构蜂窝网络平均容量的表达式,根据基站覆盖范围内的实时用户数决定基站是否休眠,并就基站部署密度和用户分布密度对网络性能产生的影响进行了分析。仿真表明,基于用户数的基站休眠方法使得系统的能效有了较大的提高。  (3)提出了一种基于系统中断概率的三层异构蜂窝网络宏基站休眠机制。采用泊松点过程对三层异构蜂窝网络建模并推导了系统的中断概率,在用户发射功率和系统中断概率的限制下,构建了系统能耗优化问题,获得了网络的最佳节能增益,并对两层异构蜂窝网络和三层异构蜂窝网络的系统节能增益进行比较。仿真表明,该基站休眠机制在保证中断概率要求的前提下,提高了网络的节能增益。
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