超密度移动蜂窝网络能量效率优化理论与技术研究

With the explosive increase of mobile internet services, super-dense mobile cellular networks become the development tendency of future cellular networks. And with the exponential increase of data traffic, reducing energy consumption per unit of traffic will be challenging for future super-dense mobile cellular networks. In the super-dense mobile cellular networks, the densities of base stations and users will be increased significantly, and the density of base stations can be even higher than that of users. According to the property of super-dense mobile cellular networks, we plan to explore the mechanism and methodology for optimizing the network energy efficiency from the system and network perspective, and investigate the mechanism and algorithm for network resource allocation with optimal energy efficiency from the user perspective, which will provide theoretical foundation for the resource allocation and management of the future super-dense mobile cellular networks. Firstly, we try to theoretically analyze the energy efficiency of the super-dense mobile cellular networks and reveal the impacts of network parameters on the energy efficiency based on the random spatial model, which is derived from the stochastic geometry. Secondly, we will formulate the resource allocation problems in super-dense mobile cellular networks into mathematical models based on optimization theory, and design the energy-efficient resource allocation algorithms. Finally, we will design and develop the system-level simulation platform based on wrap around method, and evaluate the theoretical analysis results and the designed resource allocation algorithms.

移动互联网业务的爆炸式增长使得超密度移动蜂窝网络成为未来蜂窝网络的发展趋势，而网络流量的指数级增长导致降低单位流量的能量消耗成为未来超密度移动蜂窝网络必将面临的挑战。在超密度移动蜂窝网络中，基站和用户的密度相比现有蜂窝网络会极大提高，基站的密度甚至会超过用户的密度。针对超密度移动蜂窝网络节点密度极高的特点，本项目拟从系统和网络的角度探索网络能量效率优化的机理与方法，从用户的角度探索网络能量效率最优的资源分配机制与算法，为未来超密度移动蜂窝网络的资源分配与管理提供理论基础和依据。首先，本项目将基于随机几何理论建立超密度移动蜂窝网络随机空间模型，分析网络能量效率，揭示网络参数对能量效率的影响。其次，基于优化理论对超密度移动蜂窝网络中的资源分配问题进行数学建模，设计基于能量效率的资源分配算法。最后，基于环绕式处理技术设计开发系统级仿真平台，对理论分析结果以及设计的资源分配算法进行验证。

提高网络密度是蜂窝网络的发展趋势，也是实现5G网络容量要求的有效手段。网络流量的指数级增长导致降低单位流量的能量消耗成为未来超密度移动蜂窝网络必将面临的挑战。在超密度移动蜂窝网络中，基站和用户的密度相比现有蜂窝网络会极大提高，基站的密度甚至会超过用户的密度。从而使得基站离用户越来越近，用户得到更好的服务，有效提高网络的频谱效率和能量效率。.超密度蜂窝网络不可避免要使用毫米波频段以提高网络可使用带宽。毫米波的连续大带宽可满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，但是其覆盖能力较弱，难以实现全网覆盖。因此毫米波需要与Sub-6GHz中低频段联合组网，以高频和低频相互补充的方式来满足网络连续覆盖的需求。我们考虑Sub-6GHz和毫米波共存的超密度蜂窝网络，针对典型区域和一般区域分别进行网络建模和性能分析。我们还考虑了双频异构蜂窝网络中的上下行解耦连接策略。结果表明毫米波微基站的密集部署带来的性能增益优于Sub-6GHz微基站，且解耦连接策略有助于提高超密度双频异构蜂窝网络的性能。.在蜂窝网络中，很多优化能量效率的工作都是在理想信道信息下进行分析的。然而，由于信道的时变性、信道的反馈延时和信道的估计误差，理想信道信息很难获得。为此，我们在非理想信道信息状态下，以网络能量效率为优化目标，提出了OFDMA 网络中一种资源块调度和功率控制联合方案，并将该问题建模为一个混合概率的分数规划问题，然后将概率约束放到目标函数中进行考虑，并引入一些新变量，将该问题转化成一个D.C.规划问题，最后给出了KKT解。我们还研究了蜂窝网络中D2D用户和蜂窝用户共享资源的问题。在我们研究的问题中，M个D2D用户对同时使用某个蜂窝用户的时频资源块，以达到提高频谱效率的目的。我们在用户最大发射功率限制的条件下设置了用户最低的通信速率。该问题是一个分数规划问题。我们分别给出了最优解和次优解。