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基于稀疏码多址接入的无线网络容量研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 随机几何理论简介

1.3 本课题的研究现状及面临的挑战

1.4 本文主要研究内容

第二章 基于SCMA的蜂窝网络容量研究

2.2 系统模型

2.3 上行蜂窝网络空间吞吐量分析

2.4 仿真结果

2.5 总结

第三章 基于SCMA的蜂窝与D2D融合网络的网络容量研究

3.2 系统模型

3.3 融合网络空间吞吐量分析

3.4 干扰管理和资源分配方案优化

3.5 仿真结果

3.6 总结

3.7 附录

第四章 基于SCMA的超密集无线网络容量研究

4.2 电磁波近场及远场传播特性

4.3 电磁波近场传播实验平台及结果

4.4 系统模型

4.5 网络空间吞吐量分析

4.6 总结

4.7 附录

第五章 总结与展望

5.1 全文内容总结

5.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

作者简介

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摘要

数据显示：预计2010年到2030年，全球移动业务数据总量将增长近2万倍。提升网络容量是满足如此骤然增长移动数据业务总量需求的最直接手段。所谓无线网络容量是指无线网络能够支持的最大同时接入用户数，亦指无线网络能够承载的数据传输总量。目前，产业界和学术界已经证实：网络密集化部署以及高效的新型多址接入技术的设计能够在提高网络容量方面提供有力支撑，它们已经成为下一代无线网络的核心技术。因此，探究网络密集化部署以及新型多址接入技术对网络容量提升的本质影响意义重大。然而，未来无线网络必将是高度融合的异构网络，其形态复杂。多址接入技术的研究也已经从正交多址接入逐渐过渡到联合多维资源的非正交多址接入，其在大规模网络环境下的性能难以表征刻画。同时，网络的密集化布设极大地减小了收发节点间的距离，致使信号传播逐渐由远场传播过渡到近场传播，信号传播模型的改变使网络中干扰的统计特性造成本质的变化。上述因素均为网络容量研究带来巨大困难。那么，如何在考虑超密集无线网络特点的前提下对网络容量进行分析？网络密集化以及新型多址接入技术带来网络性能上限是怎样的？以上问题都值得深入研究。
　　鉴于以上原因，本文首先基于蜂窝和终端直通（D2D，Device-to-Device）融合网络架构，以空间吞吐量这一能够准确表征无线网络容量的关键指标为出发点，研究了一种新型非正交多址接入技术，即稀疏码多址接入（SCMA， Sparse Code Multiple Access）的性能；同时，针对网络密集化发展的趋势，研究了超密集无线网络的网络容量，旨在探索不同技术对网络容量的增强程度。主要贡献及发现如下：
　　1.提出了基于SCMA机制的蜂窝网络容量分析方法，在典型配置下，定量地揭示了SCMA机制能够将大规模蜂窝网络容量提升2倍以上。利用随机几何理论，本文对SCMA蜂窝网络中多址干扰进行建模，并在此基础上，建立了多址干扰和空间吞吐量（表征无线网络容量的重要指标）的数学关系，获得了网络空间吞吐量的闭式表达式，揭示网络参数对网络空间吞吐量的本质影响。具体而言，该表达式能够准确刻画网络参数（如基站密度、用户密度、用户发射功率等）、无线信道参数（大尺度衰落、小尺度衰落等）以及SCMA参数（码字稀疏程度、过载增益等）对网络空间吞吐量的影响。研究结果表明：在典型参数配置下，相比于传统码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）以及正交频分多址接入（OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access）， SCMA在空间吞吐量方面增益均可达到2倍以上，这充分验证了该机制对码域资源与时频域资源利用的高效性。
　　2.阐明了D2D通信模式在提升蜂窝网络容量方面的本质影响，提出了基于SCMA的蜂窝和D2D融合网络干扰避免及资源分配方法，获得了资源统一管控和公平性调度方面的联合增益。在融合网络中，定量地刻画D2D技术带来网络容量增益：在典型参数配置下，D2D技术能够使网络容量提高近1倍。同时，在复用模式中（蜂窝用户和D2D用户复用SCMA多址资源，即SCMA码本），为有效控制跨层干扰，本文令D2D用户使用预设的激活概率决定当前时隙是否进行数据传输，并在保证蜂窝用户和D2D用户公平性的前提下，对最优的激活概率进行优化，得到了最优接入概率的闭式表达式，对复用情况下网络的性能优化提供帮助。在专用模式下（SCMA码本正交地分配给蜂窝用户和D2D用户），本文在考虑蜂窝用户和D2D用户资源分配公平性的前提下，对资源分配策略进行了优化，并提出了最优资源分配方法。以上结果对SCMA机制在专用模式下的应用起到理论指导作用。
　　3.表征了超密集网络的干扰统计特性，发现了超密集无线网络容量变化的渐近趋势，从理论上证明了超密集布设能够使网络容量提升1000倍。本文使用有界路径损耗模型建模了超密集环境下近场通信特性，在刻画干扰分布的基础上，定性地揭示了：网络空间吞吐量随基站布设的增加呈现先增后减的趋势，即基站的超密集布设并不能持续地提升网络容量。同时，发现了使容量变化趋势发生倒向的容量畸变密度，通过该畸变密度，能够判断基站的布设对网络容量是否能够起到促进作用。最重要的是，本文验证了：与传统第四代蜂窝移动通信系统基站布设密度相比，网络的进一步密集化能够带来1000倍以上的网络容量增益，以上结果为实际网络的规划和部署提供理论指导。

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