控制/数据分离架构下多天线密集协作网络统计性能分析与优化

Ultra dense Network (UDN) means network densification through ultra dense lower power nodes (LPNs) deployments, is the most appealing approach to cope with the 1000x network capacity improvement for future wireless communication systems. The technique of multi-antenna can improve the spectral efficiency significantly. The flexibility of control/data separation architecture facilitates the cooperation between multi-antenna ultra dense LPN. Considering more practical topology models, different cooperative modes such as interference suppression and interference coordination, together with the performance match of control and data plane, this project will analyze and further optimize the statistical performances of UDN from the following aspects: 1) For the uniformly deployed UDN, we will model the networks as repulsive point processes. We will derive the expressions for the statistical performances of key performance metric to reveal the relationships between system performances and related parameters. Furthermore, the theoretical results will provide the foundations for the optimization of system parameters. 2) For the hot-spot deployed UDN, we will model the networks as point processes with attraction. We will also derive the expressions for the system statistical performances. 3) From the perspective of statistical performance optimization, we will jointly optimize the system parameters (i.e., the density of LPN, the number of antennas per site) to provide theoretical guidance for the deployment of future UDN. Our research results can be applied in the new generation wireless communication systems to improve the network capacity. In a word, our research has great theoretical and economic values.

密集网络是未来移动通信系统实现千倍容量增长的关键所在。多天线技术可显著提升无线通信的频谱效率。控制/数据分离架构的灵活性为大量多天线节点间高效协作提供了基础。本课题考虑更为实际的节点分布模型、干扰抑制和干扰协调的节点间协作模式以及控制面/数据面的性能匹配，对多天线密集网络展开统计性能分析与部署策略优化工作。1）考虑低功率节点均匀部署，建立具有排斥特性的随机拓扑模型，推导系统统计性能表达式，从理论上刻画其性能增益与系统参数间的关系并为进一步的系统统计性能优化提供依据；2）考虑低功率节点热点部署，建立具有集中特性的随机拓扑模型，推导系统统计性能表达式；3）以统计性能优化为目标，联合优化低功率节点密度、天线数等网络部署参数，为未来密集网络高效的部署策略提供重要理论指导。本课题研究成果可用于新一代无线通信系统，为解决未来无线网络容量大幅提升问题提供理论基础和技术支撑，具有重要的理论意义和经济价值。

密集网络是未来移动通信系统实现千倍容量增长的关键所在。多天线技术可显著提升无线通信的频谱效率。控制/数据分离架构为大量多天线节点间高效协作提供了基础。本课题考虑更为实际的节点分布模型和干扰抑制策略，对多天线密集网络展开统计性能分析与部署策略优化工作。本项目研究成果主要包括1）均匀部署多天线密集协作网络统计性能分析：考虑低功率节点均匀部署，基于随机几何的相关理论以及数学上的主要处理方法，建立了区域频谱效率与基站密度和天线数等参数间的函数关系，推导获得了区域频谱效率基本性质，从理论上验证了微站密集部署所带来的性能增益以及性能增益与系统参数间的关系；2）热点部署多天线密集协作网络统计性能分析：考虑低功率节点热点部署，基于随机几何理论簇过程的相关理论，考虑簇内以及层间协作干扰抑制，推导了系统区域频谱效率的一般性表达式和逼近表达式，分析了区域频谱效率与网络部署参数的关系：区域频谱效率随着成簇概率的增大而增大、随着成簇半径的增大而减小，基站端配置多天线可以显著提升区域频谱效率；存在最优的调度用户数以使得系统区域频谱效率达到最大；优化消除簇内干扰的自由度可使用户速率达到最大；3）多天线密集协作网络部署策略优化：提出了多天线超密集网络中统计性能最优的干扰协调策略，以及网络平均功耗和网络容量最优的基站密度、天线数、调度用户数等网络部署参数。研究成果将为未来密集网络高效的部署策略提供重要理论指导。.在本项目基金资助下已完成预期研究目标，取得了多项国内领先并进入国际先进水平的开创性的成果。该项目研究成果已应用于华为公司合作研究项目中，为5G及未来无线网络容量大幅提升问题提供理论基础和技术支撑，具有重要的理论意义和经济价值。在国内外核心杂志和国际会议发表32篇(14篇SCI检索、15篇EI检索和3篇CSCD检索)、录用6篇标注该基金资助的高水平论文，申请发明专利2项，培养毕业博士2名和毕业硕士5名。