分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)理論性能研究和優(yōu)化設(shè)計

賈詩煒+閆實+彭木根

【摘要】分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)（HetNet）能顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)容量，擴展無線覆蓋范圍和節(jié)省基站能耗，已經(jīng)成為后4G和5G的熱門技術(shù)，但其網(wǎng)絡(luò)理論性能以及如何優(yōu)化設(shè)計逼近理論性能一直是業(yè)界研究的難點和熱點問題。針對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點服從泊松點分布的特性，給出了分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在專門接入和共享接入策略下的網(wǎng)絡(luò)理論性能，如成功接入概率、平均面積頻譜效率、能量效率等，并仿真評估了影響理論性能的關(guān)鍵因素，探討了優(yōu)化分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)性能的各種方法。

【關(guān)鍵詞】分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)專門接入共享接入

中圖分類號：TN929.5文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-09-0017-06

1 引言

隨著全球移動用戶數(shù)量的增加及用戶對服務(wù)質(zhì)量要求的提高，未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)正面臨巨大挑戰(zhàn)。為滿足飛速增長的數(shù)據(jù)速率需求，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界都提出了分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)（HetNet）以提高網(wǎng)絡(luò)性能，擴展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，以及節(jié)約發(fā)射功率等。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)采用宏蜂窩、遠端無線頭（RRH）及低功率節(jié)點（如微微小區(qū)（Picocell）、家庭基站（Femtocell）、中繼等）進行重疊分層組網(wǎng)，縮短了基站與終端用戶間的距離，使無線鏈路的頻譜效率與質(zhì)量得到顯著提升[1]。在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)理想化的六邊形蜂窩小區(qū)模型不再適用，基站分布更加隨機和無規(guī)律，不同基站的發(fā)射功率各異，布站位置靈活，使得從概率統(tǒng)計角度來看，基站節(jié)點分布服從泊松點分布，其相應(yīng)的多節(jié)點聯(lián)合組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能未知；同時，由于數(shù)學(xué)分析的復(fù)雜性，要得到相應(yīng)的閉式解非常困難。

本文針對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)基站泊松點分布特征，總結(jié)了多層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的理論閉式解，在成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率、能量效率等方面進行了分析和對比，并針對性能仿真結(jié)果給出了未來的研究方向及方案建議。

2 系統(tǒng)模型

在3GPP TR 36.814協(xié)議中[2]，詳細(xì)描述了分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)是指由接入技術(shù)不同、容量和約束條件不同、功能不同的一些基礎(chǔ)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)[3]，這些節(jié)點相當(dāng)于在傳統(tǒng)的宏蜂窩基站的覆蓋范圍內(nèi)，引入了非蜂窩的通信節(jié)點，以加強特定區(qū)域的覆蓋，形成多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)及干擾場景示意圖

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點包含宏蜂窩、RRH、Picocell、Femtocell和中繼等。這些節(jié)點中大部分是由通信運營商來部署的，家庭基站則由用戶自行購買安裝。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的部署可以提高特定區(qū)域的覆蓋質(zhì)量、改善邊緣用戶性能、減輕宏蜂窩負(fù)載。另外，采用這樣的部署方式還可以在有效降低網(wǎng)絡(luò)開銷的同時減少能量消耗，降低運營商網(wǎng)絡(luò)部署成本[4]

表1顯示了不同節(jié)點的特性。

2.1網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮如下分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)：無線網(wǎng)絡(luò)的第一層由宏基站（MBS）組成，宏基站在二維歐式空間中服從密度為λm的齊次泊松點分布（PPP），表示為集合Φm。宏基站用戶建模為一個獨立的密度為λu的PPP分布Φu，每個MBS有固定傳輸功率Pm。第二層由一系列隨機分布的家庭基站（FAP）組成。FAP基站服從一個獨立密度為λf的PPP分布Φf，F(xiàn)AP用戶建模為一個獨立的密度為λd的PPP分布Φd，每個FAP有固定傳輸功率Pf 。假設(shè)兩層共用同一頻段。

圖2為在基站位置服從齊次泊松點分布時，MBS及FAP的分布情況示意圖。其中紅色菱形表示FAP的位置，黑色星型表示MBS的位置，F(xiàn)AP密度為MBS密度的16倍。

圖2分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)基站分布示意圖

2.2信干噪比（SINR）

為標(biāo)記方便，假設(shè)用戶在原點，用基站的坐標(biāo)位置標(biāo)記基站。網(wǎng)絡(luò)中所有基站的集合記為，對于基站x，在其到位于原點的典型用戶u的下行鏈路中，用戶經(jīng)歷的信干噪比為：

SINR （1）

其中，為所有干擾基站的集合，這一干擾來源于多個基站使用相同頻帶在共同的區(qū)域中發(fā)送信號時，接收系統(tǒng)無法在相同的頻帶上進行識別，這是分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中面臨的最主要問題；Px、Py分別為服務(wù)基站和干擾基站的發(fā)射功率，hx、hy分別為服務(wù)基站和干擾基站到用戶u的因小尺度衰落造成的信道功率增益。σ2為加性高斯白噪聲功率，α為路徑損耗系數(shù)?？紤]干擾受限的情況時，噪聲可被忽略，亦即當(dāng)考慮大規(guī)模分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的時候，干擾是最主要的影響因素[5]。

2.3接入控制機制

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，本文考慮兩種接入系統(tǒng)：

（1）專門接入系統(tǒng)（CSG），此系統(tǒng)中MBS和FAP的用戶只允許接入固定層中，即MBS、FAP用戶只能允許接入距其最近的MBS基站或者FAP基站。（2）共享接入系統(tǒng)（OSG），此系統(tǒng)中MBS和FAP的用戶都可接入任意層中，即用戶可以根據(jù)來自MBS和FAP基站的信號強度接入最佳基站，如圖3所示：

圖3共享接入模式切換策略示意圖

由于用戶期望接入最強的信號強度基站，而信號強度主要由大尺度衰落和發(fā)射功率決定，故綜合考慮距離及基站發(fā)射功率的因素，有以下切換策略[6]：

◆當(dāng)κ||M-u||≤||F-u||時，用戶接入MBSs；

◆當(dāng)κ||M-u||＞||F-u||時，用戶接入FAP。

其中|| ||為用戶到基站距離，0≤κ≤1為一個常數(shù)。兩基站發(fā)射功率Pf

3 理論性能分析

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)決定著其發(fā)展和推廣應(yīng)用，因此對其各項理論性能指標(biāo)進行分析非常關(guān)鍵，給出不同性能指標(biāo)的理論閉式解是研究的核心。

3.1成功接入概率

成功接入概率是分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)獲取信息有效性及完整性的典型性能指標(biāo)，常用來表征服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）。對網(wǎng)絡(luò)成功接入概率的深入研究有助于分析不同參數(shù)對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

利用上文中信干噪比的結(jié)論，定義從基站x到用戶

u的成功概率（Success Probability）為P(SINR(x→u)>γ)，

其中γ為用戶服務(wù)門限值。由于點過程的穩(wěn)定性，在每層網(wǎng)絡(luò)中，任意一對用戶與基站的成功概率是相同的。本文分別研究在專門接入系統(tǒng)及共享接入系統(tǒng)下的成功概率。其中在專門接入系統(tǒng)下，MBS用戶成功概率記為Pm,c，F(xiàn)AP用戶成功概率記為Pf,c，其可以表示為[7]：

（2）

（3）

其中，，，

，λf、λm分別為FAP、MBS基站的密度，Pf、Pm分別為FAP、MBS基站的發(fā)射功率，γf、γm分別為FAP、MBS用戶的服務(wù)門限值，α為路徑損耗系數(shù)。

在共享接入系統(tǒng)中，原本連接在MBS的用戶切換接入到FAP的概率為：

（4）

則MBS用戶的成功接入概率為：

（5）

圖4、5為針對專門接入及共享接入策略下的成功接入概率的仿真。

3.2平均傳輸速率

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率從2G網(wǎng)絡(luò)中每秒幾千比特，已經(jīng)提高到4G網(wǎng)絡(luò)中的每秒幾千兆比特。通常，運營商需要了解當(dāng)用戶被小區(qū)覆蓋時，其可為用戶提供的平均數(shù)據(jù)速率。本文著重研究一個典型用戶在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的平均數(shù)據(jù)傳輸速率（Average Data Rate）。平均數(shù)據(jù)傳輸速率的基本定義為：

R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數(shù)據(jù)傳輸速率也有所區(qū)別。其中在專門接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網(wǎng)絡(luò)容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)還是對于地方、個人的局域網(wǎng)絡(luò)，平均面積頻譜效率都是一個至關(guān)重要的性能指標(biāo)，并且已在眾多主流無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中被探討多年。平均面積頻譜效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)帶寬對信道容量進行的標(biāo)準(zhǔn)化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設(shè)|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜效率的主要因素是成功接入概率和基站密度，其中成功接入概率又和用戶接入策略相關(guān)。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數(shù)據(jù)速率的提高和持續(xù)增長的無線用戶數(shù)量直接導(dǎo)致無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗的提高。而在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，密集而又隨機的微小區(qū)的部署及小區(qū)間的非協(xié)作運行引入了在這種多層網(wǎng)絡(luò)中的能量效率問題。目前，無線接入網(wǎng)能耗通常占總功率的70%左右，移動網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量以指數(shù)級增長，相關(guān)的花銷也隨之不斷增加，然而網(wǎng)絡(luò)能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續(xù)發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當(dāng)下就顯得至關(guān)重要。在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，能量效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)功耗對信道容量的標(biāo)準(zhǔn)化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發(fā)射功率。

4 仿真結(jié)果與優(yōu)化建議

為驗證對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)理論性能研究的正確性，分別就分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標(biāo)進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數(shù)值仿真。具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：路徑損耗系數(shù)：α=4，MBS發(fā)射功率：Pm=43dBm，F(xiàn)AP發(fā)射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統(tǒng)性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，F(xiàn)AP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，F(xiàn)AP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結(jié)果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標(biāo)仿真對比。圖10是對系統(tǒng)總能量效率的仿真，可以看出系統(tǒng)的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統(tǒng)總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結(jié)果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo)值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構(gòu)無線網(wǎng)的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統(tǒng)的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰(zhàn)和建議

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)規(guī)則六邊形蜂窩小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)性能不如理想的六邊形結(jié)構(gòu)但更貼近實際組網(wǎng)。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在提高網(wǎng)絡(luò)性能同時，也引入了一系列問題及技術(shù)挑戰(zhàn)，包括交叉層干擾、網(wǎng)絡(luò)自組織、低功率節(jié)點回程鏈路設(shè)計、低功率節(jié)點與宏基站間的選擇和重選、低功率節(jié)點部署下的能效優(yōu)化等。

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的宏小區(qū)內(nèi)部署著大量低功率小區(qū)，因而用戶選擇接入哪種小區(qū)、小區(qū)移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區(qū)則成為了關(guān)鍵問題。宏基站與低功率節(jié)點的功率有差異，按傳統(tǒng)宏蜂窩切換準(zhǔn)則，大多數(shù)用戶會接入到大功率的宏小區(qū)，從而分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，故需提出先進的用戶接入和小區(qū)重選機制。

由于分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中部署了大量低功率節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)耗電量很大，加之一些節(jié)點的部署并不一定合理，所以網(wǎng)絡(luò)能效問題也需要更多關(guān)注。在某些特定時間點中，若用戶數(shù)目減少，則可以降低或者關(guān)閉某些低功率節(jié)點，或切換用戶至周圍節(jié)點從而關(guān)閉某節(jié)點，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的條件下盡量節(jié)約能源。因此，分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點自動睡眠和喚醒技術(shù)非常關(guān)鍵，也是未來發(fā)展亟需解決的核心技術(shù)之一。

參考文獻：

[1] Peng Mugen, Wang Wenbo. Technologies and standards for TD-SCDMA evolutions to IMT-Advanced[J]. IEEE Communications Magazines, 2009,47(12): 50-58.

[2] 3GPP TR 36.814 V9.0.0. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)[S]. 2010.

[3] Lopez-Perez D, Guvenc I, De la Roche G, et al. Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2011,18(6).

[4] Peng Mugen, Liu Yang, Wei Dongyan, et al. Hierarchical cooperative relay based heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2011,18(3): 48-56.

[5] Harpreet S Dhillon, Radha Krishna Ganti, Francois Baccelli, et al. Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 550-560.

[6] Wang Chi Cheung, Tony Q S Quek, MariosKountouris. Throughput Optimization, Spectrum Allocation and Access Control in Two-Tier Femtocell Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 561-574.

[7] Wang Chi Cheung, Quek T Q S,?Kountouris M. Access control and cell association in two-tier Femtocell networks[A]. Wireless Communications and Networking Conference(WCNC) 2012 IEEE[C]. 2012: 893-897.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能研究。

彭木根：北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信理論、無線網(wǎng)絡(luò)編碼、無線網(wǎng)絡(luò)自組織、云無線接入網(wǎng)絡(luò)信息理論和關(guān)鍵技術(shù)等的研發(fā)工作。主持完成了國家自然科學(xué)基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學(xué)會和北京市多項科技成果獎勵，發(fā)表SCI論文30余篇，榮獲國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎3次，授權(quán)技術(shù)發(fā)明專利40余項，技術(shù)發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓給企業(yè)近30項。

endprint

R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數(shù)據(jù)傳輸速率也有所區(qū)別。其中在專門接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網(wǎng)絡(luò)容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)還是對于地方、個人的局域網(wǎng)絡(luò)，平均面積頻譜效率都是一個至關(guān)重要的性能指標(biāo)，并且已在眾多主流無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中被探討多年。平均面積頻譜效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)帶寬對信道容量進行的標(biāo)準(zhǔn)化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設(shè)|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜效率的主要因素是成功接入概率和基站密度，其中成功接入概率又和用戶接入策略相關(guān)。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數(shù)據(jù)速率的提高和持續(xù)增長的無線用戶數(shù)量直接導(dǎo)致無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗的提高。而在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，密集而又隨機的微小區(qū)的部署及小區(qū)間的非協(xié)作運行引入了在這種多層網(wǎng)絡(luò)中的能量效率問題。目前，無線接入網(wǎng)能耗通常占總功率的70%左右，移動網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量以指數(shù)級增長，相關(guān)的花銷也隨之不斷增加，然而網(wǎng)絡(luò)能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續(xù)發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當(dāng)下就顯得至關(guān)重要。在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，能量效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)功耗對信道容量的標(biāo)準(zhǔn)化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發(fā)射功率。

4 仿真結(jié)果與優(yōu)化建議

為驗證對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)理論性能研究的正確性，分別就分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標(biāo)進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數(shù)值仿真。具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：路徑損耗系數(shù)：α=4，MBS發(fā)射功率：Pm=43dBm，F(xiàn)AP發(fā)射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統(tǒng)性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，F(xiàn)AP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，F(xiàn)AP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結(jié)果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標(biāo)仿真對比。圖10是對系統(tǒng)總能量效率的仿真，可以看出系統(tǒng)的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統(tǒng)總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結(jié)果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo)值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構(gòu)無線網(wǎng)的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統(tǒng)的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰(zhàn)和建議

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)規(guī)則六邊形蜂窩小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)性能不如理想的六邊形結(jié)構(gòu)但更貼近實際組網(wǎng)。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在提高網(wǎng)絡(luò)性能同時，也引入了一系列問題及技術(shù)挑戰(zhàn)，包括交叉層干擾、網(wǎng)絡(luò)自組織、低功率節(jié)點回程鏈路設(shè)計、低功率節(jié)點與宏基站間的選擇和重選、低功率節(jié)點部署下的能效優(yōu)化等。

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的宏小區(qū)內(nèi)部署著大量低功率小區(qū)，因而用戶選擇接入哪種小區(qū)、小區(qū)移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區(qū)則成為了關(guān)鍵問題。宏基站與低功率節(jié)點的功率有差異，按傳統(tǒng)宏蜂窩切換準(zhǔn)則，大多數(shù)用戶會接入到大功率的宏小區(qū)，從而分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，故需提出先進的用戶接入和小區(qū)重選機制。

由于分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中部署了大量低功率節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)耗電量很大，加之一些節(jié)點的部署并不一定合理，所以網(wǎng)絡(luò)能效問題也需要更多關(guān)注。在某些特定時間點中，若用戶數(shù)目減少，則可以降低或者關(guān)閉某些低功率節(jié)點，或切換用戶至周圍節(jié)點從而關(guān)閉某節(jié)點，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的條件下盡量節(jié)約能源。因此，分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點自動睡眠和喚醒技術(shù)非常關(guān)鍵，也是未來發(fā)展亟需解決的核心技術(shù)之一。

參考文獻：

[1] Peng Mugen, Wang Wenbo. Technologies and standards for TD-SCDMA evolutions to IMT-Advanced[J]. IEEE Communications Magazines, 2009,47(12): 50-58.

[2] 3GPP TR 36.814 V9.0.0. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)[S]. 2010.

[3] Lopez-Perez D, Guvenc I, De la Roche G, et al. Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2011,18(6).

[4] Peng Mugen, Liu Yang, Wei Dongyan, et al. Hierarchical cooperative relay based heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2011,18(3): 48-56.

[5] Harpreet S Dhillon, Radha Krishna Ganti, Francois Baccelli, et al. Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 550-560.

[6] Wang Chi Cheung, Tony Q S Quek, MariosKountouris. Throughput Optimization, Spectrum Allocation and Access Control in Two-Tier Femtocell Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 561-574.

[7] Wang Chi Cheung, Quek T Q S,?Kountouris M. Access control and cell association in two-tier Femtocell networks[A]. Wireless Communications and Networking Conference(WCNC) 2012 IEEE[C]. 2012: 893-897.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能研究。

彭木根：北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信理論、無線網(wǎng)絡(luò)編碼、無線網(wǎng)絡(luò)自組織、云無線接入網(wǎng)絡(luò)信息理論和關(guān)鍵技術(shù)等的研發(fā)工作。主持完成了國家自然科學(xué)基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學(xué)會和北京市多項科技成果獎勵，發(fā)表SCI論文30余篇，榮獲國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎3次，授權(quán)技術(shù)發(fā)明專利40余項，技術(shù)發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓給企業(yè)近30項。

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R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數(shù)據(jù)傳輸速率也有所區(qū)別。其中在專門接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網(wǎng)絡(luò)容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)還是對于地方、個人的局域網(wǎng)絡(luò)，平均面積頻譜效率都是一個至關(guān)重要的性能指標(biāo)，并且已在眾多主流無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中被探討多年。平均面積頻譜效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)帶寬對信道容量進行的標(biāo)準(zhǔn)化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設(shè)|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜效率的主要因素是成功接入概率和基站密度，其中成功接入概率又和用戶接入策略相關(guān)。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數(shù)據(jù)速率的提高和持續(xù)增長的無線用戶數(shù)量直接導(dǎo)致無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)能耗的提高。而在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，密集而又隨機的微小區(qū)的部署及小區(qū)間的非協(xié)作運行引入了在這種多層網(wǎng)絡(luò)中的能量效率問題。目前，無線接入網(wǎng)能耗通常占總功率的70%左右，移動網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量以指數(shù)級增長，相關(guān)的花銷也隨之不斷增加，然而網(wǎng)絡(luò)能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續(xù)發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當(dāng)下就顯得至關(guān)重要。在分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，能量效率相當(dāng)于利用系統(tǒng)功耗對信道容量的標(biāo)準(zhǔn)化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發(fā)射功率。

4 仿真結(jié)果與優(yōu)化建議

為驗證對分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)理論性能研究的正確性，分別就分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標(biāo)進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數(shù)值仿真。具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：路徑損耗系數(shù)：α=4，MBS發(fā)射功率：Pm=43dBm，F(xiàn)AP發(fā)射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統(tǒng)性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，F(xiàn)AP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，F(xiàn)AP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結(jié)果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標(biāo)仿真對比。圖10是對系統(tǒng)總能量效率的仿真，可以看出系統(tǒng)的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統(tǒng)總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結(jié)果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo)值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構(gòu)無線網(wǎng)的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統(tǒng)的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰(zhàn)和建議

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)規(guī)則六邊形蜂窩小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)性能不如理想的六邊形結(jié)構(gòu)但更貼近實際組網(wǎng)。分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在提高網(wǎng)絡(luò)性能同時，也引入了一系列問題及技術(shù)挑戰(zhàn)，包括交叉層干擾、網(wǎng)絡(luò)自組織、低功率節(jié)點回程鏈路設(shè)計、低功率節(jié)點與宏基站間的選擇和重選、低功率節(jié)點部署下的能效優(yōu)化等。

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的宏小區(qū)內(nèi)部署著大量低功率小區(qū)，因而用戶選擇接入哪種小區(qū)、小區(qū)移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區(qū)則成為了關(guān)鍵問題。宏基站與低功率節(jié)點的功率有差異，按傳統(tǒng)宏蜂窩切換準(zhǔn)則，大多數(shù)用戶會接入到大功率的宏小區(qū)，從而分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，故需提出先進的用戶接入和小區(qū)重選機制。

由于分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中部署了大量低功率節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)耗電量很大，加之一些節(jié)點的部署并不一定合理，所以網(wǎng)絡(luò)能效問題也需要更多關(guān)注。在某些特定時間點中，若用戶數(shù)目減少，則可以降低或者關(guān)閉某些低功率節(jié)點，或切換用戶至周圍節(jié)點從而關(guān)閉某節(jié)點，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的條件下盡量節(jié)約能源。因此，分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點自動睡眠和喚醒技術(shù)非常關(guān)鍵，也是未來發(fā)展亟需解決的核心技術(shù)之一。

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[5] Harpreet S Dhillon, Radha Krishna Ganti, Francois Baccelli, et al. Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 550-560.

[6] Wang Chi Cheung, Tony Q S Quek, MariosKountouris. Throughput Optimization, Spectrum Allocation and Access Control in Two-Tier Femtocell Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012,30(3): 561-574.

[7] Wang Chi Cheung, Quek T Q S,?Kountouris M. Access control and cell association in two-tier Femtocell networks[A]. Wireless Communications and Networking Conference(WCNC) 2012 IEEE[C]. 2012: 893-897.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能研究。

彭木根：北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信理論、無線網(wǎng)絡(luò)編碼、無線網(wǎng)絡(luò)自組織、云無線接入網(wǎng)絡(luò)信息理論和關(guān)鍵技術(shù)等的研發(fā)工作。主持完成了國家自然科學(xué)基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學(xué)會和北京市多項科技成果獎勵，發(fā)表SCI論文30余篇，榮獲國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎3次，授權(quán)技術(shù)發(fā)明專利40余項，技術(shù)發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓給企業(yè)近30項。

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