摘 要

密集微蜂窝系统中，采用时分双工( Time-division duplex，TDD)技术可以根据负载情况动态调整上下行传输时间比例，更灵活地支持上下行不对称业务。与静态时分双工(Static time-division duplex，S-TDD)相比，动态时分双工(Dynamic time-division duplex，D-TDD)技术不要求小区间切换时间的同步，因而进一步提高了系统吞吐量。然而，这种性能的提升是以干扰的增加为代价的，这种影响对上行用户和边缘用户来说尤为突出。本文提出了一种通用模型，将分数频率复用和分簇技术相结合，以提升D-TDD模式下的系统吞吐量。我们将蜂窝接入点及用户的位置建模为相互独立的泊松点过程，利用随机几何分析其空间随机性；将每个节点数据包的到达与调度视为相互独立的伯努利过程，利用排队论分析其时间随机性。通过对簇尺寸和频率复用因子的调节，该模型还可直接用于分析S-TDD和传统的D-TDD网络。为了设计稳定可实现的分簇TDD微蜂窝网络，我们研究了网络稳定性的充要条件，并通过仿真对模型的正确性进行了验证，在此基础上分析了网络和服务参数的影响。数值结果表明，我们可以综合上下行链路，得到一个最优簇尺寸以最大化吞吐量。我们提出的分数频率复用模式下分簇D-TDD系统，实际上是上行与下行、边缘与内部用户吞吐量性能的均衡。

关键词：动态时分双工技术；分数频率复用；分簇；平均数据包吞吐量

Abstract

In dense small cell networks, time-division duplex (TDD) technology can adjust uplink and downlink transmission time dynamically according to load conditions, and support to unaligned transmissions more flexible. Compared with static time-division duplex (S-TDD), dynamic time-division duplex (D-TDD) technology does not require the synchronization of inter-cell switching time, thus improving the performance of system throughput. However, the performance improves at the cost of increased interference, especially for uplink users and edge users. In this paper, a general model is proposed to combine fractional frequency reuse with cell clustering technology to improve system throughput. We model the small cell access point and user's positions as independent Poisson point processes, analyzing its spatial randomness by stochastic geometry. The arrival and scheduling of packets in each node is considered as independent Bernoulli processes, and we analyze its temporal randomness by queuing theory. The proposed model can also be used to analyze the S-TDD and the traditional D-TDD network by changing the cluster size and frequency reuse factor. In order to design stable networks which combine the cell clustering and fractional frequency reuse under D-TDD, we study the sufficient and necessary conditions for the network stability, and the model is verified through simulation in matlab.Based on the analysis,we study the influence of network and service parameters. The numerical results show that we can combine the uplink and downlink and get the optimal cluster size to maximize the throughput. In a word, we proposed a cell clustering D-TDD system under fractional frequency reuse, which is actually a balance between uplink and downlink, edge and interior users throughput performance.

Key Words: dynamic time-division duplex; fractional frequency reuse; cell Clustering; mean packet throughput

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 分数频率复用技术 2

1.2.2 分簇技术 2

1.3 研究内容 3

第2章 系统模型 5

2.1 网络结构 6

2.2 传输与调度模型 7

2.3 分数频率复用技术方案 7

2.4 分簇技术方案 8

第3章 干扰分析 10

第4章 平均包吞吐量分析 12

4.1 分数频率复用模式下分簇TDD的平均包吞吐量分析 12

4.2 分数频率复用模式下S-TDD和D-TDD的平均包吞吐量分析 12

4.3 最优簇尺寸求解 12

4.4 网络稳定的充要条件 12

第5章 模型验证与数值结果 18

5.1 模型验证 18

5.2 网络参数对平均数据包吞吐量的影响 20

5.3 分数频率复用及分簇方案与其他模型的对比分析 23

第6章 总结与展望 24

参考文献 26

附录 28

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

为了满足人们日益增长的网络容量需求，密集微蜂窝网络被公认为最有前景的方法之一^[1]。部署低功率、高密度的微蜂窝接入点（Small cell access point, SAP），可以在相对较低的经济成本下大幅提升网络容量^[2]。已有大量文献对此进行了深入研究，包括干扰管理和抑制^[3]、信道分配^[4]、回程技术^[5]与宏蜂窝组成异构网络^[6,7]等。

密集微蜂窝系统中，采用TDD技术可以使各小区自行调整上下行传输时间比例，更灵活的支持上下行不对称业务，提升网络容量，因而引发了人们的广泛关注。TDD组网方式有两种，S-TDD和D-TDD。

图1.1 TDD的两种组网方式

如图1.1（a）所示，S-TDD中，所有小区上下行切换时间同步，同时处于上行或下行状态。接收的干扰有SAP对用户(User equipment, UE)和用户对SAP两种，种类较少。而在D-TDD中，各小区可以根据自己的负载情况自行动态调整上下行子帧配置，相邻小区切换时间不必同步，上下行时间占比配置灵活，更能适应实际业务需要并提高网络容量。然而这种容量的提升是以干扰的增大为代价的。D-TDD中，存在SAP对用户、SAP对SAP、用户对用户、用户对SAP四种干扰。上下行不同步带来的串行干扰对上行用户和距离SAP较远的边缘用户的影响尤为突出。具体来说，若目标小区处于上行状态，而其相邻的某个小区为下行状态，此时目标SAP接受的信号功率来自发送功率较小的用户，干扰功率来自发送功率较大的干扰SAP。而对于边缘用户来讲，由于路径损耗较大，它们接收到的信号功率较小。这两种情况都极有可能因为信干比较低而导致传输失败。因此，我们需要提出合理的优化方案来提升上行或边缘用户的性能。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 分数频率复用技术

为了减少干扰，优化距离SAP较远的边缘用户的性能，人们提出了频率复用技术。即将频带进行划分，每个小区选择不同的频带，相隔一定距离的小区可以使用相同的频带。在每个小区中复用所有子载波，即复用因子为1时，通常会使整个系统吞吐量性能达到最佳^[8]。然而，此时远离SAP的边缘用户会受到较大干扰^[9]。而采用更高阶的复用方案，例如复用因子为3，可以用来抑制干扰和提高小区边缘的吞吐量，但这将造成带宽的巨大损失，并显著降低总体吞吐量。

为了平衡小区边缘和整体的吞吐量性能，人们提出了基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA）系统的小区间干扰协调（Inter-cell interference coordination, ICIC）方案^[10]。分数频率复用(Fractional frewuency reuse, FFR)是一种广泛应用的干扰协调技术。它的基本思想是分割小区的传输带宽，使相邻小区的边缘用户互不干扰，内部用户接收（或产生）的干扰减少。此外，与传统的频率复用相比，FFR具有更高的频谱效率^[11]。