多层异构网络第m阶用户级联方案

Ａ ＮｏｖｅｌｍｔｈＢｅｓｔＵｓｅｒＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｆｏｒＭｕｌｔｉＴｉｅｒ ＨｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓＮｅｔｗｏｒｋｓ
ＸＵＷｅｎｊｕａｎ１ ＪＩＡＸｉａｎｇｄｏｎｇ１，２ ＹＡＮＧＸｉａｏｒｏｎｇ１ ＪＩＳｈａｎｓｈａｎ１
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ，Ｇａｎｓｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＫｅｙＬａｂｏｆＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１０００３，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１８－０９－１４；修回日期：２０１８－１１－１２ 基金项目：国家自然科学基金（６１５６１０４３，６１８６１０３９，６１２６１０１５）；甘肃省科技计划资助： “无人机关键技术研究”（１８ＹＦ１ＧＡ０６０）；西
北师范大学青年教师科研能力提升计划（创新团队项目）：“下一代无线网络关键技术”
第 ３５卷 第 ２期 ２０１９年 ２月
信号处理 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＩＧＮＡＬＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ
文章编号：１００３－０５３０（２０１９）０２－０２７５－１０
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１９
多层异构网络第 ｍ阶用户级联方案
徐文娟１ 贾向东１，２ 杨小蓉１ 纪珊珊１
（１．西北师范大学计算机科学与工程学院，甘肃兰州 ７３００７０； ２．南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京 ２１０００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎａｎｄｌｏａｄｂａｌａｎｃｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＨｅｔＮｅｔｓ），ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂｅｓｔ ｕｓｅｒａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＵＡ）ｓｃｈｅｍｅｉｓｓｏｍｅｔｉｍｅｓｕｎａｂｌｅｔｏｓｅｃｕｒｅａｃｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｎｏｎｂｅｓｔＵＡ ｓｃｈｅｍｅｆｏｒＫｔｉｅｒＨｅｔＮｅｔｓ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｏｖｅｌｍｔｈｂｅｓｔａｖｅｒａｇｅｂｉａｓｅｄｒｅｃｅｉｖｅｄｐｏｗｅｒ（ＡＢＲＰ）ＵＡｓｃｈｅｍｅ，ｏｆｗｈｉｃｈ ａｕｓｅｒｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ （ＢＳ） ｈａｖｉｎｇｔｈｅｍｔｈｓｔｒｏｎｇｅｓｔＡＢＲＰ．ＦｏｒｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｔｈＡＢＲＰ ＵＡ ｓｃｈｅｍｅ，ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｎｅｔｗｏｒｋｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｅａｃｈｔｉｅｒａｓａｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＰｏｉｓｓｏｎｐｏｉｎｔｐｒｏｃｅｓｓ（ＰＰＰ）ａｎｄｕｓｉｎｇ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｏｒｄｅｒｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ，ｗｅｐｅｒｆｏｒｍｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｔｈａｔａｔｙｐｉｃａｌｕｓｅｒｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈａＢＳ ｔｈａｔｈａｓｔｈｅｍｔｈｓｔｒｏｎｇｅｓｔＡＢＲＰａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ．Ｏｕｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｏｒａ ｇｉｖｅｎｔｉｅｒｋ，ｗｈｅｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒＰｋｏｒｄｅｎｓｉｔｙｋｏｆＢＳｓｏｆｔｈｅｔｉｅｒｋｉｓｓｍａｌｌｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅＵＡｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙＡｍｋ （ｍ ＞１）ｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈＰｋｏｒｋ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎｔｈｅｐｏｗｅｒｏｒｄｅｎｓｉｔｙｏｆＢＳｉｓｌａｒｇｅ，ｔｈｅＵＡｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙＡｍｋ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｃａｎｇｕｉｄｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＨｅｔＮｅｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｕｓｅｒａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ｏｒｄｅｒｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ；ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｇｅｏｍｅｔｒｙ
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信号处理第 ຫໍສະໝຸດ ５卷１ 引言随着移动智能设备的急剧增长，下一代无线网 络将面临 着 数 据 业 务 需 求 的 激 增。根 据 思 科 报 告［１］的最新预测，现有 １５０多亿设备接入互联网，预 计到 ２０２０年这一数字将增加至当前的三倍。无线 接入的持续增长对当前移动通信的基础设施带来 了巨大 的 挑 战。为 此，研 究 人 员 提 出 了 异 构 网 络 （ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＨｅｔＮｅｔｓ）架构，其中不同类 型的基站（ｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ，ＢＳ）部署在一个多级分层结 构中，以 提 高 网 络 的 频 谱 效 率［２４］。 对 于 一 个 多 层 ＨｅｔＮｅｔｓ，其通常 部 署 在 常 规 的 宏 小 区 中，其 中 高 性 能的宏基站覆盖范围为一千米或者两千米，宏小区 一般与小小区、微小区相结合。小小区 ＢＳ通常用 于减轻宏 基 站 负 载，实 现 负 载 平 衡 并 提 高 服 务 质 量。因此，ＨｅｔＮｅｔｓ的概念在未来的无线网络中十分 重要，用 来 满 足 持 续 增 长 的 移 动 通 信 量 需 求 。 ［５７］ 然而，为了 充 分 发 掘 它 的 潜 力，必 须 解 决 在 异 构 部 署中产生的一些挑战。
摘 要：由于异构网络（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＨｅｔＮｅｔｓ）中的资源限制和负载不平衡等问题，传统的最佳用户级 联（ｕｓｅｒａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＵＡ）方案有时无法稳定接入。为此，本文研究了 Ｋ层 ＨｅｔＮｅｔｓ非最佳 ＵＡ方案，并提出了一种 第 ｍ阶平均偏置接收功率（ａｖｅｒａｇｅｂｉａｓｅｄｒｅｃｅｉｖｅｄｐｏｗｅｒ，ＡＢＲＰ）ＵＡ方案，使得用户与第 ｍ个具有最强 ＡＢＲＰ的 基站（ｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ，ＢＳ）相级联。在所提出的方案中，将各层网络元素的位置建模为齐次泊松点过程（Ｐｏｉｓｓｏｎｐｏｉｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ＰＰＰ），借助随机几何和次序统计工具，研究了给定用户与第 ｍ个具有最强 ＡＢＲＰ的 ＢＳ相级联的 ＵＡ概 率以及相应的统计描述。研究结果表明，对于给定的第 ｋ层网络，当 ＢＳ发送功率 Ｐｋ或强度ｋ相对较小时，ＵＡ 概率 Ａｍｋ（ｍ＞１）随 Ｐｋ或ｋ的增大而增大；当 Ｐｋ或ｋ相对较大时，ＵＡ概率 Ａｍｋ 随之减小。同时，所提出的方案对 ＨｅｔＮｅｔｓ设计具有重要指导意义。 关键词：异构网络；用户级联；次序统计；随机几何 中图分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６７９８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３０５３０．２０１９．０２．０１３