打印绿色通信研究-Femtocell网络能效建模

I摘要可靠性和生存性是无线网络的两个重要特性。特别是随着众多新兴无线网络和移动数据业务需求的快速增长、用户数目的急剧增加以及无线宽带业务的与日俱增，有限的无线网络资源能否满足更多人的需求成了迫切需要关注的问题。因此，通信链路的传输成功率和网络的通话阻塞率等成为研究中的重要指标。同时，随着全球气候变暖的不断加剧和材料能源的日益稀缺，人们也提出了绿色通信的概念，网络能量效率成为人们关注的焦点之一。为了应对上述问题，有必要对无线网络的传输及资源分配进行数学建模，以分析网络可靠性等参数；另一方面，在此基础上，我们可以对网络的能量效率建模，以此作为衡量网络性能的重要指标。本文考虑在femtocell场景下，对网络信道资源分配进行研究，建立不同状态的马尔科夫链，然后在考虑信道存在路径衰落和阴影效应的情况下，对信道状况进行建模，推导出femtocell上行链路的信道信干比的概率密度函数（pdf），进而计算出系统的中断概率。此外，本文还考虑对femtocell网络能量效率进行数学建模，引入能量消耗比来表征该性能指标，并分别仿真分析。关键词：马尔科夫链；femtocell网络；路径衰落；阴影效应；能量效率IIAbstractReliabilityandsurvivabilityaretwoimportantcharacteristicsofwirelessnetworks.Especially,thereisincreasingconcernaboutwhetherlimitedresourcesinwirelessnetworkscanmeetuser’srequirementwithgrowingdataservicesdemand,increasingnumberofusersandgrowingwirelessbroadbandservicesinemergingwirelessandmobilenetworks.Therefore,thetransmissionsuccessprobabilityofwirelesslinksandthecallblockingprobabilityhavebecomeimportantmetricsinwirelessnetworkstudy.Meanwhile,withincreasingglobalwarmingandtheincreasingscarcityofenergysources,peoplealsoraisetheconceptofgreencommunications,inwhichthenetworkenergyefficiencyhasbeenbecomeahotpoint.Toaddresstheseproblems,mathematicalmodelingofthetransmissionprocessandtheresourceallocationinwirelessnetworksisnecessarysoastoanalyzenetworkreliabilityandotherfeatures;ontheotherhand,thenetworkenergyefficiencycanbemodeledasanimportantindicatorinevaluatingnetworkperformance.Infemtocellnetworks,Consideringdifferenthandoffscenarios,thechanneloccupancyismodeledbyamulti-stateMarkovchain.ThenthepdfofSIRandoutagearederivedbytakingintoaccountwirelesschannelpathfadingandshadowing.Furthermore,theenergyefficiencyoffemtocellnetworks,indicatedbytheenergyconsumptionrate,isevaluated.Numericalresultsareanalyzedanddiscussedforprovidingsomepracticalguidelinesforfuturetelecommunicationengineering.Keywords:markovchains;femtocellnetworks;pathfading;shadowing;energyefficiency3目录摘要........................................................................................................IAbstract.................................................................................................II目录.......................................................................................................31绪论...................................................................................................51.1课题研究背景及意义......................................................................51.2国内外研究现状及趋势..................................................................71.3本文的主要工作及结构..................................................................82Femtocell网络介绍及信道建模及分析.........................................102.1引言...............................................................................................102.2FEMTOCELL网络组成....................................................................102.3FEMTOCELL的重要性....................................................................112.4FEMTOCELL信道干扰建模............................................................132.5性能仿真分析...............................................................................192.6小结...............................................................................................243Femtocell网络的能量效率建模及分析.......................................253.1引言...............................................................................................253.2FEMTOCELL基站的能量效率建模................................................253.3性能仿真分析...............................................................................273.4小结...............................................................................................2844总结与展望...................................................................................294.1全文总结.......................................................................................294.2未来工作展望...............................................................................29致谢.....................................................................................................31参考文献...............................................................................................3251绪论1.1课题研究背景及意义随着众多新兴无线网络和移动数据业务需求的快速增长、用户数目的急剧增加以及无线宽带业务的与日俱增，有限的无线网络资源能否满足更多人的需求成了迫切需要关注的问题。因此，通信链路的传输成功率和网络的中断概率等成为研究中的重要指标。同时，随着全球气候变暖的不断加剧和材料能源的日益稀缺，人们也提出了绿色通信的概念，网络能量效率成为人们关注的焦点之一。最近的研究表明：70%移动数据业务发生在室内，欧洲20%~40%、美国40%~50%、中国60%的移动电话通话发生在室内环境下。而且，在现有的移动服务中，由于墙壁引起的损耗使室内信号覆盖较差；移动网中基站覆盖半径和用户容量及每用户可用带宽一直是一对矛盾；新基站的建设面临站址选择、机房、电源、环保等诸多困难。一些调查显示，45%的家庭和30%的企业都面临着室内覆盖差的问题，因此，室内传输可靠性和传输效率对整个系统的服务质量QoS影响很大。提供室内覆盖的一种典型的方法是使用户外宏小区基站。但这种方法有以下一些缺点：（1）使用一种所谓的“在外面”的方法提供相应的室内覆盖是非常昂贵的。（2）一个大容量网络需要很多的户外基站，然而在人口密集的区域建立许多户外基站是一个很大的挑战。（3）由于户外宏小区服务于室内的同时又服务于室外所造成的干扰以及要求基站发送高的功率等原因，很少采用这种方法建立大容量网络。（4）3G和B3G网络通常工作在2GHz或者更高的频率上，对于工作在2GHz以上的网络，建筑物的穿透是一项很大的挑战。此外，网络性能（例如吞吐率）在室内无法得到保障，特别是在不是面对宏小区站点的一边。为了获得更高的数据速率，需要更高的调制和编码方式。6因此，在商业中心、办公楼以及商场等热点区域，室内解决方式，例如DAS（分布式天线系统）和微微小区成为了一种具有吸引力和可行的解决方案，这些室内网络是由运营商部署的。室内解决方案将会改善室内覆盖，分担来自户外的宏小区的流量，提高服务质量，并且由于提高了无线链路的性能，提供高速数据服务将会变得容易。在UMTS中，由于采用了室内解决方案，提高了正交性，相应的吞吐量也得到了提高。在HSPA/LTE或者