分层异构无线网络理论性能研究和优化设计

【摘要】分层异构无线网络（HetNet）能显著提高无线网络容量，扩展无线覆盖范围和节省基站能耗，已经成为后4G和5G的热门技术，但其网络理论性能以及如何优化设计逼近理论性能一直是业界研究的难点和热点问题。针对分层异构无线网络节点服从泊松点分布的特性，给出了分层异构网络在专门接入和共享接入策略下的网络理论性能，如成功接入概率、平均面积频谱效率、能量效率等，并仿真评估了影响理论性能的关键因素，探讨了优化分层异构无线网络性能的各种方法。

【关键词】分层异构无线网络专门接入共享接入

中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-09-0017-06

1 引言

随着全球移动用户数量的增加及用户对服务质量要求的提高，未来蜂窝网络正面临巨大挑战。为满足飞速增长的数据速率需求，产业界和学术界都提出了分层异构无线网络（HetNet）以提高网络性能，扩展无线网络的覆盖范围，以及节约发射功率等。分层异构无线网络采用宏蜂窝、远端无线头（RRH）及低功率节点（如微微小区（Picocell）、家庭基站（Femtocell）、中继等）进行重叠分层组网，缩短了基站与终端用户间的距离，使无线链路的频谱效率与质量得到显著提升[1]。在分层异构无线网络中，传统理想化的六边形蜂窝小区模型不再适用，基站分布更加随机和无规律，不同基站的发射功率各异，布站位置灵活，使得从概率统计角度来看，基站节点分布服从泊松点分布，其相应的多节点联合组网的网络性能未知；同时，由于数学分析的复杂性，要得到相应的闭式解非常困难。

本文针对分层异构无线网络基站泊松点分布特征，总结了多层异构无线网络的理论闭式解，在成功接入概率、平均传输速率、平均面积频谱效率、能量效率等方面进行了分析和对比，并针对性能仿真结果给出了未来的研究方向及方案建议。

2 系统模型

在3GPP TR 36.814协议中[2]，详细描述了分层异构无线网络。分层异构无线网络是指由接入技术不同、容量和约束条件不同、功能不同的一些基础节点组成的网络[3]，这些节点相当于在传统的宏蜂窝基站的覆盖范围内，引入了非蜂窝的通信节点，以加强特定区域的覆盖，形成多层网络结构，如图1所示：

图1蜂窝异构网络分层结构及干扰场景示意图

分层异构无线网络的节点包含宏蜂窝、RRH、Picocell、Femtocell和中继等。这些节点中大部分是由通信运营商来部署的，家庭基站则由用户自行购买安装。分层异构无线网络的部署可以提高特定区域的覆盖质量、改善边缘用户性能、减轻宏蜂窝负载。另外，采用这样的部署方式还可以在有效降低网络开销的同时减少能量消耗，降低运营商网络部署成本[4]

表1显示了不同节点的特性。

2.1网络模型

本文考虑如下分层异构无线网络：无线网络的第一层由宏基站（MBS）组成，宏基站在二维欧式空间中服从密度为λm的齐次泊松点分布（PPP），表示为集合Φm。宏基站用户建模为一个独立的密度为λu的PPP分布Φu，每个MBS有固定传输功率Pm。第二层由一系列随机分布的家庭基站（FAP）组成。FAP基站服从一个独立密度为λf的PPP分布Φf，FAP用户建模为一个独立的密度为λd的PPP分布Φd，每个FAP有固定传输功率Pf 。假设两层共用同一频段。

图2为在基站位置服从齐次泊松点分布时，MBS及FAP的分布情况示意图。其中红色菱形表示FAP的位置，黑色星型表示MBS的位置，FAP密度为MBS密度的16倍。

图2分层异构无线网络基站分布示意图

2.2信干噪比（SINR）

为标记方便，假设用户在原点，用基站的坐标位置标记基站。网络中所有基站的集合记为，对于基站x，在其到位于原点的典型用户u的下行链路中，用户经历的信干噪比为：

SINR （1）

其中，为所有干扰基站的集合，这一干扰来源于多个基站使用相同频带在共同的区域中发送信号时，接收系统无法在相同的频带上进行识别，这是分层异构无线网络中面临的最主要问题；Px、Py分别为服务基站和干扰基站的发射功率，hx、hy分别为服务基站和干扰基站到用户u的因小尺度衰落造成的信道功率增益。σ2为加性高斯白噪声功率，α为路径损耗系数。考虑干扰受限的情况时，噪声可被忽略，亦即当考虑大规模分层异构无线网络的时候，干扰是最主要的影响因素[5]。

2.3接入控制机制

分层异构无线网络中，本文考虑两种接入系统：

（1）专门接入系统（CSG），此系统中MBS和FAP的用户只允许接入固定层中，即MBS、FAP用户只能允许接入距其最近的MBS基站或者FAP基站。（2）共享接入系统（OSG），此系统中MBS和FAP的用户都可接入任意层中，即用户可以根据来自MBS和FAP基站的信号强度接入最佳基站，如图3所示：

图3共享接入模式切换策略示意图

由于用户期望接入最强的信号强度基站，而信号强度主要由大尺度衰落和发射功率决定，故综合考虑距离及基站发射功率的因素，有以下切换策略[6]：

◆当κ||M-u||≤||F-u||时，用户接入MBSs；

◆当κ||M-u||＞||F-u||时，用户接入FAP。

其中|| ||为用户到基站距离，0≤κ≤1为一个常数。两基站发射功率Pf

3 理论性能分析

分层异构无线网络的性能表现决定着其发展和推广应用，因此对其各项理论性能指标进行分析非常关键，给出不同性能指标的理论闭式解是研究的核心。

3.1成功接入概率

成功接入概率是分层异构无线网络获取信息有效性及完整性的典型性能指标，常用来表征服务质量（QoS，Quality of Service）。对网络成功接入概率的深入研究有助于分析不同参数对分层异构无线网络性能的影响。

利用上文中信干噪比的结论，定义从基站x到用户

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

其中γ为用户服务门限值。由于点过程的稳定性，在每层网络中，任意一对用户与基站的成功概率是相同的。本文分别研究在专门接入系统及共享接入系统下的成功概率。其中在专门接入系统下，MBS用户成功概率记为Pm,c，FAP用户成功概率记为Pf,c，其可以表示为[7]：

（2）

（3）

其中，，，

，λf、λm分别为FAP、MBS基站的密度，Pf、Pm分别为FAP、MBS基站的发射功率，γf、γm分别为FAP、MBS用户的服务门限值，α为路径损耗系数。

在共享接入系统中，原本连接在MBS的用户切换接入到FAP的概率为：

（4）

则MBS用户的成功接入概率为：

（5）

图4、5为针对专门接入及共享接入策略下的成功接入概率的仿真。

3.2平均传输速率

蜂窝网络的数据传输速率从2G网络中每秒几千比特，已经提高到4G网络中的每秒几千兆比特。通常，运营商需要了解当用户被小区覆盖时，其可为用户提供的平均数据速率。本文着重研究一个典型用户在分层异构无线网络中的平均数据传输速率（Average Data Rate）。平均数据传输速率的基本定义为：

R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P为用户的成功接入概率，γ为用户的接收信干噪比的门限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均数据传输速率也有所区别。其中在专门接入下，平均数据传输速率可表示为：

（7）

而在共享接入下，平均数据传输速率可表示为：

（8）

如图6、7为对专门接入及共享接入策略下用户平均传输速率的仿真。

3.3平均面积频谱效率

鉴于有限的频谱资源和对网络容量不断增加的需求，无论对于蜂窝网络还是对于地方、个人的局域网络，平均面积频谱效率都是一个至关重要的性能指标，并且已在众多主流无线网络标准中被探讨多年。平均面积频谱效率相当于利用系统带宽对信道容量进行的标准化，其定义为[7]：

（9）

其中，|J|为带宽，为不失一般性，假设|J|=1；Pm,s、Pf,s分别为MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影响用户平均面积频谱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户接入策略相关。在专门接入下，用户平均面积频谱效率可表示为：

（10）

在共享接入下，用户平均面积频谱效率可表示为：

（11）

图8、9为针对专门接入及共享接入策略下用户平均面积频谱效率的仿真。

3.4能量效率

如今，数据速率的提高和持续增长的无线用户数量直接导致无线蜂窝网络能耗的提高。而在分层异构无线网络中，密集而又随机的微小区的部署及小区间的非协作运行引入了在这种多层网络中的能量效率问题。目前，无线接入网能耗通常占总功率的70%左右，移动网络中的信息传输量以指数级增长，相关的花销也随之不断增加，然而网络能量效率的改善却显滞后。未来一个可持续发展的无线网络不仅需要高的谱效，更需要高的能效，故对能效的研究在当下就显得至关重要。在分层异构无线网络中，能量效率相当于利用系统功耗对信道容量的标准化。能量效率定义为[6]：

（12）

其中，T为平均面积频谱效率，λm、λf分别为MBS、FAP的密度。Pm、Pf分别为MBS、FAP的发射功率。

4 仿真结果与优化建议

为验证对分层异构无线网络理论性能研究的正确性，分别就分层异构无线网络在共享接入及专门接入模式下的成功接入概率、平均传输速率、平均面积频谱效率和能量效率等性能指标进行蒙特卡洛仿真以及理论上的数值仿真。具体仿真参数设置如下：路径损耗系数：α=4，MBS发射功率：Pm=43dBm，FAP发射功率：Pf=23dBm。

4.1专门接入

首先，在专门接入模式下，比较不同MBS和FAP密度下的系统性能。如图4、6、8所示，在专门接入模式下，FAP用户的接入成功概率、平均传输速率、平均面积频谱效率均随着FAP基站密度的增加而呈现递增趋势。这是因为随着FAP基站部署密度的不断增加，FAP基站相比于MBS基站虽然功率较小，但与用户的距离却在不断减小，这使用户成功接入附近FAP的概率越来越大。

为了更好地对仿真结果进行说明，下面的仿真均选择不同的宏基站及家庭基站的密度进行性能指标仿真对比。图10是对系统总能量效率的仿真，可以看出系统的总能效也随FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

图11是对共享接入模式下的系统总能量效率的仿真。与前文的专门接入模式下的仿真结果进行对比，可以看出，不仅增加基站密度可以增强分层异构无线网络的相关性能指标值，使用共享接入策略也可以有效地提升分层异构无线网的用户平均传输速率，频谱效率甚至是系统的总能效都会有较大幅度的提高。

4.3挑战和建议

分层异构无线网络改变了传统规则六边形蜂窝小区拓扑结构，使得网络性能不如理想的六边形结构但更贴近实际组网。分层异构无线网络在提高网络性能同时，也引入了一系列问题及技术挑战，包括交叉层干扰、网络自组织、低功率节点回程链路设计、低功率节点与宏基站间的选择和重选、低功率节点部署下的能效优化等。

分层异构无线网络的宏小区内部署着大量低功率小区，因而用户选择接入哪种小区、小区移动该何时切换以及多覆盖时切换到何小区则成为了关键问题。宏基站与低功率节点的功率有差异，按传统宏蜂窝切换准则，大多数用户会接入到大功率的宏小区，从而分层异构无线网络无法体现其优势，故需提出先进的用户接入和小区重选机制。

由于分层异构无线网络中部署了大量低功率节点，网络耗电量很大，加之一些节点的部署并不一定合理，所以网络能效问题也需要更多关注。在某些特定时间点中，若用户数目减少，则可以降低或者关闭某些低功率节点，或切换用户至周围节点从而关闭某节点，在不影响网络性能的条件下尽量节约能源。因此，分层异构无线网络下的节点自动睡眠和唤醒技术非常关键，也是未来发展亟需解决的核心技术之一。

参考文献：

[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.★

作者简介

贾诗炜：硕士就读于北京邮电大学无线信号处理与网络实验室，主要研究方向为无线通信。

闫实：博士就读于北京邮电大学无线信号处理与网络实验室，主要研究方向为C-RAN和分层异构网络性能研究。

彭木根：北京邮电大学教授、博士生导师，长期从事无线网络协同通信理论、无线网络编码、无线网络自组织、云无线接入网络信息理论和关键技术等的研发工作。主持完成了国家自然科学基金、科技部“863”项目、国际科技重大专项等多项国家和部级科研项目，先后荣获教育部、中国通信学会和北京市多项科技成果奖励，发表SCI论文30余篇，荣获国际学术会议最佳论文奖3次，授权技术发明专利40余项，技术发明专利转让给企业近30项。