基于随机几何理论的多层蜂窝无线网络干扰建模及管理机制研究

Multi-tier cellular wireless network (MCWN) is considered as the important form of the 5G communication systems. However, the intra-tier and inter-tier interference has become a key factor in restricting the performance of MCWNs. Moreover, the random geographic patterns of a large number of small bases result in that the traditional hexagonal grid model is not adapted. Thus, to explore a new modeling method is of great importance. Starting from the random forms of the spatial interferers in MCWNs, on the plot main line of interference modeling , interference analysis and performance evaluation, this project, based on stochastic geometry, aims to investigate on the random distributions of macro bases, small bases and terminal users, and then abstract the corresponding mathematic models. Combining node distributions, link statistics with communication strategies, interference analytical frameworks both downlink and uplink will be established in order to obtain the performance quantitative analysis formulations in MCWNs. Furthermore, three-pronged interference management mechanisms, including access control, interference coordination and cognition to small cells are analyzed respectively, and the closed-form expressions for performance metrics with those mechanisms in MCWNs can be derived, based on which the intrinsic relationship between the transmission capability and network parameters could be investigated. This project will establish the theoretical foundation for performance evaluation on the interference management mechanisms in MCWNs, and provide the rich and detailed theoretical support for network planning and optimization in 5G networks.

多层蜂窝无线网络架构被认为是5G通信系统未来发展的一种重要形式，然而，由于频率复用导致的同层与跨层干扰问题始终是制约其性能的关键因素。另外，随着大量小型基站地理位置上随机部施，使得传统六边形栅格模型已不再适用，因此寻求新的干扰建模方法至关重要。本项目从干扰源空间随机分布特性出发，以干扰建模、干扰分析、性能评估为主线，基于随机几何理论，研究宏基站、小型基站及用户终端的随机分布情况并将其建立为相应的数学模型。结合节点分布、链路特性及通信策略等因素构建上/下行干扰理论分析框架，获取定量分析多层蜂窝无线网络传输性能的方法。进一步从接入控制、干扰协调、认知技术入手，分析并推导三种干扰管理机制下网络传输性能指标，给出相应的闭合形式，最终揭示网络性能与网络参数之间的解析关系。本项目将为多层蜂窝无线网络架构中干扰管理机制的性能评估奠定理论基础，并为未来5G网络规划与优化提供丰富详实的理论支撑。

针对多层异构蜂窝网络节点布置的随机性、灵活性、复杂性等特点，导致层内干扰和层间干扰不容忽视的问题。同时针对现有的六边形栅格模型等建模方式过于依赖于复杂的系统级仿真的事实。本项目从空间节点的随机分布入手开展干扰管理方案的研究。首先结合小区偏置技术和功控策略，开展了对多层异构蜂窝网络上行干扰性能分析研究。Monte Carlo仿真验证了推导的准确性；理论分析结果同时表明：用户最大发射功率限制及截断功率门限带来了网络性能的折中分析。. 其次，考虑了多信道环境中小区负载的实际情况，构建了基于随机频率复用方案下多层异构蜂窝网络上行阻塞率及上行中断概率性能分析框架。研究结果表明，功率截断因子的选取在用户的中断性能分析中是一个重要的因素。并且随着频率复用因子的增加，系统的中断性能会缓慢升高，而系统的阻塞性能会急剧降低。. 再者，提出了一种新的适用于密集城市区域内的3-D异构蜂窝网络模型。推导了该模型下商业大楼区域内异构蜂窝网络的覆盖率，与2-D模型相比，提出的3-D模型更加精确和更易处理，并且能够更好的捕捉未来异构蜂窝网络日益机会化、密集化部署的趋势。. 最后，对多层异构蜂窝网络中的能效问题进行了研究。提出了一种新的休眠机制，研究表明该休眠机制对小基站网络的能效优化是非常有效的，基站最大连接数和速率限制在网络部署中需要同时综合考虑。针对双层偏置网络，提出了一种新的能效优化算法，仿真结果表明该算法的有效性。此外，作为对上述研究的补充，项目组也开展了无线中继技术、无线接入技术，资源分配方法等研究。. 上述研究结果为为多层蜂窝无线网络架构中干扰管理机制的性能评估奠定理论基础，并为未来5G网络规划与优化提供丰富详实的理论支撑。