论文部分内容阅读
蜂窝异构网络（HeterogeneousNetwork，HetNets）提供了一种更灵活，更有针对性的和更经济的新型网络结构，以满足不断增长的业务需求。为提高网络频谱效率，通过优化用户与基站的之间的接入可以实现各个级别的基站（BaseStation，BS）之间的负载均衡。为提高网络能源效率，合理地控制基站的状态（开/关）以及其部署密度可以显著地避免不必要的基站功率消耗。然而现阶段的研究没有考虑以下实际情况：
1)大部分现有研究通常假设基站始终处于忙碌状态，即一直向其所连接用户传输数据包。这些研究因此都刻画了一种最差情况下的网络性能指标。实际上，每个基站根据自身队列状态，既可能处于忙碌状态也可能处于空闲状态。因此，诸如数据包传输时延等网络性能指标应当获得更广泛的关注。
2)在基站持续传输的假设下，网络功耗仅与基站部署数量相关，且随着其数量线性增加。在实际情况中，由于基站处于空闲状态的功耗远远低于其处于忙碌状态的功耗，调整网络设计参数，例如带宽分配以及基站部署密度，可以显著地改变基站空闲（忙碌）状态，进而改善网络总能源效率。
3)大部分优化用户接入的现阶段研究通常专注于用户均匀分布的情况。实际上，用户可能在某个热点区域由于形成用户簇，因此这些用户会呈现非均匀分布的状态。在这些情况下，传统的每级式（Per-Tier）用户接入优化方案会在负载过高区域造成较差的用户体验。相反，每站式（Per-Station）用户接入优化方案则更加适合非均匀用户分布的情况。
为解决上述存在的实际问题，本论文在考虑队列和非均匀用户分布的实际情况下，提高了网络的频谱效率和能源效率。主要工作和创新如下：
1)基于耦合队列的时延最优蜂窝异构网络用户偏置接入方案。通过使用稀疏点泊松过程（thinnedPoissonpointprocess）模型刻画了处于忙碌状态的基站位置，推导出了每个级别基站的平均流量强度的表达式。在此基础上，构造了一个通过调节每个级别的偏置因子来最小化网络平均排队时延下限的优化问题，并证明该问题是凸优化问题。仿真结果显示通过合理地调节偏置因子，网络平均排队时延可以得到显著的降低。研究进一步发现网络平均排队时延的改善可能会降低网络信干比（SignaltoInterferenceRatio，SIR），带来实时流量性能和非实时流量性能的折中。
2)基于耦合队列的蜂窝异构网络最优带宽分配。通过队列分析，分别构造了通过调节每个级别基站所分配的带宽，来最小化网络平均功耗以及最大化网络SIR覆盖率的优化问题，并证明其关于带宽分配呈凸优化问题。通过简化基站平均流量强度表达式，得到了以上两个优化问题的显式解。仿真结果显示，合理的调节每个级别基站的带宽可以显著地降低网络平均功耗以及提高SIR覆盖率。
3)基于耦合队列的蜂窝异构网络基站密度优化。在之前的队列分析基础上，通过简化假设每个级别的基站的SIR覆盖率近似相等，得到了每个级别基站的流量强度的累积分布函数（CumulativeDistributionFunction，CDF）。在此基础上，研究了如何调节微型基站的激活率，在满足网络平均排队时延和网络SIR覆盖率的用户服务质量（QualityofSerive，QoS）的基础上降低网络平均功耗。仿真结果显示若微基站（microBaseStation）的空闲状态功耗系数低于某个阈值，最佳激活率可以通过最小化网络平均功耗来得到。反之，最佳激活率应当根据用户服务质量来调节。研究进一步发现，在考虑队列的情况下，全局频率复用（UniversalFrequencyReuse，UFR）策略在能源效率和频谱效率方面都优于频谱划分（SpectrumPartitioning，SP）策略。
4)基于非均匀用户分布的蜂窝异构网络最佳偏置接入方案。考虑小区因用户簇而负载过高的的实际情况。通过最大化高负载小区及其相邻小区区域内的用户效用值（Utility），得到了过载基站的最佳偏置因子。研究发现当过载小区完全处于宏小区（MacroCell）中时，该过载基站的最佳偏置因子随着簇用户的强度增强按照对数曲线的趋势降低。仿真结果显示通过合理地调节过载基站的偏置因子，高负载小区和整个网络的平均用户速率都能得到显著的提升。
1)大部分现有研究通常假设基站始终处于忙碌状态，即一直向其所连接用户传输数据包。这些研究因此都刻画了一种最差情况下的网络性能指标。实际上，每个基站根据自身队列状态，既可能处于忙碌状态也可能处于空闲状态。因此，诸如数据包传输时延等网络性能指标应当获得更广泛的关注。
2)在基站持续传输的假设下，网络功耗仅与基站部署数量相关，且随着其数量线性增加。在实际情况中，由于基站处于空闲状态的功耗远远低于其处于忙碌状态的功耗，调整网络设计参数，例如带宽分配以及基站部署密度，可以显著地改变基站空闲（忙碌）状态，进而改善网络总能源效率。
3)大部分优化用户接入的现阶段研究通常专注于用户均匀分布的情况。实际上，用户可能在某个热点区域由于形成用户簇，因此这些用户会呈现非均匀分布的状态。在这些情况下，传统的每级式（Per-Tier）用户接入优化方案会在负载过高区域造成较差的用户体验。相反，每站式（Per-Station）用户接入优化方案则更加适合非均匀用户分布的情况。
为解决上述存在的实际问题，本论文在考虑队列和非均匀用户分布的实际情况下，提高了网络的频谱效率和能源效率。主要工作和创新如下：
1)基于耦合队列的时延最优蜂窝异构网络用户偏置接入方案。通过使用稀疏点泊松过程（thinnedPoissonpointprocess）模型刻画了处于忙碌状态的基站位置，推导出了每个级别基站的平均流量强度的表达式。在此基础上，构造了一个通过调节每个级别的偏置因子来最小化网络平均排队时延下限的优化问题，并证明该问题是凸优化问题。仿真结果显示通过合理地调节偏置因子，网络平均排队时延可以得到显著的降低。研究进一步发现网络平均排队时延的改善可能会降低网络信干比（SignaltoInterferenceRatio，SIR），带来实时流量性能和非实时流量性能的折中。
2)基于耦合队列的蜂窝异构网络最优带宽分配。通过队列分析，分别构造了通过调节每个级别基站所分配的带宽，来最小化网络平均功耗以及最大化网络SIR覆盖率的优化问题，并证明其关于带宽分配呈凸优化问题。通过简化基站平均流量强度表达式，得到了以上两个优化问题的显式解。仿真结果显示，合理的调节每个级别基站的带宽可以显著地降低网络平均功耗以及提高SIR覆盖率。
3)基于耦合队列的蜂窝异构网络基站密度优化。在之前的队列分析基础上，通过简化假设每个级别的基站的SIR覆盖率近似相等，得到了每个级别基站的流量强度的累积分布函数（CumulativeDistributionFunction，CDF）。在此基础上，研究了如何调节微型基站的激活率，在满足网络平均排队时延和网络SIR覆盖率的用户服务质量（QualityofSerive，QoS）的基础上降低网络平均功耗。仿真结果显示若微基站（microBaseStation）的空闲状态功耗系数低于某个阈值，最佳激活率可以通过最小化网络平均功耗来得到。反之，最佳激活率应当根据用户服务质量来调节。研究进一步发现，在考虑队列的情况下，全局频率复用（UniversalFrequencyReuse，UFR）策略在能源效率和频谱效率方面都优于频谱划分（SpectrumPartitioning，SP）策略。
4)基于非均匀用户分布的蜂窝异构网络最佳偏置接入方案。考虑小区因用户簇而负载过高的的实际情况。通过最大化高负载小区及其相邻小区区域内的用户效用值（Utility），得到了过载基站的最佳偏置因子。研究发现当过载小区完全处于宏小区（MacroCell）中时，该过载基站的最佳偏置因子随着簇用户的强度增强按照对数曲线的趋势降低。仿真结果显示通过合理地调节过载基站的偏置因子，高负载小区和整个网络的平均用户速率都能得到显著的提升。