异构网络智能化控制与优化的关键技术研究

密级： 保密期限： 博士研究生学位论文 题目： 异构网络智能化控制与 优化的关键技术研究 学 号： 098031 姓 名： 李一喆 专 业： 通信与信息系统 导 师： 田辉教授 冯志勇教授 学 院： 信息与通信工程学院 2012年 6月25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： 北京邮电大学博士论文摘要异构网络智能化控制与优化的关键技术研究摘 要当前移动通信的一个关键问题就在于有限的频谱资源和人们无限的通信需求之间的矛盾。但是由于传统的通信系统在空间和时间上存在着一些固有的限制，现有系统对频谱资源的利用率却相对不高。随着通信技术的发展，为了提高系统容量，未来的通信系统发展呈现出了一种异构化的趋势，主要包括一、网络覆盖范围的异构，二、资源使用优先级的异构，三、网络技术标准的异构。这样异构化的网络可以改善通信系统的性能，从空间和时间上进一步开发和提高频谱等无线资源的利用率，在一定程度上解决通信需求增长与频谱资源紧缺的矛盾，但是网络异构化也带来了一些问题，其中一个关键的挑战就是如何对异构网络进行有效的控制与优化操作，从而保证网络高效地运行，实现提高频谱等无线资源利用效率和整个网络容量的目标。因为异构化的网络虽然形式不同，但都存在着网络种类和数量多、结构复杂、管控目标多元化、需要调整的参数繁多等特点，相对于传统网络，异构网络不仅对于网络性能的需求更多，要求更高，而且网络运行中控制和优化的难度也大大地增加，因此传统的主要以人工方式进行的网络规划、设计、管理和维护已不能很好地满足网络运维的要求，需要研究智能高效的无线网络设计、管理与优化方法，实现网络资源的高效管控和利用、网络间的干扰消除，网络元素的有效协作，以达到提高频谱等无线资源效率和系统性能的目的。面对无线网络异构化的趋势，本论文针对异构网络亟需提升系统性能和实现高效管控的挑战，充分考虑不同异构网络在网络层次关系、网络优化目标和可用优化方法等方面的特点与共性，结合通信网络理论与人工智能等数学算法，研究了在异构化的网络中进行智能的控制与优化，从而提高频谱效率和网络容量的关键技术与方法。本论文的主要创新点如下：针对异构化网络中控制和优化所面临的高要求、高复杂度的挑战，探索了异构网络中智能化的控制与优化技术。首先针对覆盖范围异构的层叠网络的资源分配基本问题，通过借鉴频率软复用的思想，实现了在宏蜂窝与femtocell网络之间有效地划分可用频谱的方法，其次研究了引入认知技术来进一步提高femtocell网络对宏蜂窝网络空闲频谱的利用率的方法。进而结合启发式算法，在层叠网络中实现以容量最大化为目标的信道与功率的高效分配。在解决了资源分配问题后，进一步研究了在层叠异构网络运行过程中，引入启发式算法来智能地优化网络参数的技术。首先针对家庭环境中的层叠网络覆盖，研究了利用多天线技术的基于波束赋形的天线参数优化方法，从空间的角度降低层叠网络的干扰并提高容量。其次建立了公共环境中层叠网络的容量模型，并提出了基于模拟退火法的天线与功率的联合优化方法，尽可能地降低网络中的干扰和提高资源效率。结合无线通信技术发展的新趋势，研究了层叠网络中的控制与优化的新技术。首先提出了适于层叠网络的低开销的层叠网络环境下的联合多点通信技术，利用多点协作来减小小区间干扰和提高容量。其次通过功率优化和接入控制来在不影响系统性能的前提下尽可能地降低femtocell网络中的能耗，实现femtocell网络中的绿色通信。第三，引入了神经网络方法，建立基于神经网络模型的femtocell网络管控系统，高效地优化网络的多项运行参数，进而优化网络的性能。在关于层叠异构网络研究的基础上，根据不同异构网络在网络间关系、优化目标和方法上的相似性，针对主次异构网络和接入技术异构网络的控制与优化问题进行了研究。首先针对主次用户共存网络中两个不同的典型场景，建立主次网络容量的模型，并基于凸优化理论和拉格朗日方法，研究了主次用户协作的频谱与功率分配最优解，以及在一定的速率限制条件下，次级用户多播网络中的无线资源分配方法。其次，针对多接入技术标准的异构接入网络中用户进行网络选择的问题，引入启发式算法，以保证用户的服务和网络整体性能为前提，综合考虑影响通信质量的因素和设备的能耗，提出了基于用户选择的多重网络覆盖下多模终端的接入选择策略。关键词：频谱利用率，异构化网络，层叠网络，主次用户网络，异构接入网络，无线资源分配，无线参数优化，绿色通信北京邮电大学博士论文ABSTRACTTHE KEY TECHNOLOGIES RESEARCH ON INTELLIGENT CONTROL AND OPTIMIZATION IN HETEROGENEOUS NETWORKSABSTRACTCurrently a key issue in the mobile communications lies in the contradiction between the limited spectrum resources and explosively increasing demand of multimedia service. But there are some inherent limitations of traditional communications systems in space and time, which make the utilization of existing spectrum resources still not high. To improve the system capcacity, the development of communication systems in the future shows a heterogeneous trend that prompts the potential for spectrum efficiency as much as possible in terms of time and space, which includes the following three aspects: firstly, heterogeneous networks of different coverage. Secondly, the heterogeneous networks of different use priorities of wireless resources. Thirdly, the heterogeneous networks of different technical standards. These three kinds of heterogeneous networks could improve the performance of the communication system and alleviate the contradictions between the growth in communication service and spectram source scarce, but they also bring some technical chanllenges, the most important one of which is how to effectively control and optimize the heterogeneous networks. In spite of different forms of heterogeneous networks, they all have the same key objective to improve the utilization of spectrum resources, and have many things in common in relationship between different levels of network, optimization requirements and the methods used. They have similar characteristics of multiple network types, complex structure, diversification of performance targets and large number of parameters to be adjusted, so the traditional manual-based network planning, design, management and maintenance can no longer well meet the network operation requirements. It is needed to study smart and efficient wireless network design, management and optimization method for heterogeneous networks of new features, which can combine with communication theories and mathematical methods to achieve efficient control and utilization of network resources, elimination of interference between networks, effective collaboration of network elements, and so on.To deal with the problems in controlling and optimizing of the heterogeneous networks and achieve the goal of further enhancing spectral efficiency, this thesis studies a variety of key technologies of intelligent control and optimization in the heterogeneous network to use spectral more effectively and improve network capacity. The first chapter of the thesis describes the problems faced by the wireless communication system and the development trend of isomerization, then elaborates the background of the heterogeneous network, the basic concepts and the status quo, and derived the focuses of this study that researching on key technologies of intelligent control and optimization, in order to implement effective operation and maintenance at heterogeneous networks, and improve utilization of spectrum resources and network capacity. The main innovations of this thesis are as follows:Firstly, we describe the two-tier heterogeneous networks problems and the status quo, then starts the researching from three aspects: efficient allocation of resources of the two-tier network, the intelligent optimization of network parameters and new technologies to enhance network performance. Based on cognitive technologies, heuristic algorithms and neural network, we proposed a series of intelligent control and optimization methods such as the two-tier network spectrum allocation strategy, channel and power allocation method, the antenna optimization technology, joint optimization technique of the wireless parameters, coordinated multi-point transmission technology, energy-saving methods and control system model. The simulation results show that the above methods improve the performance of the overlay network from the allocation of resources, interference cancellation, capacity maximization and so on, resulting in improving the radio resource utilization, reducing the interference of the network and effectively enhancing the capacity of the network.Then we study the control and optimization methods of resources use priorities based heterogeneous network and technology standard based heterogeneous network. After review of the background and research of these two heterogeneous networks, we focus on primary and secondary user network, in two typical scenarios propose approaches maximizing the overall network capacity through the secondary users channel and power allocation and on premise of ensuring the quality of the primary users service. Then we study the method of users choosing the most appropriate network to access in accordance with the characteristics of the different networks and their own needs for multi-standard networks, which allows users to get a better quality of service (QoS), and ensures the overall network performance. In particular, we think low energy consumption as an important consideration, in order to as much as possible realize the green network communication.KEY WORDS: Spectrum utilization, heterogeneous networks, overlay network, primary and secondary users networks, heterogeneous access networks, radio resources allocation, optimization of wireless parameters, green communication北京邮电大学博士论文目录目录第一章移动通信系统的异构化发展趋势31.1移动通信发展的历史与现状31.1.1移动通信发展的历史31.1.2现有移动通信系统面临的挑战51.2移动通信系统发展的异构化趋势61.2.1基于不同覆盖范围的层叠网络61.2.2基于不同资源使用优先级的主次用户网络81.2.3基于不同技术标准的异构接入网络91.2.4异构化网络所面临的问题101.2.5异构化网络中控制与优化技术的研究111.2.5.1研究的意义111.2.5.2研究的现状121.3本文所做贡献及内容结构14参考文献16第二章层叠网络无线资源优化分配的关键技术192.1引入认知的层叠网络频谱分配方法与分布式资源分配技术192.1.1系统模型202.1.2引入认知的宏蜂窝与femtocell层叠网络的频谱分配技术212.1.3宏蜂窝覆盖下的femtocell网络中分布式无线资源分配技术222.1.4仿真与性能分析252.2基于强化学习的公共femtocell网络无线资源分配技术262.2.1强化学习算法272.2.2基于Q学习的femtocell网络资源分配方法292.2.3仿真与性能分析342.2.4本章小结36参考文献36第三章层叠网络的无线参数的控制与优化393.1家庭环境Femtocell的天线参数优化技术393.1.1系统模型403.1.2家庭环境femtocell天线优化方法413.1.3仿真与性能分析433.2基于启发式算法的公共femtocell网络无线参数优化算法453.2.1模拟退火法463.2.2系统模型473.2.3公共Femtocell网络的功率与天线联合优化算法483.2.4仿真与性能分析543.2.5本章小结57参考文献57第四章层叠网络优化的新技术研究614.1Femtocell网络的联合多点通信技术614.1.1系统模型634.1.2femtocell网络的联合多点通信技术644.1.3仿真与性能分析674.2层叠网络的节能技术684.2.1系统模型694.2.2Femtocell网络的节能方法704.2.3仿真与性能分析764.3基于神经网络的层叠网络参数整体优化算法784.3.1系统模型794.3.2基于神经网络的femtocell网络的参数优化方法804.3.3仿真与性能分析834.3.4本章小结84参考文献84第五章主次网络和异构接入网络的控制与优化875.1基于拉格朗日法的主次用户网络的联合无线资源分配技术875.1.1拉格朗日算法885.1.2系统模型905.1.3主用户协作下的多认知用户资源分配方法915.1.4仿真与性能分析935.2基于拉格朗日法的次级用户组播网络中的资源分配优化方法955.2.1系统模型965.2.2最大限度降低掉话率的功率与速率控制方法965.2.3仿真与性能分析985.3基于强化学习的异构接入网络的接入选择方法1005.3.1系统模型1015.3.2基于Q学习的接入网络选择方法1025.3.3仿真与性能分析1035.3.4本章小结106参考文献107第六章总结和展望1096.1论文总结1096.2未来研究展望109致谢111附录1：缩略语表113附录2：博士期间科研成果情况117北京邮电大学博士论文第一章 移动通信系统的异构化发展趋势第一章 移动通信系统的异构化发展趋势本章简要回顾移动通信的发展历史及研究现状，并探讨了现有通信系统所面临的主要技术挑战以及提高频谱资源利用效率的关键目标，阐述了网络异构化的发展趋势，引出网络异构化所面临的控制与优化的问题，进而说明本文所做的研究工作。1.1 移动通信发展的历史与现状1.1.1 移动通信发展的历史移动通信已成为对人类社会影响最深刻的技术之一，正越来越深入地应用于生产和生活的各个方面，本节将简要回顾移动通信的发展历史，从而引出现有移动通信的背景、演进路线、技术特点及其面临的问题等。无线通信技术起源于19 世纪五六十年代。自从Maxwell与Hertz分别从理论上和实验中证明了电磁波的存在后，人们利用电磁波进行通信的尝试就未曾停止过。Marconi完成了第一次利用电磁波横跨大西洋的传送，开启了无线电通信的新时代。到了1928 年，美国Purdue 大学学生发明的超外差式无线电接收机成为了第一种投入实际应用的无线通信系统。接下来，美国和欧洲又陆续退出了公用移动电话系统，针对频谱资源利用效率不足的问题，1978年美国贝尔实验室提出了具有里程碑意义的小区制蜂窝组网理论，并开发了第一种蜂窝移动通信系统高级移动电话业务（Advanced Mobile Phone Service, AMPS）系统，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路-1尹长川，罗涛，乐光新编著,多载波宽带无线通信技术：北京邮电大学版社，2004年.-1。进入20 世纪80 年代中期，欧洲建立了ETACS、NMT-450等模拟制式的频分双工的第一代蜂窝移动通信系统，日本也建立了类似的NTT/JTACS/NTACS等1G系统。1G 系统采用蜂窝组网和频率复用等关键技术，有效地解决了当时的常规移动通信系统所面临的频谱利用率低、容量小及业务的服务质量差等问题，在商业上取得了巨大的成功。不过，1G 系统在技术和体制上也存在诸多局限，如频谱利用率低，同频干扰和互调干扰、系统保密性差及提供的业务种类比较单一等。为了解决第一代蜂窝移动通信系统中存在的技术缺陷，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统或2G 系统从20 世纪90 年代开始逐渐发展起来，包括欧洲的GSM（Global System Mobile）,美国的DAMPS 和日本的JDC 等，以及1993 年，美国推出了基于码分多址（Code Division Multiplex Access，CDMA）接入技术的IS-95 系统。进入20世纪80年代，蜂窝移动通信系统已经在世界范围内大规模应用。为了实现全球移动通信系统的无缝漫游，给用户提供更好的服务体验，1985 年国际电信联盟（ITU）提出了未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）的概念，意欲在全球建立统一的移动通信系统标准，从而实现全球漫游。FPLMTS 是第三代移动通信系统的前身，其目的是实现任何人在任何时间、任何地点，能向任何人传送任何信息。1995年ITU 将FPLMTS 更名为国际移动电信2000（IMT-2000），即第三代移动通信系统或3G 系统。并且在新千年到来之际确定了包括欧洲标准WCDMA，美国标准cdma2000，中国标准TD-SCDMA等在内的第三代移动通信系统（IMT-2000）。和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的数据率有了大幅提高，且具有了承载多媒体业务的能力。图1-1移动通信系统的演进随着用户对无线传输服务要求的进一步提高，3G系统2Mbits/s的峰值速率仍然显得较低，不能满足移动计算等业务的要求，并且3G所采用的CDMA技术的给运营商带来的专利权成本和日趋激烈的新加入的运营商的竞争，使得运营商不得不加快技术革新，推动网络演进，支持新的无线业务，从而在竞争中立于不败之地。基于对移动通信宽带化的认识和宽带接入移动化的需求， 3GPP推出了第三代移动通信系统(3G)的演迸版本LTE(Long Term Evolution)系统1-1-沈嘉，索士强，全海洋等编著，3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计，人民邮电出版社，2008年.，带来了移动通信的一次阶段性技术变革。基于正交频率复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO)等新技术的LTE系统充分地从时间、频域和空间角度开发了频谱资源的利用率，并且利用分集的原理提高了信号的质量和传输可靠性，极大地改善了通信系统的性能1-1-肖睿，LTE-Advanced及其关键技术，技术前沿，2009.3.。目前我国具有自主知识产权的TD-LTE系统已经进行了局部地区的网络试运行，即将投入商用。在此基础上，2008年3月3GPP又展开了LTE-Advanced的标准化工作，应用多种新技术，如：增强的多输入多输出（MIMO）、协作多点通信技术（Coordinated Multiple Point Transmission/Reception）、中继（Relay）通信技术等来进一步提高移动通信系统的性能及频谱资源利用率，从而配合国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)启动的第四代移动通信系统IMT-Advanced的标准制定工作231-21-31-1-华为技术有限公司，LTE-Advanced关键技术及标准进展，电信网技术，2010.5。1.1.2 现有移动通信系统面临的挑战虽然无线通信系统经过多年的演进和技术的创新，但仍然存在着一些比较关键的问题，其中如何获得足够的频谱资源便是最重要的挑战之一。在无线通信系统中，对覆盖范围和信号质量的要求使得蜂窝系统可用的频谱局限在一定的波段内，根据香农的信息论，无线通信的容量直接受可用频谱带宽的限制，因此频谱的局限性也就限制了无线通信网络的容量。而随着互联网、物联网等飞速发展，人们通过无线网络随时随地获取数据和多媒体服务的需求急剧增长，这就与有限的频谱资源之间产生了日趋尖锐的矛盾。为了满足社会生产和生活的需要，研究如何在有限的带宽下尽可能提高无线通信系统容量已经成为学术界和工业界共同的关注热点。在现有的蜂窝移动通信系统中，提升系统容量主要是从香农信息论的另一个方面考虑，即提高信号传输的质量。为此提出了在蜂窝通信系统中的多种信号传输方法，包括调制和编码技术、信号功率控制、多输入多输出（MIMO）技术、分集技术等。这些技术有效地提高了接收信号的信噪比，从而在一定程度上改善了蜂窝系统的容量，缓解了通信需求与有限资源之间的矛盾。然而，随着各种无线应用业务层出不穷，用户对通信系统容量的要求与日俱增，单从提高信号质量入手已不能完全解决通信容量不足的问题，需要从其它角度考虑来提高容量和频谱资源的利用率。现有的移动通信系统，由于网络结构模式的限制，在提高系统容量和频谱利用率上有着几个明显不足。一是网络的空间资源利用不足,现有无线通信系统的宏蜂窝小区的半径较大，因而频率复用的距离也较大，自然频谱重复利用率低，如果采取分割宏蜂窝小区，减小宏小区半径的方法理论上可以提高频谱利用率，但是需要解决产生的多方面的干扰。二是在传统的“条块分割”的静态频谱使用政策下，频谱资源的利用非常不均衡。从时间角度来看，在一部分地区的某些频段上，一定的时间内使用无线通信业务的用户数非常庞大，从而造成频谱资源十分紧张，而在其他时间段中有可能用户数急剧下降，导致该地区的这些频谱资源大量空闲，得不到有效的利用。而该地区的另一些频段的使用情况则可能呈现出不同的变化趋势，即不同的时间内不同频段的忙闲状况不一致，却都无法进行互补，形成了频谱资源的严重浪费。从频谱的角度来看，有些频段上业务总是非常繁忙，甚至部分用户得不到可靠的服务，而在另一些频段上业务却相对稀少，造成了频谱的空洞。随着无线业务种类的飞速发展，频谱需求呈指数迅猛增长，频谱资源的供需不平衡的矛盾问题日益突出，已经严重制约了无线通信的发展。三是在无线网络的发展过程中，由于商业竞争和不同业务的需要，建设了许多技术标准不同、相互独立的无线网络，例如普遍共存的2G到4G的无线通信系统以及每一代系统的不同的无线接入网络。这就造成了不同网间的资源及利用的不均衡，以及孤立的网络间缺少有效的合作从而浪费了资源整合的潜力。无线网络建设、运营和管理也面临着极大的困难。1.2 移动通信系统发展的异构化趋势为了解决现有系统所存在的不利于频谱资源充分利用的几个主要问题，提高频谱效率和系统的容量，未来移动通信系统的发展正呈现出一种异构化的趋势。所谓异构化，包括三个方面：1. 从空间开发的角度提高频谱资源利用率，形成基于不同的空间覆盖范围的层叠网络；2.从时间开发的角度提高频谱资源利用率，形成基于不同资源使用优先级的主次用户网络；3. 从优化现有系统频谱利用率角度出发的，基于不同接入技术标准的异构网络。本文的研究工作也将着眼于这三种网络，研究这异构化网络的智能控制与优化关键技术，实现对异构网络资源的有效管控，从而提高系统的整体性能和提升无线资源的利用效率。下面将对层叠网络、主次网络和多标准网络作进一步阐述。1.2.1 基于不同覆盖范围的层叠网络蜂窝无线系统的基本特性就是用有限的频谱来尽量满足无限的业务需求，这是通过以尽可能的大密度来复用频谱，同时最小化由此带来的设备间的干扰而实现的。随着现在无线宽带业务的数据率不断上升，对网络容量的要求也随之提高，因此许多研究工作专注于如何改进信号模式、编码技术以及收发端的物理层技术等等，来满足无线通信的要求。但是，这仍然难以跟上快速增长的业务需求，尽管如3G，4G技术的革新可以带来预计2到5倍频谱利用率的提升，却还是无法满足用户呈指数增长的数据率需求。在不得不增加可用频谱资源这个前提下，采取更小的小区模式，减小频谱复用半径，提高频谱复用率成为解决以上问题的必由途径。因此涌现出了许多小覆盖范围的小区技术，如microcell, picocell等，而最新出现的femtocell，则成为了其中的佼佼者和代表1-1- V.Chandrasekhar, J. G. Andrews, and A. Gatherer, “Femtocell networks: a survey,” IEEE Commun. Mag., vol. 46, no.9, pp. 59-67, Sept.2008.。Femtocell又称femtocell蜂窝式基站，是一种基于移动技术的低功率、低成本的无线接入点，通过XDSL、电缆、光纤等链路与网关相连接，并由网关实现到移动核心网的连通。它为室内或公共场所的用户提供无线语音和数据接入服务，与宏蜂窝共享频段或使用专门的频段，使宏蜂窝覆盖下更多的用户可以接入网络。根据不同的环境femtocell可以支持416个用户，Femtocell有适用于CDMA、GSM、UMTS、LTE等各种标准和支持2G、3G的产品，覆盖半径为1050米。峰值速率可达上百兆1-1-Simon R. Saunders, Stuart Carlaw, Andrea Giustina, Ravi Raj Bhat, V. Srinivasa Rao and Rasa Siegberg, Femtocells: Opportunities and Challenges for Business and Technology, 2009 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 978-0-470-74816-9.1-1- Carlaw, S and Wheelock, C. Femtocells market challenges and opportunities cellular based fixed mobile convergence for consumers, enterprises and SMEs dedicated to benefits of femtocells. ABI Research, 2007.1-1- Carlaw, Stuart. Challenges facing the Femtocell Market - A Realistic View? Dallas: Avren Events, 2007. Second International Conference on Home Access.1-1- Will Franks, Ubiquisys. Femtocell practical: lessons learned from real world deployments. Dallas: Avren Events, December, 2007. Second International Conference on Home Access Points and Femtocells.1-1- Bubley, Dean. Femtocell-aware mobile handsets. London: Disruptive Analysis Ltd, 2008.。与其他微小区技术相比，femtocell具有即插即用的自动配置和智能的自主优化等自组织功能，并具有部署灵活、成本低廉和网络性能提升高效等特点。因为femtocell是由用户自行部署来直接安放在用户家中或中小型企业的室内环境，所以节省了运营商的站址选取费用、网络基站设备运营与维护的费用等。femtocell既可以作为移动网络的延伸，又是固定网络和移动网络融合的桥梁，femtocell设备集成了传统宏蜂窝网络中多个网元的功能，适应未来网络拓扑扁平化发展趋势，有利于保护运营商在固定宽带网络的投资。进一步地，femtocell网络技术的应用一方面可以拉近无线终端同基站之间的距离，降低信号经无线链路传播造成的衰减而提升信噪比，以及复用宏蜂窝网络的频谱，从而大大提高网络的容量。另一方面随着室内无线通信业务量及所占整体业务的比重快速增长，未来无线网络室内覆盖不足的问题日益突出，Femtocell为解决这一问题提供了一条快速有效的途径。传统的提高室内覆盖的手段，可以通过室外的宏基站来进行，如增加宏基站的数目、调整宏基站的天线覆盖方向、提高发射功率等。但是这种方法缺点是：能耗大、成本高、效率低、室内覆盖效果提升不足。此外，针对公共地区室内覆盖增强的技术还有一些基于室内天线和网络部署的解决方案，比如分布式天线技术（Distributed Antenna System, DAS）和微蜂窝基站技术（Picocell）等，并可以解决大型商业中心、办公楼宇、会展中心、机场和火车站等热点地区的室内覆盖不足的问题1-1- Wenchi Cheng, Hailin Zhang, Liqiang Zhao and Yongzhao Li, “Energy Efcient Spectrum Allocation for Green Radio in Two-tier Cellular Networks”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Poramate Tarasak, Tony Q.S. Quek and Francois Chin , “Closed Access OFDMA Femtocells under Timing Misalignment”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Ritesh Madan, Ashwin Sampath, Naga Bhushan, Aamod Khandekar, Jaber Borran, Tingfang Ji, “Impact of Coordination Delay on Distributed Scheduling in LTE-A Femtocell Networks”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Tariq Elkourdi and Osvaldo Simeone, “Outage and Diversity-Multiplexing Trade-off Analysis of Closed and Open-Access Femtocells”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Jie Zhang, Guillaume de la Roche, “Femtocells : technologies and deployment”, 2010 John Wiley & Sons Ltd，ISBN 978-0-470-74298-3 (cloth).1-1- K. Graham, “Femtocells beyond the home and office”, Femtocell Europe Conference, London, June 2008.1-1- H. Claussen, L. T. W. Ho, and L. G. Samuel, “An overview of the femtocell concept” ,Bell Labs Technical Journal, vol. 3, no. 1, pp. 221245, May 2008.。然而，这些方法依然存在着施工周期长、部署难、不易管理、网络建设和运营成本高等缺点，不易部署于或覆盖家庭房屋和企业办公室等一些私有场所，而这些地方随着业务量和业务在整个网络比重的不断增长，在B3G/4G网络中正占据越来越重要的地位。Femtocell技术可以进一步深入覆盖家庭和企业等私有环境。鉴于femtocell网络技术的诸多优点，femtocell与宏蜂窝共存的层叠网络理论上可以有效地满足B3G/4G网络在高容量和广覆盖方面的两方面的要求。通过对femtocell网络进行优化的部署和管理来实现最大化femtocell与宏蜂窝共存下的层叠网络容量，可以弥补无线网络室内覆盖不足、满足无线网络扩容，提高频谱资源利用率和灵活部署的需求。因此，femtocell网络技术对于解决B3G/4G网络建设的网络容量提升和室内覆盖优化的瓶颈问题有着重要意义。宏蜂窝与femtocell共存的层叠异构网络将成为一种极具应用前景的组网架构模式，如图1-2所示。Femtocell作为一个新兴的技术受到了世界各地设备制造商、电信运营商的广泛关注，美国的Sprint network在07年就开始了femtocell商用的尝试，而新加坡的Starhub，日本的软银，和美国的Verizon也在08和09年开始了femtocell的试用，而美国的沃达丰，T-Mobile,AT&T等公司也宣布将发展femtocell。预计到2012年，全球Femtocell产品预计年出货量将超过1900万，发展趋势相当可观1-5。图1-2 宏蜂窝与femtocell组成的层叠网络1.2.2 基于不同资源使用优先级的主次用户网络在日益复杂的电磁环境下，频谱竞争日趋激烈，频谱已经成为了一种异常宝贵的资源，在传统的“条块分割”的静态频谱使用政策下，频谱资源的利用非常不均衡。从时