高能谱效的随机部署蜂窝网络：建模、分析与优化方法研究

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2、论论论文文文高高高能能能谱谱谱效效效的的的随随随机机机部部部署署署蜂蜂蜂窝窝窝网网网络络络：：：建建建模模模、、、分分分析析析与与与优优优化化化方方方法法法研研研究究究作作作者者者姓姓姓名名名：：：赵国刚一一一级级级学学学科科科：：：信息与通信工程二二二级级级学学学科科科：：：通信与信息系统学学学位位位类类类别别别：：：工学博士指指指导导导教教教师师师姓姓姓名名名、、、职职职称称称：：：赵力强教授学学学院院院：：：通信工程学院提提提交交交日日日期期期：：：2018年4月Energy-Spectral-EfficientRand

3、omlyDeployedCellularNetworks：：：Modeling,AnalysisandOptimizationADissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCommunicationandTransportationEngineeringByZhaoGuogangSupervisor:ZhaoLiqiangTitle:ProfessorA

4、pril2018摘要摘要随着无线移动设备技术的飞速发展和移动互联网业务的广泛普及，高密度地部署无线接入点成为了提供无处不在的高速率用户接入和大幅度提高网络资源利用率的核心方法，因此未来无线接入点的部署数量一定是巨大的，大量的接入点部署会使网络的拓扑进一步随机化；同时用户的数量也会大大增加，从而形成了随机部署的蜂窝网络。由于各接入点之间距离大大降低，无线接入点之间的多种干扰会大大增加，干扰强度会更加复杂与多变。同时，大量用户自组织随机部署节点的开启和关闭，使得未来移动网络拓扑动态地大范围变化。各接入点中的服务用户数量比较少，使

5、得网络业务的空间和时间分布出现高动态随机变化。因此，需要研究匹配这些高随机性动态变化的网络部署策略。换句话讲，如何针对未来蜂窝网络高密度和高随机部署特点，通过高效的网络级部署方法，使网络能够快速高效地适应用户业务量大规模动态变化，依然是一个亟待研究的关键科学问题。本文详细地阐述：面向接入点随机部署和分布密度变化剧烈的蜂窝网络，通过合理地选择网络关键部署参数，实现面向未来移动网络的高能谱效目标。本文采用随机几何相关数学结论，对三种形式的随机部署蜂窝网络进行建模，采用凸优化数学工具分析最优解。相比于传统的正六边形网络模型，基于随

6、机几何数学理论的分析结果具有一般性，能够直接有效地指导5G随机部署蜂窝网络的高能谱效提升。同时，基于随机几何理论的网络建模更加贴近于密集部署的5G蜂窝网络中基站位置随机性特点。相比于基于随机几何的其他相关工作，本论文工作提出随机部署蜂窝网络概念，除了考虑基站分布的随机化，而且兼顾了大量用户分布的随机化，并将两者紧密地结合在一起，使用户和基站在本模型中实现了和实际通信场景的一致。本论文将能谱效率作为网络性能分析度量准则，假设基站的分布服从空间泊松点分布。针对三种典型的蜂窝网络形式，本文依次给出严格的网络能谱效数学模型，并分析了

7、网络能谱效与关键参数的耦合关系，最后得到了针对不同网络形式的最优网络部署策略，实现了用户业务质量约束下的网络能谱效最大化。具体地：1）建立了面向单层随机部署的蜂窝网络的能谱量效率模型，用精确的数学语言刻画出网络能谱效和基站部署密度之间的关系，并且阐述了网络业务量地理分布密度和速率对网络能谱效的影响。网络级性能评估模型为选择最优的基站部署策略奠定了严格的数学基础。找到了最优基站密度和网络关键部署参数之间的耦合关系。最后，建立了一个网络业务量感知的基站部署问题来优化网络能谱效，满足用户的中断概率基本要求。在不同的实际场景下，评估

8、了策略的资源降低增益。仿真结果确认了数学模型的精确性，验证了不同系统参数对网络能谱效的影响。结果表明，I西安电子科技大学博士学位论文以上方法在优化随机部署的蜂窝网络能谱效方面，大大优于其他相关工作。2）通过多点协同传输与基站部署的有效结合，实现了对密集随机部署蜂窝网络的能谱效联合优化。具体