蜂窝异构网络的性能分析与优化

密级： 保密期限博士研究生学位论文题目： 蜂窝异构网络的性能分析与优化 学 号： 098039 姓 名： 吴文君 专 业： 通信与信息系统 导 师： 王文博 学 院：信息与通信工程学院2012 年 9 月 5 日独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： PERFORMANCE ANALYSIS AND OPTIMIZATION ON HETEROGENEOUS CELLULAR NETWORKSA DISSERTATIONSUBMITTED TO THE FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL OF BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSBYWU WENJUNFOR THE DEGREE OFDOCTOR OF PHILOSOPHY INCOMMUNICATION AND INFORMATION SYSTEMSPROF. WANG WENBO, PH.D.ADVISORBEIJING, CHINASEPTEMBER 2012摘要蜂窝异构网络的性能分析与优化摘 要蜂窝异构网络是指在宏基站覆盖的范围内，引入其他通信方式，有针对性地加强特定区域的覆盖，形成两层覆盖的一种网络结构。与通过小区分裂提升频谱利用率的方法相比，蜂窝异构网络建网灵活，维护成本低廉，因而受到了广泛的关注。蜂窝异构网络的形式丰富多样，既包括引入基于蜂窝通信制式的小型站点，如中继站点、微微蜂窝站点和家庭基站等；也包括其他通信制式的加强覆盖，如无线局域网、Ad hoc网络和用户直连通信等。论文将蜂窝异构网络中用户与宏基站之间的通信称为蜂窝通信，将宏基站与蜂窝用户统称为蜂窝通信节点；同时将蜂窝异构网络中的加强覆盖方式统称为非蜂窝通信，而将小型站点及其用户、直连通信用户等统称为非蜂窝通信节点。论文对共享无线资源情况下，蜂窝异构网络的性能进行了深入的分析研究，主要包括：一、根据异构网络中蜂窝通信节点和非蜂窝通信节点的空间分布特性，分析了蜂窝通信节点与非蜂窝通信节点之间，以及非蜂窝通信节点之间的干扰的统计特性，对比了蜂窝通信与小型站点通信共存、蜂窝通信与用户直连通信共存两种蜂窝异构网络场景的干扰性能；二、论文以理论分析结果为指导，研究了蜂窝异构网络的资源配置方法；三、论文对蜂窝异构网络动态调度性能的分析方法展开了研究，建立了理论分析模型，并以轮询调度、比例公平调度和最大载干比调度三种调度算法为例，证明了论文所提的分析建模方法的正确性。首先，论文考虑了蜂窝异构网络中最为严重的干扰场景，即蜂窝通信节点与非蜂窝通信节点完全复用时频资源。论文利用空间泊松点过程，建模了蜂窝异构网络中通信节点的空间分布，分析了网络中干扰的数学期望、概率密度函数和累积分布函数，推导了非蜂窝通信节点的信干比的累积分布函数。针对不同类型蜂窝异构网络的特点和需求，论文为支持用户直连通信的蜂窝异构网络和引入小型站点的蜂窝异构网络配置了不同的参数，在保证用户实际接收的最小信号功率相等的前提下，对比了两种类型蜂窝异构网络中的干扰。其次，论文利用分析所得的干扰和信干比的统计特性，对蜂窝异构网络的资源配置方法进行了研究。一方面，提出了一种根据蜂窝通信节点接收有用信号功率和来自非蜂窝通信节点干扰功率的比值关系，配置非蜂窝通信节点发射功率的方法。该方法还将非蜂窝通信节点的中断概率考虑在内，确定非蜂窝通信节点发射功率范围的下限。另一方面，提出了一种基于宏基站与非蜂窝通信节点相对位置关系的频率资源配置方法。当非蜂窝通信节点位于小区内圈（距离宏基站较近）时，其占用与蜂窝通信节点正交的频率资源；而当非蜂窝通信节点位于小区外圈（距离宏基站较远）时，其与蜂窝通信节点复用频率资源。该方法利用理论分析得到的非蜂窝通信节点对宏基站的平均干扰值的闭合表达式，从理论上分析推导了使用正交频率资源的区域半径。最后，论文对蜂窝异构网络动态调度性能的分析方法进行了研究，采用Petri网模型对蜂窝异构网络中的无线信道和动态调度行为进行建模。由于在较短的时间内（几千子帧对应几秒），用户在空间上的移动范围较小，因此，由路径损耗和阴影衰落决定的用户平均信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR）几乎不发生变化，而快衰落系数在此期间则会改变。于是，论文采用大尺度衰落和快衰落分别建模再叠加的基本思想建立无线信道Petri网模型，即在用户平均SINR的基础上叠加快衰落。首先，遍历用户的空间分布，得到用户平均SINR的累积分布函数；然后，对平均SINR划分等级，得到各平均SINR等级的概率分布；最后，在各平均SINR等级上分别叠加快衰落，表示无线信道的瞬时变化。论文将无线信道建模为一个二维Petri网模型，一个维度表示平均SINR等级，而另一个维度则表示在平均SINR等级上信道的快衰落。在建立蜂窝异构网络无线信道和动态调度行为的Petri网模型的基础上，论文推导了轮询调度、比例公平调度和最大载干比调度三种调度方案下，用户的平均队列长度和平均吞吐量等性能指标。在一组给定的蜂窝异构网络配置参数下，论文通过系统级仿真验证了提出的分析模型及推导过程的正确性。关键词：蜂窝网络 异构网络 性能分析 空间泊松过程 Petri网iiiABSTRACTPERFORMANCE ANALYSIS AND OPTIMIZATION ON HETEROGENEOUS CELLULAR NETWORKSABSTRACTHeterogeneous cellular networks (HetNets) are two-tier networks. This kind of networks introduces new communication methods into conventional cellular networks to enhance the coverage of dedicated area. They can greatly improve the spectral efficiency. Compared with the cell splitting method which is a conventional method to improve the spectral efficiency, HetNets is more flexible and cost-effective. There are a lot of types of HetNets with different kinds of enhance layer, such as relay, pico cell, femtocell, wireless local area networks (WLAN), Ad hoc networks and direct-connect-communication-mode (DCCM). In order to facilitate the description, the communication between macro base station and cellular users is denoted by cellular-communication, and both the base stations and cellular user equipment are cellular-communication-nodes (CCN). The communications of the enhance layer in HetNets is denoted by non-cellular-communication, and the communication nodes of the enhance layer including access nodes and user equipment are called non-cellular-communication-nodes (NCCN). The performance of HetNets is analyzed in this dissertation. On the one hand, the statistical characteristics of the interference in HetNets are derived based on modeling the spatial distribution of all the communication nodes. With the analytical results, the performance of DCCM enhanced HetNets and small scale base station (SSBS) enhanced HetNets are compared. The analytical results are also used to help designing the network parameters in this dissertation. On the other hand, the dynamic scheduling performance analysis method is studied. The analysis model is proposed and validated by analyzing the performance of three scheduling algorithms, i.e. round robin (RR), proportional fair (PF) and maximize carrier to interference ratio (Max-C/I).Firstly, the most serious interference scenario is considered, in which the CCNs and NCCNs fully reuse the time-frequency resource. The spatial Poisson point process (SPPP) is adopted to model the spatial distribution of users in a HetNet containing more than one macro cell. The mathematical expectation, probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the interference are analyzed. The CDF of the signal to interference ratio (SIR) of the NCCNs is also derived. Considering the different requirements of different types of HetNets, this dissertation configures different parameters for DCCM enhanced HetNets and SSBS enhanced HetNets, and compares the statistical characteristics of the interference in these two types of HetNets.Secondly, the network configuration and resource partition method are considered using the analytical results. On the one hand, assuming the CCNs and NCCNs fully reuse the time-frequency resource, the ranges of transmit power of NCCNs are given with limited increase in cellular outage probability. On the other hand, the analytical average interference and the receiver sensitivity degradation target of HetNets are taken into account. The area in which NCCNs must use the orthogonal resource of cellular users is calculated given a group of system parameters.Lastly, the dynamic scheduling performance analysis method of HetNets is studied based on Petri Nets (PN) model. Since the location of users is almost not changed in several seconds, the geometric signal to interference and noise ratios (SINR) is not changed. However, the fast fading coefficient changes during the time interval of several seconds. While modeling the wireless channel, the geometric SINR and the fast fading are modeled separately first. Then the two models are combined together. As a result, the wireless channel is modeled as a two-dimensional PN model. One dimension stands for the geometric SINR levels, and the other stands for the fast fading superimposing on the geometric SINR. The parameters of this two-dimensional PN model can be given based on the probability distribution of each geometric SINR level and the parameters of fast fading. The decomposition method of PN is applied in analysis. And finally, the proposed model is validated by analyzing the performance of three scheduling algorithms, i.e. RR, PF and Max-C/I.KEY WORDS: cellular networks, heterogeneous networks, performance analysis, spatial Poisson point process, Petri netsvii目录目录第一章 绪论11.1蜂窝异构网络11.1.1蜂窝异构网络的产生与意义11.1.2蜂窝异构网络的类型21.2网络性能分析研究现状51.2.1干扰性能分析51.2.2动态调度性能分析61.3论文主要研究工作81.3.1论文的主要贡献81.3.2论文组织结构11第二章 蜂窝异构网络干扰性能分析132.1蜂窝异构网络的干扰场景142.1.1蜂窝通信节点受到的干扰142.1.2非蜂窝通信节点受到的干扰152.2蜂窝异构网络干扰分析模型162.2.1蜂窝通信节点的空间分布模型162.2.2非蜂窝通信节点的空间分布模型172.2.3信道模型182.3蜂窝通信节点性能分析192.3.1蜂窝通信节点接收有用信号统计特性分析192.3.2蜂窝通信节点受到的干扰统计特性分析212.4非蜂窝通信节点性能分析242.4.1非蜂窝通信节点接收有用信号统计特性分析242.4.2非蜂窝通信节点受到的干扰统计特性分析262.4.3非蜂窝通信节点SIR统计特性分析312.5数值结果与分析332.5.1理论分析结果的仿真验证332.5.2干扰性能分析与对比392.6本章小结54第三章 蜂窝异构网络的资源配置方法573.1支持用户直连通信的蜂窝异构网络的资源配置方法573.1.1基于SIDR的直连通信用户的发射功率配置方法573.1.2用户直连通信与蜂窝通信之间的频率资源配置方法683.2引入小型站点的蜂窝异构网络的资源配置方法723.2.1基于SISR的小型站点及其用户发射功率配置方法723.2.2数值结果与分析733.3本章小结79第四章 蜂窝异构网络动态调度性能分析方法814.1网络动态调度行为的Petri网模型814.1.1模型结构描述814.1.2动态调度方案抽象描述854.2动态调度方案性能分析874.2.1Petri网模型的分解874.2.2Petri网模型的转化与计算904.2.3蜂窝异构网络动态调度性能计算974.3数值结果与分析984.3.1单用户场景的数值结果与分析1044.3.2多用户场景的数值结果与分析1084.4本章小结114第五章 结束语1155.1论文工作总结1155.2进一步研究工作117附录I 缩略语119附录II 蜂窝通信节点接收信号统计特性推导121附录III 接收泊松干扰源的干扰功率和的统计特性推导123附录IV 非蜂窝通信节点接收信号统计特性推导127附录V 非蜂窝通信节点的SIR统计特性推导129参考文献133致 谢143攻读学位期间发表的学术论文目录145图图 11 蜂窝异构网络分层结构示意图3图 12 论文核心内容组织结构图12图 21 蜂窝用户受到的干扰14图 22 宏基站受到的干扰15图 23 非蜂窝通信从属节点受到的干扰15图 24 非蜂窝通信主导节点受到的干扰16图 25 蜂窝用户接收功率CDF曲线36图 26 宏基站接收功率CDF曲线37图 27 蜂窝下行传输时直连通信用户接收功率CDF曲线38图 28 蜂窝上行传输时直连通信用户接收功率CDF曲线38图 29 直连通信用户SIR的CDF曲线39图 210 蜂窝用户接收功率CDF曲线41图 211 宏基站接收功率CDF曲线42图 212 蜂窝下行传输时直连通信用户接收功率CDF曲线43图 213 蜂窝上行传输时直连通信用户接收功率CDF曲线44图 214 蜂窝下行传输时直连通信用户SIR的CDF曲线45图 215 蜂窝上行传输时直连通信用户SIR的CDF曲线45图 216 蜂窝用户接收功率CDF曲线48图 217 宏基站接收功率CDF曲线49图 218 小型站点用户接收功率CDF曲线50图 219 小型站点用户接收干扰功率CDF曲线51图 220 小型站点用户下行SIR的CDF曲线52图 221 小型站点接收功率CDF曲线53图 222 小型站点接收干扰功率CDF曲线53图 223 小型站点用户上行SIR的CDF曲线54图 31 蜂窝用户下行SIDR的CDF曲线仿真和分析结果63图 32 蜂窝用户下行SINR的CDF曲线仿真结果64图 33 蜂窝下行传输时直连通信用户SINR的CDF曲线64图 34 蜂窝用户上行SIDR的CDF曲线仿真和分析结果66图 35 蜂窝用户上行SINR的CDF曲线仿真结果66图 36 蜂窝上行传输时直连通信用户SINR的CDF曲线67图 37 基于ASID的频率资源配置方法示意图68图 38 不同场景下小区内外圈界限计算结果71图 39 蜂窝用户下行SISR的CDF曲线仿真和分析结果75图 310 蜂窝用户下行SINR的CDF曲线仿真结果76图 311 小型站点用户下行SINR的CDF曲线76图 312 蜂窝用户上行SISR的CDF曲线仿真和分析结果78图 313 蜂窝用户上行SINR的CDF曲线仿真结果78图 314 小型站点用户上行SINR的CDF曲线79图 41 无线网络动态调度行为的PN模型84图 42 蜂窝异构网络动态调度行为的蜂窝用户子PN模型88图 43 蜂窝异构网络动态调度行为的直连通信用户子PN模型88图 44 蜂窝用户和直连通信用户平均SINR的CDF曲线100图 45 队列长度分布104图 46 满队列和队列溢出概率105图 47 平均队列长度105图 48 平均吞吐量106图 49 平均时延106图 410 蜂窝用户队列长度分布108图 411 直连通信用户队列长度分布108图 412 蜂窝用户满队列和队列溢出概率110图 413 直连通信用户满队列和队列溢出概率110图 414 蜂窝用户平均队列长度112图 415 直连通信用户平均队列长度112图 416 蜂窝用户平均吞吐量113图 417 直连通信用户平均吞吐量113表表 21 阴影衰落标准差18表 22 验证分析结果的仿真参数35表 23 支持用户直连通信的蜂窝异构网络干扰分析场景配置参数40表 24 引入小型站点的蜂窝异构网络基本参数46表 25 引入小型站点的蜂窝异构网络干扰分析场景配置参数47表 31 基于SIDR的发射功率配置方法实例的基本系统参数61表 32 蜂窝下行传输时直连通信用户最大发射功率可选配置62表 33 蜂窝下行传输时直连通信用户最小发射功率可选配置63表 34 蜂窝上行传输时直连通信用户最大发射功率可选配置65表 35 蜂窝上行传输时直连通信用户最小发射功率可选配置65表 36 直连通信用户发射功率可选配置67表 37 基于ASID的频率资源配置方法的实例的基本系统参数70表 38 基于ASID的频率资源配置方法的实例的各场景配置参数70表 39 基于ASID的频率资源配置方法的理论计算误差72表 310 基于SISR的发射功率配置方法实例的基本系统参数73表 311 小型站点最大发射功率可选配置74表 312 小型站点最小发射功率可选配置74表 313 小型站点用户最大发射功率可选配置77表 314 小型站点用户最小发射功率可选配置77表 41 蜂窝异构网络完全复用资源场景下的参数配置99表 42 29种MCS方式8100表 43 无线信道PN模型平均SINR等级及概率分布102表 44 分析合并后的MCS方式102表 45 部分无线信道状态的转移概率102表 46 蜂窝用户无线信道状态的概率分布103表 47 直连通信用户无线信道状态的概率分布103v第一章 绪论1 第一章 绪论1.1 蜂窝异构网络无线蜂窝通信系统自上世纪六十年代提出以来，经历了从第一代模拟通信系统到第二代数字通信系统的发展。本世纪初，国际电信联盟（International Telecommunication Union， ITU）已经开始推进第三代（Third Generation，3G）无线蜂窝通信系统及其长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术的发展。目前，ITU已经确定了未来国际移动通信（International Mobile Telecommunications -Advanced，IMT-Advanced）标准，即第四代（Fourth Generation，4G）无线蜂窝通信系统标准，LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced（802.16m）技术规范顺利通过审议。我国提交的TDD-LTE技术规范，作为LTE-Advanced的一个分支，也荣幸地成为4G标准之一1。半个多世纪以来，蜂窝通信技术不断发展，已经成为现代人生活中最为重要的通信方式。根据ITU报告，截至2011年底，全球手机用户已经占到全球79亿人口总数的84%，达到59亿。而在我国，3G用户数量也呈现出良好的增长趋势：根据2011年半年报，中国移动的3G用户数超过3500万，中国电信和中国联通的3G用户数也分别突破2100万2。1.1.1 蜂窝异构网络的产生与意义随着社会的发展，人们对通信的需求早已不再局限于话音业务。智能终端的出现迎合了人们日益丰富的需求，蜂窝通信终端已经成为人们随时随地获取和处理与生活、工作相关的信息的重要工具，大量的数据通过蜂窝通信系统进行传输。据报道，2010年全球的移动数据业务增长了约159%，保守估计，到2015年，这一增长速度将保持在每年92%以上3，这对蜂窝通信技术而言是巨大的机遇，同时也为其带来巨大的挑战。众所周知，对所有无线通信技术而言，最为宝贵和有限的资源是频率，蜂窝通信系统也不例外。根据国际电信联盟无线通信工作组（ITU- Radio communication sector，ITU-R）要求4，IMT-Advanced系统需要提供高达1 Gbps的下行峰值速率5，以满足丰富的移动数据业务的需求。尽管引入多小区宏基站之间的协作6，或进行合理的小区分裂缩短复用频率资源的宏基站之间的距离7等方法可以有效的提升频谱利用率，然而，这些方式大多不经济。为了在提供足够的数据传输能力的基础上，尽可能降低网络建设和维护成本，一种新型的网络结构出现了。该网络结构在仅采用宏基站进行单层覆盖的传统蜂窝网络组网方式基础上，引入中继站点、微微蜂窝站点、家庭基站等低发射功率的小型站点，进行特定区域的加强覆盖。在第三代合作项目（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）中，将这种同时存在传统蜂窝覆盖和小型站点覆盖的网络称为异构网络（Heterogeneous Network，HetNet），也即蜂窝异构网络8。相比传统的蜂窝网络，蜂窝异构网络具有以下显著的优势： 便捷的站点部署和灵活的组网：由于小规模站点的部署不需要像宏基站一样选择高楼或架设高塔，其天线高度相对灵活，因此可选的部署位置也更丰富，例如：中继站点和微微蜂窝站点可以处于街边、屋檐等位置，家庭基站可在室内随意放置。 相对低廉的建网成本和维护开销：由于小型站点覆盖范围有限，因此其发射功率相对较低，且其功能远不如宏基站，因此从价格上讲，宏基站远高于小型站点。选择小型站点，尽管设备数量会增加，但总的设备成本会降低。此外，宏基站在运营中，需支付场地租用费、电费等，这些维护费用远远大于小型站点。特别的，对家庭基站而言，此类维护费用微乎其微9。 针对性的覆盖加强：由于小型站点的覆盖范围小，其与终端之间的信道质量好，因此在低发射功率时可达到较好的信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR），有效解决宏基站覆盖中的盲点问题。此外，针对用户密集的热点区域，也可以通过灵活部署小型站点，达到提高传输速率的目的。 频谱利用率的有效提升：由于小型站点可以复用传统蜂窝网络资源，且由于小型站点的覆盖范围有限，不同的小型站点之间也可以在一定程度上复用资源，因此频谱利用率能够得到有效提升。尽管引入小型站点的蜂窝异构网络具有众多的优势，但是其也面临不容忽视的问题，例如，接入选择、站点间同步、干扰问题等等。为了解决上述问题，推进蜂窝异构网络在现实中的应用，众多标准化组织都对其展开了广泛的研究10-14，讨论的内容包括蜂窝异构网络的最小系统需求、小型站点的协议栈设计、承载控制和QoS保障机制、资源分配策略和干扰管理方案等等。1.1.2 蜂窝异构网络的类型蜂窝异构网络是指在传统宏基站覆盖的范围内，引入非蜂窝通信方式，以加强特定区域的覆盖。如图 11所示，蜂窝异构网络在传统宏基站覆盖的基础上引入了加强覆盖的新型通信方式，形成了多层的网络结构。从这个意义上讲，蜂窝异构网络的加强覆盖形式既包括基于传统蜂窝通信制式的小型站点，即前文所述的中继站点、微微蜂窝站点和家庭基站，也包括其他通信制式的加强覆盖，如无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）技术、Ad hoc网络和用户直连通信等。图 11 蜂窝异构网络分层结构示意图 引入中继的蜂窝异构网络在传统蜂窝网络中部署中继站点，通过中继站点转发信号，可以有效提升用户接收信号质量，从而达到扩大覆盖范围、提升传输速率、提高频谱利用率的目的。常见的中继转发策略包括：放大转发(Amplify and Forward，AF)、解码转发(Decode and Forward，DF)、增量中继(Incremental Relaying，IR)等1516 17。由于中继与宏基站重叠覆盖，且中继通过无线回程链路与宏基站之间收发信号，故可以利用新型的协同信号处理技术，更进一步提升系统性能18。然而，中继技术面临的最大问题也正是由于其无线回程链路造成的，即回程链路受限的问题。目前，这一问题已经被广泛研究，采用合理的资源分配方案，可以有效缓解回程链路与中继接入链路之间不匹配的问题19。 引入家庭基站的蜂窝异构网络家庭基站的部署主要解决宏基站室内覆盖薄弱的问题。其成本低廉，维护简单，却能够为室内用户提供较高的传输速率。与中继站点不同，家庭基站是一种用户自主部署，自由开关的小型站点，其采用基于因特网协议（Internet Protocol，IP）的有线回程链路20。由于家庭基站的私有性，通常只允许授权用户接入9。在室内环境中，尤其在写字楼环境中，家庭基站部署密集，且其部署和开关不受控制，如何动态的感知干扰环境，优化家庭基站的覆盖范围，选择合理的频率资源进行传输，在家庭基站研究领域备受关注21-26。此外，由于有线回程链路的时延不可控，因此，家庭基站的同步问题也引发了广泛的讨论20。 引入WLAN的蜂窝异构网络WLAN是基于IEEE802.11标准的，其允许用户在局域网络环境中使用未授权的2.4GHz或5.8GHz频段接入无线节点，进而连接到因特网。WLAN是一种能够在小范围内提供高速数据传输的网络，也是一种有效的分流蜂窝网络中数据业务的增强覆盖形式。由于WLAN技术成熟，设备成本低廉，众多运营商为了缓解爆炸式增长的数据业务给蜂窝网络带来的压力，均进行了WLAN的建设，这其中包括中国移动和中国联通。然而，WLAN与蜂窝网络是不同制式的，因此用户在使用的过程中必须在终端设备进行手动选择或预先设定。由于WLAN的覆盖范围有限，用户在WLAN和蜂窝网络之间的无缝切换仍然需要研究。 引入Ad hoc技术的蜂窝异构网络随着智能终端的普及，移动数据业务的多样化，用户之间短距离通信的可能性越来越大。当在蜂窝网络中支持物联网应用时，这种短距离的通信将变得更加频繁。Ad hoc技术与蜂窝网络的结合，有针对性的解决蜂窝网络中的短距离数据通信问题。由于Ad hoc网络是无中心的自组织网络，当通信的两端距离较近时，可通过一跳或多跳建立连接，而无需经过基站。将Ad hoc网络与蜂窝网络结合起来，不仅可以解决频繁的短距离通信挤占传统业务资源的问题，还拥有许多优势，例如：通过多跳转接的方式消除蜂窝网络覆盖中的盲点，利用动态中继转发功能调整热点区域的流量等27。然而，Ad hoc技术增强的蜂窝异构网络也面临许多问题，如：不同通信制式之间的切换问题、终端节点的路由算法、安全问题、计费问题等27。同时，由于用户采用Ad hoc通信方式时完全不受基站控制，网络中的干扰也很难管理和掌控。上述这些不利因素，成为Ad hoc技术增强的蜂窝异构网络走向商用的障碍。 支持用户直连通信的蜂窝异构网络蜂窝辅助的用户直连通信是从Ad hoc技术与蜂窝网络融合的过程中演变而来的。受Ad hoc技术与蜂窝网络融合研究的影响，一种被称作“micro cooperation”的通信方式被提出来28。相比传统的蜂窝通信方式，其支持通信两端之间直连的短距离通信，在提供更高的传输速率的同时，可以更有效地利用资源、降低功耗28。这种在蜂窝通信网络中，建立用户之间直接通信链路的网络，又被称为蜂窝控制的点对点（Peer-to-Peer，P2P）通信网络29。蜂窝控制的P2P通信网络仍然支持多用户之间的协作机制30，是蜂窝辅助的用户直连通信的早期形态。随着网络的发展和新应用的涌现，蜂窝网络中的短距离通信越来越成为蜂窝网络在未来需要面对的重要挑战。为了有效应对这一问题，有文献提出采用用户直连通信方式简化本地的P2P通信，推动其在网络中的实现，使其成为蜂窝网络中的加强覆盖层31。这种通信方式有别于Ad hoc网络，相比基本的P2P通信，也去掉了用户之间的协作功能。用户直连通信的两端都需要从宏基站接收必要的控制信令，在宏基站的辅助下建立连接，但是其数据的传输是通过直连链路实现的。该直连通信链路复用蜂窝资源，并采用与传统蜂窝通信类似的帧结构。因此，用户直连通信能有效的节约短距离通信终端与宏基站进行通信的资源，对用户而言，不需要进行通信制式的切换，对网络而言，干扰在掌控之中。支持用户直连通信的蜂窝异构网络能够有效地改善新应用带来的短距离通信频发的问题，在频谱利用率上可以获得很大的提升，同时其又在宏基站的控制之下，有利于网络资源的优化分配和干扰管理。本论文的研究中，重点关注了在蜂窝网络中引入小型站点和蜂窝控制下的用户直连通信这两种加强覆盖层的异构网络场景。1.2 网络性能分析研究现状通信系统性能的理论分析最早可以追溯到Shannon在1948年对信道容量的分析，其给出了通信信道所能提供的传输速率的上界32。这实际上是对单条通信链路性能的理论分析。在研究的过程中，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）成为广受关注的通信质量指标。随着技术的发展，无线网络的规模越来越大，网络中的节点密度增大，节点类型也更加多样，传统性能分析方式的局限性越来越凸显，这体现在几个方面： 影响通信性能的重要因素是SINR而不再只是SNR，网络中的干扰大小与网络中节点的空间分布密切相关，这将影响到路径损耗和阴影衰落的计算33，传统单链路性能分析关注的SNR指标局限明显； 在多用户场景下，网络的动态调度将影响到多用户性能增益，特别是在采用感知信道、队列等等因素的动态调度方案时，多用户增益显得尤为重要34，然而传统的链路性能分析无法体现多用户性能增益。1.2.1 干扰性能分析在蜂窝网络中，不同用户的位置相互独立，这符合空间泊松点过程（Spatial Poisson Point Processes，SPPP）的特征，因此可以采用SPPP对用户分布进行建模并求解其干扰的概率统计特性。1993年，牛津大学出版了由Kingman所著的Poisson Processes一书35。书中对一维和多维的泊松过程在各个领域的应用进行了简要介绍，并用浅显易懂的方式介绍了泊松过程相关的概念、定理等。在对码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）系统进行干扰分析的过程中，广泛应用了二维空间泊松过程进行建模。在文献36中，作者利用SPPP建模了用户在空间的分布，并考虑了由位置造成的大尺度衰落和阴影衰落等因素，对CDMA系统中的干扰进行了分析。此外，作者还在假设宏基站接收的服务用户功率归一和不同业务到达模型的条件下，分析对比了系统的中断概率。在文献3738中，以SPPP建模用户的空间分布，分析了CDMA系统的最大负载能力，讨论其接入控制机制等。在基于CDMA多址接入方式的蜂窝异构网络的研究中，也广泛的应用了SPPP理论。在引入微小区（Microcell）的CDMA系统中，研究者针对单小区环境下用户的空间分布进行了SPPP建模，同时考虑路径损耗、多址接入干扰、功率控制、接入站点的选择等因素，对系统容量进行了分析3940。在引入家庭基站的CDMA系统中，研究者也利用SPPP理论，对系统的上行容量展开了研究41。除此之外，窄带接入节点和超宽带接入节点共存的分层无线通信系统研究中，也运用SPPP进行了建模和分析42。随着4G通信系统的研究推进，OFDM技术在移动通信标准中被广泛采用。在针对基于OFDM技术的蜂窝异构网络的研究中，尤其是家庭基站的研究中，SPPP也得到了众多研究者的青睐43-46。在文献43中，研究者采用SPPP建模了单小区环境下家庭基站的空间分布，并在家庭基站与宏基站采用正交资源分配方案的场景下分析了家庭基站信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）的分布特性，以最大化空间频谱效率为目标，提出了下行分布式资源分配算法。文献44中，同样采用SPPP建模了单小区环境下家庭基站在空间的分布，对家庭基站增强的蜂窝异构网络在不同频率资源分配方案下的上行中断概率和遍历容量进行了分析和拟合。文献45中分析了蜂窝下行传输中家庭基站用户的中断概率，然而在其分析中只考虑宏基站对家庭基站用户的干扰，没有考虑家庭基站之间的干扰，并且将宏基站对家庭基站用户的干扰近似拟合为对数正态分布。文献46还将SPPP运用到多天线家庭基站的性能分析和优化中，但由于多天线性能分析较为复杂，作者只考虑了基于距离的路径损耗，而没有考虑阴影衰落。目前已有综述性文献对基于用户空间随机分布模型的无线网络性能分析方法进行了总结介绍47-49，但是这些方法在多小区场景下的蜂窝异构网络性能分析中的应用不多，且鲜有研究将其应用到不同类型蜂窝异构网络的干扰性能对比分析中。1.2.2 动态调度性能分析在无线网络动态调度性能分析研究中，较早采用的是排队论，其被用于对简单的业务模型及排队机制进行建模。在计算机网络中研究和应用较广的队列模型如先到先服务（First Come First Served，FCFS）和轮询（Round Robin，RR）等都被应用到无线网络的动态性能分析中来50。然而，由于无线信道的随机性，排队论在计算机网络中的成熟的研究成果并不直接适用于无线网络。对无线信道进行建模，抽象出排队模型中的服务速率模型，可以有效辅助排队论分析无线网络动态性能。根据无线信道建模的准确程度来看，在应用中主要采用以下几种基本信道模型：1）无记忆开关信道模型；2）两状态的Gilbert-Elliot信道模型51；3）有限状态马尔科夫无线信道模型52。在现有研究中，可利用排队论建模分析得到无线网络用户队列的长度的上界53，以便进一步评价无线网络的稳定性等。同时，也有研究者采用有限状态马尔科夫无线信道模型，建模分析了传输时延统计特性54。更有文献在单用户场景下，结合有限状态马尔科夫无线信道模型和队列状态构造二维马尔科夫链，分析得到了平均时延、平均吞吐量等指标34。也有参考文献55将排队论应用到蜂窝异构网络的性能分析中，利用连续时间马尔科夫链分析了单个基站和多个femto小区场景下的掉话率、系统容量、信道利用率等性能指标。然而在其分析中主要考虑信道数量对性能的影响，而忽视信道的时变特性，没有体现出无线