异构蜂窝网络关键理论与技术

前   言

随着物联网和智能终端设备的不断增加，移动互联网业务发展迅速，用户之间的信息交互成为数据服务的主流。根据《思科互联网年度报告（2018—2023）》显示，到2023年，连接到IP网络的移动终端设备数量将是全球人口的三倍多，人均网络设备将达到3.6个，其中互联网用户总数预计将从2018年的39亿增长到2023年的53亿，复合年增长率为6％。越来越多使用带宽密集型应用程序的用户需要高质量和高速度的移动数据服务，并且频谱资源既有限又昂贵，使得第五代（Fifth Generation，5G）网络将面临更加复杂的挑战。因此，为了应对这些挑战，网络运营商必须重新定义网络拓扑结构，改变现有的部署策略。
近，LTE-A标准化已经设想推出异构蜂窝网络（Heterogeneous Cellular Networks，HetCNets）的新技术。新兴的高密度HetCNets引入了分层基础设施，通过部署高功率节点（如宏基站）来扩展覆盖范围和提供高移动性支持，同时部署低功率节点（如微微蜂窝基站接入点、毫微微蜂窝基站接入点）在某些热点覆盖区域内扩展无线业务覆盖范围，提供可实现的高数据速率。另外，通过在局域范围内部署其他低功率节点，可以在一个地理区域内密集地复用频谱，缩短了用户终端与服务基站之间的距离，因而基站不需要消耗大量的能量来支持小区边缘用户设备的活动，改善了小区边缘用户的性能并增强了区域频谱效率和能源效率。
事实上，HetCNets将宏基站（Macrocell Base Station，MBS）和微微基站（Pico Base Station，PBS）、毫微微基站（Femto Base Station，FBS）等小基站（Small Base Station，SBS）共存。由于大面积部署SBS，所以引起了许多新问题。首先，小基站的发射功率远小于MBS，若以传统的接入方式，用户极有可能限度地接入MBS，无法发挥部署小基站带来的优势，反而会加重网络频谱资源及能量资源的浪费。其次，密集的小基站间距离过近，会造成严重的干扰问题，不但降低了频谱资源的利用率，造成功率消耗增大，而且重要的是对通信质量造成毁灭性的影响。此外，网络中安装节点、BS等造成的回程负载、干扰、时延及能耗的增加，对网络的性能产生了很大的影响。因此，迫切需要研究HetCNets关键理论与技术，以解决无线网络对低时延、大覆盖和高数据速率不断增长的需求。
本书共11章，主要内容包括：垂直切换技术、干扰管理技术、内容缓存策略、能效优化的功率分配技术、NOMA资源管理技术、混合能源驱动的均匀异构蜂窝网络、混合能源驱动的非均匀异构蜂窝网络、D2D通信资源分配技术、可见光通信异构蜂窝网络动态接入，以及VLC WiFi异构蜂窝网络通信系统设计。本书可以作为电子与通信工程领域通信与信息系统、信号与信息处理等学科的研究生和高年级本科生的教材，也可以作为从事无线通信系统深入研究与开发的电信工程师、工程管理人员的参考书。同时，本书对在这个领域进行教学、研究、开发的教师、学生有很好的参考价值。
本书参考了国内外有关著作和文献，在此向所有参考著作和文献的作者表示诚挚的感谢。此外，本书也得到了作者所指导的博士生、硕士生的支持和帮助，以及国家自然科学基金（No. 61872406）和浙江省重点研发计划项目（No. 2018C01059）的资助，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，敬请读者不吝批评指正。

肖海林  
2021年6月

本书共11章，全面、系统地阐述了异构蜂窝网络关键理论与技术，主要内容包括：垂直切换技术、干扰管理技术、内容缓存策略、能效优化的功率分配技术、NOMA资源管理技术、混合能源驱动的均匀异构蜂窝网络、混合能源驱动的非均匀异构蜂窝网络、D2D通信资源分配技术、可见光通信异构蜂窝网络动态接入，以及VLC WiFi异构蜂窝网络通信系统设计。
本书深入浅出，概念清晰，语言流畅，可以作为电子与通信工程领域通信与信息系统、信号与信息处理等学科的研究生和高年级本科生的教材，也可以作为从事无线通信系统深入研究与开发的电信工程师、工程管理人员的参考书。同时，本书对在这个领域进行教学、研究、开发的教师、学生有很好的参考价值。

本书共11章，全面、系统地阐述了异构蜂窝网络关键理论与技术，主要内容包括：垂直切换技术、干扰管理技术、内容缓存策略、能效优化的功率分配技术、NOMA资源管理技术、混合能源驱动的均匀异构蜂窝网络、混合能源驱动的非均匀异构蜂窝网络、D2D通信资源分配技术、可见光通信异构蜂窝网络动态接入，以及VLC WiFi异构蜂窝网络通信系统设计。
本书深入浅出，概念清晰，语言流畅，可以作为电子与通信工程领域通信与信息系统、信号与信息处理等学科的研究生和高年级本科生的教材，也可以作为从事无线通信系统深入研究与开发的电信工程师、工程管理人员的参考书。同时，本书对在这个领域进行教学、研究、开发的教师、学生有很好的参考价值。

肖海林，男，1976年11月出生，博士、教授、博士生导师，信息与通信工程学科。浙江省"钱江学者”特聘教授，广西优秀专家，广西"省杰青”，IEEE 高级会员，中国电子学会高级会员。曾访学英国大学赫瑞-瓦特大学和南安普顿大学。主持国家项目、省重点研发项目20多项。作者/通信作者在国内外发表SCI/EI期刊论文120多篇，获国家发明专利30余项、国际/国内标准提案2项、省部级奖励2次，2个国际期刊编委，5次担任国际会议TPC并作特邀报告。

目 录 

第1章 概述 1 
1.1 引言 1 
1.2 异构蜂窝网络架构 1 
1.3 异构蜂窝网络中各类型BS的特征 2 
1.4 异构蜂窝网络优点 4 
参考文献 4 
第2章 垂直切换技术 6 
2.1 引言 6 
2.2 系统模型 7 
2.3 多维属性融合的异构蜂窝网络垂直切换判决 9 
2.3.1 二维属性融合的接入网络判决 9 
2.3.2 二维属性融合的切换时间判决 13 
2.3.3 三维属性融合的垂直切换判决 17 
2.4 仿真结果与性能分析 18 
2.4.1 仿真场景与参数设置 18 
2.4.2 二维属性融合的网络判决概率分析 19 
2.4.3 二维属性融合的切换触发概率分析 20 
2.4.4 三维属性融合的切换成功概率分析 20 
2.4.5 多维属性融合的切换过程通信性能分析 21 
2.5 本章小结 22 
参考文献 22 
第3章 干扰管理技术 24 
3.1 引言 25 
3.2 系统模型与问题形成 26 
3.2.1 系统模型 26 
3.2.2 问题形成 28 
3.3 基于干扰限制区域的干扰管理方案 29 
3.3.1 干扰限制区域划分场景 29 
3.3.2 联合模式选择与功率控制算法 34 
3.4 覆盖概率分析 36 
3.4.1 蜂窝链路覆盖概率 37 
3.4.2 D2D链路覆盖概率 40 
3.4.3 毫微微蜂窝链路覆盖概率 42 
3.5 仿真结果与性能分析 44 
3.6 本章小结 51 
参考文献 51 
第4章 内容缓存策略 54 
4.1 引言 55 
4.2 系统模型 56 
4.2.1 无线通信模型 57 
4.2.2 内容缓存模型 59 
4.3 问题形成 59 
4.3.1 时延与能耗分析 60 
4.3.2 时延与能耗的折中 61 
4.4 联合功率感知的用户关联与内容缓存方案 63 
4.4.1 功率感知的用户关联 63 
4.4.2 内容缓存策略 67 
4.4.3 迭代功率感知的用户关联与内容缓存算法 68 
4.5 仿真结果与性能分析 69 
4.6 本章小结 77 
参考文献 78 
第5章 能效优化的功率分配技术 80 
5.1 引言 80 
5.2 系统模型及问题形成 82 
5.2.1 系统模型 82 
5.2.2 优化问题形成 83 
5.3 用户关联策略 84 
5.3.1 用户关联 84 
5.3.2 基于人工鱼群算法的用户关联策略 85 
5.4 基于ADMM的功率分配算法 88 
5.5 仿真结果与性能分析 93 
5.6 本章小结 96 
参考文献 97 
第6章 NOMA资源管理技术 99 
6.1 引言 99 
6.2 系统模型及问题形成 101 
6.2.1 系统模型 101 
6.2.2 问题形成 103 
6.3 联合子信道和功率分配方案 104 
6.3.1 基于干扰超图的子信道分配 104 
6.3.2 基于拉格朗日的功率分配 109 
6.3.3 联合子信道和功率分配优化算法 114 
6.4 仿真结果与性能分析 115 
6.5 本章小结 121 
参考文献 121 
第7章 混合能源驱动的均匀异构蜂窝网络 124 
7.1 引言 125 
7.2 系统模型及问题形成 126 
7.2.1 系统模型 126 
7.2.2 问题形成 129 
7.3 用户关联与资源分配方案 131 
7.3.1 用户关联机制 131 
7.3.2 带宽资源分配策略 135 
7.4 仿真结果与性能分析 136 
7.5 本章小结 139 
参考文献 140 
第8章 混合能源驱动的非均匀异构蜂窝网络 143 
8.1 引言 143 
8.2 系统模型及问题形成 144 
8.2.1 网络和流量需求模型 144 
8.2.2 能量消耗模型 146 
8.2.3 无线通信模型 147 
8.2.4 问题形成 148 
8.3 功率感知用户关联与可再生能源配置方案 152 
8.3.1 功率感知用户关联规则 152 
8.3.2 可再生能源配置的功率控制方法 154 
8.3.3 可再生能源配置的能量平衡算法 158 
8.4 仿真结果与性能分析 160 
8.4.1 系统中断概率验证 161 
8.4.2 功率感知用户关联与可再生能源配置方案性能分析 162 
8.5 本章小结 166 
参考文献 167 
第9章 D2D通信资源分配技术 169 
9.1 引言 170 
9.2 系统模型 171 
9.3 基于能效优化的D2D通信资源分配算法设计 174 
9.3.1 D2D用户模式选择 174 
9.3.2 D2D用户功率控制 177 
9.3.3 D2D用户信道分配 180 
9.4 仿真结果与性能分析 182 
9.5 本章小结 185 
参考文献 185 
第10章 可见光通信异构蜂窝网络动态接入 187 
10.1 引言 188 
10.2 系统模型 190 
10.3 理论分析 191 
10.3.1 多属性参数的计算 191 
10.3.2 权重比较判决矩阵的建立 192 
10.3.3 权重向量的计算 192 
10.3.4 层次分析与加权和算法相结合 193 
10.3.5 非直射链路下的接入检测算法 193 
10.3.6 VLC异构蜂窝网络接入判决流程 194 
10.4 仿真结果与性能分析 195 
10.5 本章小结 200 
参考文献 200 
第11章 VLC WiFi异构蜂窝网络通信系统设计 202 
11.1 VLC WiFi通信系统设计 202 
11.1.1 发射端系统设计 203 
11.1.2 中继端系统设计 204 
11.1.3 接收端系统设计 204 
11.2 VLC WiFi通信系统电路设计 205 
11.3 系统测试与应用场景 211 
11.3.1 系统测试 212 
11.3.2 应用场景 214 
11.4 本章小结 219 
参考文献 219 
附录A 内容成功传输概率的证明过程 220 
附录B 缩略词对照表 225

本书共11章，全面、系统地阐述了异构蜂窝网络关键理论与技术，主要内容包括：垂直切换技术、干扰管理技术、内容缓存策略、能效优化的功率分配技术、NOMA资源管理技术、混合能源驱动的均匀异构蜂窝网络、混合能源驱动的非均匀异构蜂窝网络、D2D通信资源分配技术、可见光通信异构蜂窝网络动态接入，以及VLC WiFi异构蜂窝网络通信系统设计。
本书深入浅出，概念清晰，语言流畅，可以作为电子与通信工程领域通信与信息系统、信号与信息处理等学科的研究生和高年级本科生的教材，也可以作为从事无线通信系统深入研究与开发的电信工程师、工程管理人员的参考书。同时，本书对在这个领域进行教学、研究、开发的教师、学生有很好的参考价值。

肖海林，男，1976年11月出生，博士、教授、博士生导师，信息与通信工程学科。浙江省"钱江学者”特聘教授，广西优秀专家，广西"省杰青”，IEEE 高级会员，中国电子学会高级会员。曾访学英国大学赫瑞-瓦特大学和南安普顿大学。主持国家项目、省重点研发项目20多项。作者/通信作者在国内外发表SCI/EI期刊论文120多篇，获国家发明专利30余项、国际/国内标准提案2项、省部级奖励2次，2个国际期刊编委，5次担任国际会议TPC并作特邀报告。