基于三维非齐次点过程的非均匀异构网络性能分析与能效优化

The explosive growth of mobile data traffic and the communication quality of user requirements have brought a huge challenge for the cellular communication network. On the one hand, cellular network architecture is becoming more and more complex, which makes the traditional network model based on 2-D homogeneous Poisson point process not suitable for heterogeneous cellular networks due to its idealized assumptions. On the other hand, in order to satisfy the increasing traffic demand, network operators have deployed all kinds of base stations and supporting facilities, which result in the increase of the associated energy. Therefore, how to seek an accurate and easy to analyze network model and study the energy efficiency optimization based on this model is one of the most urgent problems in the current research field of heterogeneous cellular network. This project considers the non-uniform heterogeneous cellular network scenarios, employ 3-D non-homogeneous Poisson point process to analyze key performance metrics such as coverage probability, system capacity and expect to provide more tractable theoretical results, thereby theoretically understanding the impact of the network techniques and parameters on the network performance metrics; on this basis, studies the network energy efficiency optimization under user QoS constraints which jointly considers the base station deployment density, sleep mode operation, transmission power and spectrum allocation mechanism. This project is conducted to obtain advanced theories and techniques with guiding significance in the analysis and optimization of heterogeneous cellular networks.

移动数据业务的爆炸式增长以及用户对通信质量的要求使得蜂窝通信网络面临巨大挑战。一方面，蜂窝网络架构日趋复杂，使得传统网络模型因相关假设过于理想而无法适用于异构蜂窝网络。另一方面，为了满足急速增长的网络荷载需求，网络运营商大量引入各类基站及其相应配套设施，这直接导致了网络能耗的快速增长。因此，探寻一个准确且便于分析的网络模型并基于此模型进行能效优化研究是当前异构蜂窝网络亟待解决的问题之一。本项目考虑非均匀分布的异构蜂窝网络场景，利用三维非齐次泊松点过程理论分析网络覆盖、系统容量等性能指标，期望得出可分析度较高的理论结果，在理论上了解网络技术和参数对于网络性能的影响；在此基础上，联合考虑基站分布密度、休眠操作以及功率、频谱资源分配机制，探讨在满足用户QoS的前提下提升网络的能量效率。本项目旨在获得异构蜂窝网络分析与优化方面具有指导意义的先进理论和技术。

随着以移动互联网为代表的新一代移动通信技术的广泛应用，无线通信数据流量正呈现出爆炸式增长的态势。工信部的统计数据表明：2017年，我国的移动互联网总数据流量达246亿GB，比2016年增长162.7%，增速较上年提高38.7个百分点。近年来，随着5G移动通信技术的商用，移动互联网数据流量的增长更加迅猛。伴随着无线通信数据量的极速增长，无线频谱资源短缺的问题日益突出。根据国家无线电监测中心预测：依照现有频谱规划，到2025年，我国无线频谱的缺口将达到800MHz。受到无线频谱资源短缺的影响，传统蜂窝网络已无法满足用户日益增长的无线业务需求。因此，构建异构蜂窝网络，即在宏蜂窝中密集部署低功耗的小蜂窝基站，是5G以及未来6G网络提高网络接入能力和应对频谱短缺问题的必然选择。在异构网络中，小基站的布局一般是为了应对接入用户数量局部激增所造成的网络拥塞或受环境地形影响宏基站不能完全覆盖而产生的空洞问题。在此背景下，小基站的分布呈现出局部分布、非均匀分布的特点。因此，针对小基站非均匀分布的特点，构建异构网络中干扰分布的数学模型、性能分析方法以及相应的能效优化算法，成为未来异构蜂窝网络中迫切需要解决的问题。.本项目考虑三维非齐次泊松点过程建模的非均匀分布异构蜂窝网络场景，利用随机几何相关理论分析网络覆盖、系统容量等性能指标，得出了可分析性较高的理论结果，从理论上获得了网络技术和参数对于网络性能的影响。在此基础上，联合考虑基站分布密度、发射功率、休眠操作以及频谱分配机制，证明了能效最大化问题解的存在性，探讨了在满足用户QoS 前提下提升异构蜂窝网络系统能量效率的方法。本项目在异构蜂窝网络三维随机几何性能分析与能效优化方面提出了具有指导意义的先进理论和技术。