分層異構無線網絡理論性能研究和優化設計

賈詩煒+閆實+彭木根

【摘要】分層異構無線網絡（HetNet）能顯著提高無線網絡容量，擴展無線覆蓋范圍和節省基站能耗，已經成為后4G和5G的熱門技術，但其網絡理論性能以及如何優化設計逼近理論性能一直是業界研究的難點和熱點問題。針對分層異構無線網絡節點服從泊松點分布的特性，給出了分層異構網絡在專門接入和共享接入策略下的網絡理論性能，如成功接入概率、平均面積頻譜效率、能量效率等，并仿真評估了影響理論性能的關鍵因素，探討了優化分層異構無線網絡性能的各種方法。

【關鍵詞】分層異構無線網絡專門接入共享接入

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-09-0017-06

1 引言

隨著全球移動用戶數量的增加及用戶對服務質量要求的提高，未來蜂窩網絡正面臨巨大挑戰。為滿足飛速增長的數據速率需求，產業界和學術界都提出了分層異構無線網絡（HetNet）以提高網絡性能，擴展無線網絡的覆蓋范圍，以及節約發射功率等。分層異構無線網絡采用宏蜂窩、遠端無線頭（RRH）及低功率節點（如微微小區（Picocell）、家庭基站（Femtocell）、中繼等）進行重疊分層組網，縮短了基站與終端用戶間的距離，使無線鏈路的頻譜效率與質量得到顯著提升[1]。在分層異構無線網絡中，傳統理想化的六邊形蜂窩小區模型不再適用，基站分布更加隨機和無規律，不同基站的發射功率各異，布站位置靈活，使得從概率統計角度來看，基站節點分布服從泊松點分布，其相應的多節點聯合組網的網絡性能未知；同時，由于數學分析的復雜性，要得到相應的閉式解非常困難。

本文針對分層異構無線網絡基站泊松點分布特征，總結了多層異構無線網絡的理論閉式解，在成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率、能量效率等方面進行了分析和對比，并針對性能仿真結果給出了未來的研究方向及方案建議。

2 系統模型

在3GPP TR 36.814協議中[2]，詳細描述了分層異構無線網絡。分層異構無線網絡是指由接入技術不同、容量和約束條件不同、功能不同的一些基礎節點組成的網絡[3]，這些節點相當于在傳統的宏蜂窩基站的覆蓋范圍內，引入了非蜂窩的通信節點，以加強特定區域的覆蓋，形成多層網絡結構，如圖1所示：

圖1蜂窩異構網絡分層結構及干擾場景示意圖

分層異構無線網絡的節點包含宏蜂窩、RRH、Picocell、Femtocell和中繼等。這些節點中大部分是由通信運營商來部署的，家庭基站則由用戶自行購買安裝。分層異構無線網絡的部署可以提高特定區域的覆蓋質量、改善邊緣用戶性能、減輕宏蜂窩負載。另外，采用這樣的部署方式還可以在有效降低網絡開銷的同時減少能量消耗，降低運營商網絡部署成本[4]

表1顯示了不同節點的特性。

2.1網絡模型

本文考慮如下分層異構無線網絡：無線網絡的第一層由宏基站（MBS）組成，宏基站在二維歐式空間中服從密度為λm的齊次泊松點分布（PPP），表示為集合Φm。宏基站用戶建模為一個獨立的密度為λu的PPP分布Φu，每個MBS有固定傳輸功率Pm。第二層由一系列隨機分布的家庭基站（FAP）組成。FAP基站服從一個獨立密度為λf的PPP分布Φf，FAP用戶建模為一個獨立的密度為λd的PPP分布Φd，每個FAP有固定傳輸功率Pf 。假設兩層共用同一頻段。

圖2為在基站位置服從齊次泊松點分布時，MBS及FAP的分布情況示意圖。其中紅色菱形表示FAP的位置，黑色星型表示MBS的位置，FAP密度為MBS密度的16倍。

圖2分層異構無線網絡基站分布示意圖

2.2信干噪比（SINR）

為標記方便，假設用戶在原點，用基站的坐標位置標記基站。網絡中所有基站的集合記為，對于基站x，在其到位于原點的典型用戶u的下行鏈路中，用戶經歷的信干噪比為：

SINR （1）

其中，為所有干擾基站的集合，這一干擾來源于多個基站使用相同頻帶在共同的區域中發送信號時，接收系統無法在相同的頻帶上進行識別，這是分層異構無線網絡中面臨的最主要問題；Px、Py分別為服務基站和干擾基站的發射功率，hx、hy分別為服務基站和干擾基站到用戶u的因小尺度衰落造成的信道功率增益。σ2為加性高斯白噪聲功率，α為路徑損耗系數。考慮干擾受限的情況時，噪聲可被忽略，亦即當考慮大規模分層異構無線網絡的時候，干擾是最主要的影響因素[5]。

2.3接入控制機制

分層異構無線網絡中，本文考慮兩種接入系統：

（1）專門接入系統（CSG），此系統中MBS和FAP的用戶只允許接入固定層中，即MBS、FAP用戶只能允許接入距其最近的MBS基站或者FAP基站。（2）共享接入系統（OSG），此系統中MBS和FAP的用戶都可接入任意層中，即用戶可以根據來自MBS和FAP基站的信號強度接入最佳基站，如圖3所示：

圖3共享接入模式切換策略示意圖

由于用戶期望接入最強的信號強度基站，而信號強度主要由大尺度衰落和發射功率決定，故綜合考慮距離及基站發射功率的因素，有以下切換策略[6]：

◆當κ||M-u||≤||F-u||時，用戶接入MBSs；

◆當κ||M-u||＞||F-u||時，用戶接入FAP。

其中|| ||為用戶到基站距離，0≤κ≤1為一個常數。兩基站發射功率Pf

3 理論性能分析

分層異構無線網絡的性能表現決定著其發展和推廣應用，因此對其各項理論性能指標進行分析非常關鍵，給出不同性能指標的理論閉式解是研究的核心。

3.1成功接入概率

成功接入概率是分層異構無線網絡獲取信息有效性及完整性的典型性能指標，常用來表征服務質量（QoS，Quality of Service）。對網絡成功接入概率的深入研究有助于分析不同參數對分層異構無線網絡性能的影響。

利用上文中信干噪比的結論，定義從基站x到用戶

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

其中γ為用戶服務門限值。由于點過程的穩定性，在每層網絡中，任意一對用戶與基站的成功概率是相同的。本文分別研究在專門接入系統及共享接入系統下的成功概率。其中在專門接入系統下，MBS用戶成功概率記為Pm,c，FAP用戶成功概率記為Pf,c，其可以表示為[7]：

（2）

（3）

其中，，，

，λf、λm分別為FAP、MBS基站的密度，Pf、Pm分別為FAP、MBS基站的發射功率，γf、γm分別為FAP、MBS用戶的服務門限值，α為路徑損耗系數。

在共享接入系統中，原本連接在MBS的用戶切換接入到FAP的概率為：

（4）

則MBS用戶的成功接入概率為：

（5）

圖4、5為針對專門接入及共享接入策略下的成功接入概率的仿真。

3.2平均傳輸速率

蜂窩網絡的數據傳輸速率從2G網絡中每秒幾千比特，已經提高到4G網絡中的每秒幾千兆比特。通常，運營商需要了解當用戶被小區覆蓋時，其可為用戶提供的平均數據速率。本文著重研究一個典型用戶在分層異構無線網絡中的平均數據傳輸速率（Average Data Rate）。平均數據傳輸速率的基本定義為：

R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數據傳輸速率也有所區別。其中在專門接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網絡容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網絡還是對于地方、個人的局域網絡，平均面積頻譜效率都是一個至關重要的性能指標，并且已在眾多主流無線網絡標準中被探討多年。平均面積頻譜效率相當于利用系統帶寬對信道容量進行的標準化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜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戶接入策略相關。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數據速率的提高和持續增長的無線用戶數量直接導致無線蜂窩網絡能耗的提高。而在分層異構無線網絡中，密集而又隨機的微小區的部署及小區間的非協作運行引入了在這種多層網絡中的能量效率問題。目前，無線接入網能耗通常占總功率的70%左右，移動網絡中的信息傳輸量以指數級增長，相關的花銷也隨之不斷增加，然而網絡能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續發展的無線網絡不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當下就顯得至關重要。在分層異構無線網絡中，能量效率相當于利用系統功耗對信道容量的標準化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發射功率。

4 仿真結果與優化建議

為驗證對分層異構無線網絡理論性能研究的正確性，分別就分層異構無線網絡在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數值仿真。具體仿真參數設置如下：路徑損耗系數：α=4，MBS發射功率：Pm=43dBm，FAP發射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，FAP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，FAP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標仿真對比。圖10是對系統總能量效率的仿真，可以看出系統的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構無線網絡的相關性能指標值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構無線網的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰和建議

分層異構無線網絡改變了傳統規則六邊形蜂窩小區拓撲結構，使得網絡性能不如理想的六邊形結構但更貼近實際組網。分層異構無線網絡在提高網絡性能同時，也引入了一系列問題及技術挑戰，包括交叉層干擾、網絡自組織、低功率節點回程鏈路設計、低功率節點與宏基站間的選擇和重選、低功率節點部署下的能效優化等。

分層異構無線網絡的宏小區內部署著大量低功率小區，因而用戶選擇接入哪種小區、小區移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區則成為了關鍵問題。宏基站與低功率節點的功率有差異，按傳統宏蜂窩切換準則，大多數用戶會接入到大功率的宏小區，從而分層異構無線網絡無法體現其優勢，故需提出先進的用戶接入和小區重選機制。

由于分層異構無線網絡中部署了大量低功率節點，網絡耗電量很大，加之一些節點的部署并不一定合理，所以網絡能效問題也需要更多關注。在某些特定時間點中，若用戶數目減少，則可以降低或者關閉某些低功率節點，或切換用戶至周圍節點從而關閉某節點，在不影響網絡性能的條件下盡量節約能源。因此，分層異構無線網絡下的節點自動睡眠和喚醒技術非常關鍵，也是未來發展亟需解決的核心技術之一。

參考文獻：

[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.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構網絡性能研究。

彭木根：北京郵電大學教授、博士生導師，長期從事無線網絡協同通信理論、無線網絡編碼、無線網絡自組織、云無線接入網絡信息理論和關鍵技術等的研發工作。主持完成了國家自然科學基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學會和北京市多項科技成果獎勵，發表SCI論文30余篇，榮獲國際學術會議最佳論文獎3次，授權技術發明專利40余項，技術發明專利轉讓給企業近30項。

endprint

R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數據傳輸速率也有所區別。其中在專門接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網絡容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網絡還是對于地方、個人的局域網絡，平均面積頻譜效率都是一個至關重要的性能指標，并且已在眾多主流無線網絡標準中被探討多年。平均面積頻譜效率相當于利用系統帶寬對信道容量進行的標準化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜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戶接入策略相關。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數據速率的提高和持續增長的無線用戶數量直接導致無線蜂窩網絡能耗的提高。而在分層異構無線網絡中，密集而又隨機的微小區的部署及小區間的非協作運行引入了在這種多層網絡中的能量效率問題。目前，無線接入網能耗通常占總功率的70%左右，移動網絡中的信息傳輸量以指數級增長，相關的花銷也隨之不斷增加，然而網絡能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續發展的無線網絡不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當下就顯得至關重要。在分層異構無線網絡中，能量效率相當于利用系統功耗對信道容量的標準化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發射功率。

4 仿真結果與優化建議

為驗證對分層異構無線網絡理論性能研究的正確性，分別就分層異構無線網絡在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數值仿真。具體仿真參數設置如下：路徑損耗系數：α=4，MBS發射功率：Pm=43dBm，FAP發射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，FAP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，FAP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標仿真對比。圖10是對系統總能量效率的仿真，可以看出系統的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構無線網絡的相關性能指標值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構無線網的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰和建議

分層異構無線網絡改變了傳統規則六邊形蜂窩小區拓撲結構，使得網絡性能不如理想的六邊形結構但更貼近實際組網。分層異構無線網絡在提高網絡性能同時，也引入了一系列問題及技術挑戰，包括交叉層干擾、網絡自組織、低功率節點回程鏈路設計、低功率節點與宏基站間的選擇和重選、低功率節點部署下的能效優化等。

分層異構無線網絡的宏小區內部署著大量低功率小區，因而用戶選擇接入哪種小區、小區移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區則成為了關鍵問題。宏基站與低功率節點的功率有差異，按傳統宏蜂窩切換準則，大多數用戶會接入到大功率的宏小區，從而分層異構無線網絡無法體現其優勢，故需提出先進的用戶接入和小區重選機制。

由于分層異構無線網絡中部署了大量低功率節點，網絡耗電量很大，加之一些節點的部署并不一定合理，所以網絡能效問題也需要更多關注。在某些特定時間點中，若用戶數目減少，則可以降低或者關閉某些低功率節點，或切換用戶至周圍節點從而關閉某節點，在不影響網絡性能的條件下盡量節約能源。因此，分層異構無線網絡下的節點自動睡眠和喚醒技術非常關鍵，也是未來發展亟需解決的核心技術之一。

參考文獻：

[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.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構網絡性能研究。

彭木根：北京郵電大學教授、博士生導師，長期從事無線網絡協同通信理論、無線網絡編碼、無線網絡自組織、云無線接入網絡信息理論和關鍵技術等的研發工作。主持完成了國家自然科學基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學會和北京市多項科技成果獎勵，發表SCI論文30余篇，榮獲國際學術會議最佳論文獎3次，授權技術發明專利40余項，技術發明專利轉讓給企業近30項。

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R=Plog2(1+γ)

（6）

其中，P為用戶的成功接入概率，γ為用戶的接收信干噪比的門限值。

既然不同接入策略下成功接入概率不同，故平均數據傳輸速率也有所區別。其中在專門接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（7）

而在共享接入下，平均數據傳輸速率可表示為：

（8）

如圖6、7為對專門接入及共享接入策略下用戶平均傳輸速率的仿真。

3.3平均面積頻譜效率

鑒于有限的頻譜資源和對網絡容量不斷增加的需求，無論對于蜂窩網絡還是對于地方、個人的局域網絡，平均面積頻譜效率都是一個至關重要的性能指標，并且已在眾多主流無線網絡標準中被探討多年。平均面積頻譜效率相當于利用系統帶寬對信道容量進行的標準化，其定義為[7]：

（9）

其中，|J|為帶寬，為不失一般性，假設|J|=1；Pm,s、Pf,s分別為MBS、FAP的成功接入概率。

由式（9）可以看出，影響用戶平均面積頻譜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戶接入策略相關。在專門接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（10）

在共享接入下，用戶平均面積頻譜效率可表示為：

（11）

圖8、9為針對專門接入及共享接入策略下用戶平均面積頻譜效率的仿真。

3.4能量效率

如今，數據速率的提高和持續增長的無線用戶數量直接導致無線蜂窩網絡能耗的提高。而在分層異構無線網絡中，密集而又隨機的微小區的部署及小區間的非協作運行引入了在這種多層網絡中的能量效率問題。目前，無線接入網能耗通常占總功率的70%左右，移動網絡中的信息傳輸量以指數級增長，相關的花銷也隨之不斷增加，然而網絡能量效率的改善卻顯滯后。未來一個可持續發展的無線網絡不僅需要高的譜效，更需要高的能效，故對能效的研究在當下就顯得至關重要。在分層異構無線網絡中，能量效率相當于利用系統功耗對信道容量的標準化。能量效率定義為[6]：

（12）

其中，T為平均面積頻譜效率，λm、λf分別為MBS、FAP的密度。Pm、Pf分別為MBS、FAP的發射功率。

4 仿真結果與優化建議

為驗證對分層異構無線網絡理論性能研究的正確性，分別就分層異構無線網絡在共享接入及專門接入模式下的成功接入概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率和能量效率等性能指標進行蒙特卡洛仿真以及理論上的數值仿真。具體仿真參數設置如下：路徑損耗系數：α=4，MBS發射功率：Pm=43dBm，FAP發射功率：Pf=23dBm。

4.1專門接入

首先，在專門接入模式下，比較不同MBS和FAP密度下的系統性能。如圖4、6、8所示，在專門接入模式下，FAP用戶的接入成功概率、平均傳輸速率、平均面積頻譜效率均隨著FAP基站密度的增加而呈現遞增趨勢。這是因為隨著FAP基站部署密度的不斷增加，FAP基站相比于MBS基站雖然功率較小，但與用戶的距離卻在不斷減小，這使用戶成功接入附近FAP的概率越來越大。

為了更好地對仿真結果進行說明，下面的仿真均選擇不同的宏基站及家庭基站的密度進行性能指標仿真對比。圖10是對系統總能量效率的仿真，可以看出系統的總能效也隨FAP基站密度的增加而增加。

4.2共享接入

圖11是對共享接入模式下的系統總能量效率的仿真。與前文的專門接入模式下的仿真結果進行對比，可以看出，不僅增加基站密度可以增強分層異構無線網絡的相關性能指標值，使用共享接入策略也可以有效地提升分層異構無線網的用戶平均傳輸速率，頻譜效率甚至是系統的總能效都會有較大幅度的提高。

4.3挑戰和建議

分層異構無線網絡改變了傳統規則六邊形蜂窩小區拓撲結構，使得網絡性能不如理想的六邊形結構但更貼近實際組網。分層異構無線網絡在提高網絡性能同時，也引入了一系列問題及技術挑戰，包括交叉層干擾、網絡自組織、低功率節點回程鏈路設計、低功率節點與宏基站間的選擇和重選、低功率節點部署下的能效優化等。

分層異構無線網絡的宏小區內部署著大量低功率小區，因而用戶選擇接入哪種小區、小區移動該何時切換以及多覆蓋時切換到何小區則成為了關鍵問題。宏基站與低功率節點的功率有差異，按傳統宏蜂窩切換準則，大多數用戶會接入到大功率的宏小區，從而分層異構無線網絡無法體現其優勢，故需提出先進的用戶接入和小區重選機制。

由于分層異構無線網絡中部署了大量低功率節點，網絡耗電量很大，加之一些節點的部署并不一定合理，所以網絡能效問題也需要更多關注。在某些特定時間點中，若用戶數目減少，則可以降低或者關閉某些低功率節點，或切換用戶至周圍節點從而關閉某節點，在不影響網絡性能的條件下盡量節約能源。因此，分層異構無線網絡下的節點自動睡眠和喚醒技術非常關鍵，也是未來發展亟需解決的核心技術之一。

參考文獻：

[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.★

作者簡介

賈詩煒：碩士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為無線通信。

閆實：博士就讀于北京郵電大學無線信號處理與網絡實驗室，主要研究方向為C-RAN和分層異構網絡性能研究。

彭木根：北京郵電大學教授、博士生導師，長期從事無線網絡協同通信理論、無線網絡編碼、無線網絡自組織、云無線接入網絡信息理論和關鍵技術等的研發工作。主持完成了國家自然科學基金、科技部“863”項目、國際科技重大專項等多項國家和部級科研項目，先后榮獲教育部、中國通信學會和北京市多項科技成果獎勵，發表SCI論文30余篇，榮獲國際學術會議最佳論文獎3次，授權技術發明專利40余項，技術發明專利轉讓給企業近30項。

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