内容简介
《基于随机几何的5G/B5G异构网络设计与分析》介绍和研究了第五代移动通信技术（5G）异构网络关键技术的基本概念、基本模型、基本理论、基本分析方法和典型场景网络配置等，较充分地反映5G和超5G(B5G)的关键技术和异构网络模型。《基于随机几何的5G/B5G异构网络设计与分析》共11章，内容包括5G/B5G关键技术和异构网络概述、随机几何与点过程、异构网络频谱资源管理、异构网络用户级联、异构网络无线回程、联合回程与缓存的异构网络、大规模热点区域多层异构网络、端到端协助的超密集异构网络、中继协助的异构网络、无人机协助的低空异构网络和三维无人机群协助的异构网络。
精彩书摘
第1章5G/B5G关键技术和异构网络概述
20世纪70年代末到80年代，随着无线技术的发展，移动通信技术应运而生。迄今为止，移动通信技术给人们在生产、生活各行各业等多方面带来的极速发展变化是不可小觑的，正在并将继续深刻地影响和改变人们的生活方式，其发展和普及使社会发生了改变。在半个多世纪的发展进程中，移动通信技术经历了从仅支持语音业务的**代移动通信技术（1G）到支持语音和短消息等低速率数据业务的第二代移动通信技术（2G），再从可支持图像传输、视频传输和网页浏览等互联网业务的第三代移动通信技术（3G）到高用户体验速率、低数据传输延迟、趋向高级智能的第四代移动通信技术（4G）。随着第五代移动通信技术（5G）R15标准的发布，5G已在我国和其他一些国家商业化，标志着一个真正数字社会的开始[1]；与前几代移动通信技术相比，5G在延迟、数据传输速率、移动性和连接设备数量等方面取得了重大突破[2]。本着“开发和商用一代，预研下一代”的移动通信技术发展原则，通信领域的研究人员和企业已经领先迈出了一步，开始了超5G移动通信技术（B5G）和第六代移动通信技术（6G）的研究[3-5]。
1.1移动通信的演进
1.1.1无线通信与移动通信
通信就是互通信息。从这个意义上说，通信在古代就已存在。人与人之间的对话是通信，用手势表达情绪也可算通信。我国古代为了抵御外敌入侵而建设的烽火狼烟报警系统是通信，用来指挥战斗的击鼓旌旗也是通信，快马与驿站传递文件当然也是通信[6]。现代通信一般是指电通信，国际上称为远程通信（telecommunication）。1938年，美国著名的科学家、画家莫尔斯（Morse）发明了有线电报，开启了利用电传递信息（电信）的时代。他的通信电码由点、划符号组合而成，每一个电码代表一个字母和一个数字。在此后相当长的一段时间里，有线电报得到了广泛的应用。当时人们认为，电只能沿导线传播，线路架设到哪里，信息就只能传输到哪里，这大大限制了信息的传输范围。直到1864年，麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力学理论》。在这篇论文中，麦克斯韦严格推导出电磁波方程（麦克斯韦方程），并得出电磁波的传播速度等于光速（3×108m/s）的重要结论，成为历史上预言电磁波存在的**人。1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦预言的准确性。1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫分别*立研制出了无线电接收机，标志着无线通信成为可能。马可尼于1895年建立了一个微波抛物柱面反射器，工作频率为1.2GHz，但是该工作频率较高，为了扩大应用范围，马可尼随后的工作都在更低的频段开展。1896年，马可尼通过利用电磁波以三点莫尔斯电码的形式沿着3km的距离传达字母“S”。1901年，马可尼*次实现了从英国到纽约的跨大西洋无线电信号接收，这是一次超过2700km的通信，进一步显示了电信的巨大潜力。1895年5月7日，波波夫在圣彼得堡俄国物理化学会的物理分会上，发表了《金属屑同电振荡的关系》这篇论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起了铃声；断开电波发生器，铃声立即终止。几十年后，为了纪念波波夫的这一划时代创举，当时的苏联政府把5月7日定为“无线电发明日”。1897年，波波夫在船与岸相隔3海里（1海里≈1852m）的情况下发送了信号。有人认为波波夫是**个在无线电系统中使用天线的人，但开发了商用无线通信并开创越洋通信的还是马可尼，享有“无线电之父”的称号。“无线电”（radio）一词一直沿用，“无线”（wireless）后来也流行起来。1906年，费辛敦成功进行了人类历史上**次不用导线而用电磁波传送语言和音乐的试验。1948年对电信来说是重要的一年，那年香农发表了著名的论文《通信的数学理论》，提出了通信系统的一般模型，它适用于任何形式的电报电话通信和其他通信等。威廉 肖克利、约翰 巴丁和沃尔特 布拉顿发明了晶体管，之后又发展成集成电路或超大规模集成电路，使当时刚出现的数字计算机得到迅速发展，并很快与通信技术结合，促进了通信的发展，使各种通信被广泛地使用[6-9]。
无线通信就是利用无线电波在开放的空间传播来传递信息的通信方式，移动通信属于无线通信。移动通信昀本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。在无线通信的基础上，移动通信进一步引入了用户的移动性，从而使终端从可移动的准动态进一步发展到真正的全动态。也就是说，移动通信在无线通信的一重信道动态的基础上又加入了第二重用户的动态性，它是移动的动态信道，取决于用户所在环境的客观条件，信道参数是时变的[10]。
在移动通信的发展中，随着用户数量的增加，由于单一的由一个基站覆盖一个较大区域的大区制没有采用频率复用，其能提供的容量很快饱和。贝尔实验室在20世纪70年代提出了蜂窝网络通信的概念。蜂窝网络通信即小区制通信
目录
目录
前言
第1章 5G/B5G关键技术和异构网络概述 1
1.1 移动通信的演进 1
1.1.1 无线通信与移动通信 1
1.1.2 **代移动通信技术 3
1.1.3 第二代移动通信技术 3
1.1.4 第三代移动通信技术 5
1.1.5 第四代移动通信技术 6
1.1.6 第五代移动通信技术 7
1.2 5G关键技术 9
1.2.1 5G/B5G异构网络 9
1.2.2 大规模MIMO技术 11
1.2.3 中继协作通信 13
1.2.4 NOMA技术 17
1.2.5 FD模式 19
1.2.6 端到端通信 20
1.2.7 毫米波网络 21
1.3 无人机协助通信 27
1.3.1 无人机协助通信及其应用 27
1.3.2 毫米波无人机协助通信 29
第2章 随机几何与点过程 31
2.1 常用信道模型及分布 33
2.1.1 伽马分布与Nakagami-m衰落 33
2.1.2 莱斯分布和衰落 34
2.1.3 指数分布和瑞利衰落 35
2.2 点过程 35
2.2.1 泊松点过程 36
2.2.2 泊松簇过程 37
2.2.3 泊松洞过程 39
iv 基于随机几何的5G/B5G异构网络设计与分析
2.2.4 成对交互点过程 39
2.3 点过程的重要定理及操作 41
2.3.1 点过程的重要定理 41
2.3.2 点过程的操作 46
2.4 超密集PCP异构网络中随机距离分布 47
第3章 异构网络频谱资源管理 50
3.1 基于PBS父过程的网络模型和PBS 固定覆盖半径用户分类 51
3.1.1 基于簇的用户分类方案 51
3.1.2 频谱共享分配方案 52
3.2 基于*近路径比的簇分割和改进的FFR 方案 53
3.2.1 *近路径比用户分类 53
3.2.2 *近路径比簇分割频谱分配 55
3.3 联合*近路径比与随机接入的多用户宏小区分割和信道分配 56
3.3.1 *近路径比宏小区分割 56
3.3.2 信道分配与随机频谱接入策略 57
3.4 联合软频率复用的频谱管理技术 59
第4章 异构网络用户级联 63
4.1 耦合与解耦上下行链路用户级联 63
4.2 非*佳用户级联 66
4.2.1 多层异构网络非*佳用户级联 67
4.2.2 网络SINR覆盖 78
4.3 基于跨层双连接的解耦级联 82
4.3.1 跨层双连接模型与解耦级联 82
4.3.2 三层异构网络跨层级联方案级联概率 86
4.3.3 覆盖概率分析 93
4.4 NOMA协助的跨层双连接解耦级联 100
4.4.1 基于NOMA的DUDA 传输策略 101
4.4.2 覆盖性能和遍历速率 102
第5章 异构网络无线回程 111
5.1 回程方案 111
5.1.1 有线回程 111
5.1.2 高增益定向天线阵无线回程 112
5.1.3 基于蜂窝网络技术和频谱的无线回程 112
5.2 联合全双工大规模MIMO和NOMA的异构网络自回程 113
5.2.1 全双工大规模MIMO多层异构网络 113
5.2.2 全双工带内自回程 114
5.2.3 MBS-MU-DL随机几何模型 115
5.2.4 接收端干扰LT一般模型 117
5.3 MBS-MU-DL传输模式及SBS 上行回程 118
5.3.1 MBS-MU-DL模式级联概率和级联距离分布 118
5.3.2 MU上行回程链路覆盖概率 120
5.4 小小区下行链路覆盖概率 130
5.4.1 MBS下行链路SIR 130
5.4.2 SBS下行链路SIR 132
5.4.3 下行链路覆盖概率 133
第6章 联合回程与缓存的异构网络 140
6.1 联合回程与缓存的两层异构网络随机点模型 140
6.2 缓存内容放置 142
6.3 缓存内容的交付 143
6.3.1 下行链路内容交付 143
6.3.2 下行链路干扰分布 145
6.4 系统SINR 覆盖性能 149
6.5 内容交付时延 153
6.6 平均面积速率 155
6.7 系统能量效率 158
第7章 大规模热点区域多层异构网络 161
7.1 基于簇的大规模异构网络热点区域建模 161
7.2 基于*近路径比的簇分割和改进的FFR 方案 163
7.3 UE 级联方案和级联概率 165
7.4 UE干扰分析 167
7.5 下行传输速率 174
第8章 D2D协助的超密集异构网络 181
8.1 基于宏基站和微微基站PPP模型的蜂窝异构网络 181
8.1.1 基于PBS父过程的网络模型和PBS 固定覆盖半径用户分类 181
8.1.2 频谱共享分配方案 182
8.2 D2D 覆盖约束的UE 级联及其接入距离分布 183
8.2.1 簇中心用户级联和接入距离分布 184
8.2.2 簇边缘用户级联和接入距离分布 189
8.3 基于簇分类和频谱分配的干扰分布 192
8.3.1 D2D通信的干扰分析 192
8.3.2 蜂窝UE簇的干扰分析 196
8.4 网络覆盖概率分析 202
8.4.1 D2D 通信网络覆盖概率 203
8.4.2 蜂窝UE簇覆盖概率 205
第9章 中继协助的异构网络 210
9.1 中继协助两层混合异构网络 210
9.2 MRC/MRT预处理方案 214
9.3 ZFR/ZFT预处理方案 2
试读
第1章5G/B5G关键技术和异构网络概述
20世纪70年代末到80年代，随着无线技术的发展，移动通信技术应运而生。迄今为止，移动通信技术给人们在生产、生活各行各业等多方面带来的极速发展变化是不可小觑的，正在并将继续深刻地影响和改变人们的生活方式，其发展和普及使社会发生了改变。在半个多世纪的发展进程中，移动通信技术经历了从仅支持语音业务的**代移动通信技术（1G）到支持语音和短消息等低速率数据业务的第二代移动通信技术（2G），再从可支持图像传输、视频传输和网页浏览等互联网业务的第三代移动通信技术（3G）到高用户体验速率、低数据传输延迟、趋向高级智能的第四代移动通信技术（4G）。随着第五代移动通信技术（5G）R15标准的发布，5G已在我国和其他一些国家商业化，标志着一个真正数字社会的开始[1]；与前几代移动通信技术相比，5G在延迟、数据传输速率、移动性和连接设备数量等方面取得了重大突破[2]。本着“开发和商用一代，预研下一代”的移动通信技术发展原则，通信领域的研究人员和企业已经领先迈出了一步，开始了超5G移动通信技术（B5G）和第六代移动通信技术（6G）的研究[3-5]。
1.1移动通信的演进
1.1.1无线通信与移动通信
通信就是互通信息。从这个意义上说，通信在古代就已存在。人与人之间的对话是通信，用手势表达情绪也可算通信。我国古代为了抵御外敌入侵而建设的烽火狼烟报警系统是通信，用来指挥战斗的击鼓旌旗也是通信，快马与驿站传递文件当然也是通信[6]。现代通信一般是指电通信，国际上称为远程通信（telecommunication）。1938年，美国著名的科学家、画家莫尔斯（Morse）发明了有线电报，开启了利用电传递信息（电信）的时代。他的通信电码由点、划符号组合而成，每一个电码代表一个字母和一个数字。在此后相当长的一段时间里，有线电报得到了广泛的应用。当时人们认为，电只能沿导线传播，线路架设到哪里，信息就只能传输到哪里，这大大限制了信息的传输范围。直到1864年，麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力学理论》。在这篇论文中，麦克斯韦严格推导出电磁波方程（麦克斯韦方程），并得出电磁波的传播速度等于光速（3×108m/s）的重要结论，成为历史上预言电磁波存在的**人。1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦预言的准确性。1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫分别*立研制出了无线电接收机，标志着无线通信成为可能。马可尼于1895年建立了一个微波抛物柱面反射器，工作频率为1.2GHz，但是该工作频率较高，为了扩大应用范围，马可尼随后的工作都在更低的频段开展。1896年，马可尼通过利用电磁波以三点莫尔斯电码的形式沿着3km的距离传达字母“S”。1901年，马可尼*次实现了从英国到纽约的跨大西洋无线电信号接收，这是一次超过2700km的通信，进一步显示了电信的巨大潜力。1895年5月7日，波波夫在圣彼得堡俄国物理化学会的物理分会上，发表了《金属屑同电振荡的关系》这篇论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起了铃声；断开电波发生器，铃声立即终止。几十年后，为了纪念波波夫的这一划时代创举，当时的苏联政府把5月7日定为“无线电发明日”。1897年，波波夫在船与岸相隔3海里（1海里≈1852m）的情况下发送了信号。有人认为波波夫是**个在无线电系统中使用天线的人，但开发了商用无线通信并开创越洋通信的还是马可尼，享有“无线电之父”的称号。“无线电”（radio）一词一直沿用，“无线”（wireless）后来也流行起来。1906年，费辛敦成功进行了人类历史上**次不用导线而用电磁波传送语言和音乐的试验。1948年对电信来说是重要的一年，那年香农发表了著名的论文《通信的数学理论》，提出了通信系统的一般模型，它适用于任何形式的电报电话通信和其他通信等。威廉 肖克利、约翰 巴丁和沃尔特 布拉顿发明了晶体管，之后又发展成集成电路或超大规模集成电路，使当时刚出现的数字计算机得到迅速发展，并很快与通信技术结合，促进了通信的发展，使各种通信被广泛地使用[6-9]。
无线通信就是利用无线电波在开放的空间传播来传递信息的通信方式，移动通信属于无线通信。移动通信昀本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。在无线通信的基础上，移动通信进一步引入了用户的移动性，从而使终端从可移动的准动态进一步发展到真正的全动态。也就是说，移动通信在无线通信的一重信道动态的基础上又加入了第二重用户的动态性，它是移动的动态信道，取决于用户所在环境的客观条件，信道参数是时变的[10]。
在移动通信的发展中，随着用户数量的增加，由于单一的由一个基站覆盖一个较大区域的大区制没有采用频率复用，其能提供的容量很快饱和。贝尔实验室在20世纪70年代提出了蜂窝网络通信的概念。蜂窝网络通信即小区制通信
