本書共11章，全面、系統(tǒng)地闡述了異構蜂窩網(wǎng)絡關鍵理論與技術，主要內容包括：垂直切換技術、干擾管理技術、內容緩存策略、能效優(yōu)化的功率分配技術、NOMA資源管理技術、混合能源驅動的均勻異構蜂窩網(wǎng)絡、混合能源驅動的非均勻異構蜂窩網(wǎng)絡、D2D通信資源分配技術、可見光通信異構蜂窩網(wǎng)絡動態(tài)接入，以及VLC WiFi異構蜂窩網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計。
本書深入淺出，概念清晰，語言流暢，可以作為電子與通信工程領域通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理等學科的研究生和高年級本科生的教材，也可以作為從事無線通信系統(tǒng)深入研究與開發(fā)的電信工程師、工程管理人員的參考書。同時，本書對在這個領域進行教學、研究、開發(fā)的教師、學生有很好的參考價值。
本書深入淺出，概念清晰，語言流暢，全面、系統(tǒng)地闡述了異構蜂窩網(wǎng)絡關鍵理論與技術，可以作為電子與通信工程領域通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理等學科的研究生和高年級本科生的教材，也可以作為從事無線通信系統(tǒng)深入研究與開發(fā)的電信工程師、工程管理人員的參考書。同時，本書對在這個領域進行教學、研究、開發(fā)的教師、學生有很好的參考價值。
前 言
隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能終端設備的不斷增加，移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展迅速，用戶之間的信息交互成為數(shù)據(jù)服務的主流。根據(jù)《思科互聯(lián)網(wǎng)年度報告（20182023）》顯示，到2023年，連接到IP網(wǎng)絡的移動終端設備數(shù)量將是全球人口的三倍多，人均網(wǎng)絡設備將達到3.6個，其中互聯(lián)網(wǎng)用戶總數(shù)預計將從2018年的39億增長到2023年的53億，復合年增長率為6％。越來越多使用帶寬密集型應用程序的用戶需要高質量和高速度的移動數(shù)據(jù)服務，并且頻譜資源既有限又昂貴，使得第五代（Fifth Generation，5G）網(wǎng)絡將面臨更加復雜的挑戰(zhàn)。因此，為了應對這些挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡運營商必須重新定義網(wǎng)絡拓撲結構，改變現(xiàn)有的部署策略。
近，LTE-A標準化已經(jīng)設想推出異構蜂窩網(wǎng)絡（Heterogeneous Cellular Networks，HetCNets）的新技術。新興的高密度HetCNets引入了分層基礎設施，通過部署高功率節(jié)點（如宏基站）來擴展覆蓋范圍和提供高移動性支持，同時部署低功率節(jié)點（如微微蜂窩基站接入點、毫微微蜂窩基站接入點）在某些熱點覆蓋區(qū)域內擴展無線業(yè)務覆蓋范圍，提供可實現(xiàn)的高數(shù)據(jù)速率。另外，通過在局域范圍內部署其他低功率節(jié)點，可以在一個地理區(qū)域內密集地復用頻譜，縮短了用戶終端與服務基站之間的距離，因而基站不需要消耗大量的能量來支持小區(qū)邊緣用戶設備的活動，改善了小區(qū)邊緣用戶的性能并增強了區(qū)域頻譜效率和能源效率。
事實上，HetCNets將宏基站（Macrocell Base Station，MBS）和微微基站（Pico Base Station，PBS）、毫微微基站（Femto Base Station，F(xiàn)BS）等小基站（Small Base Station，SBS）共存。由于大面積部署SBS，所以引起了許多新問題。首先，小基站的發(fā)射功率遠小于MBS，若以傳統(tǒng)的接入方式，用戶極有可能限度地接入MBS，無法發(fā)揮部署小基站帶來的優(yōu)勢，反而會加重網(wǎng)絡頻譜資源及能量資源的浪費。其次，密集的小基站間距離過近，會造成嚴重的干擾問題，不但降低了頻譜資源的利用率，造成功率消耗增大，而且重要的是對通信質量造成毀滅性的影響。此外，網(wǎng)絡中安裝節(jié)點、BS等造成的回程負載、干擾、時延及能耗的增加，對網(wǎng)絡的性能產(chǎn)生了很大的影響。因此，迫切需要研究HetCNets關鍵理論與技術，以解決無線網(wǎng)絡對低時延、大覆蓋和高數(shù)據(jù)速率不斷增長的需求。
本書共11章，主要內容包括：垂直切換技術、干擾管理技術、內容緩存策略、能效優(yōu)化的功率分配技術、NOMA資源管理技術、混合能源驅動的均勻異構蜂窩網(wǎng)絡、混合能源驅動的非均勻異構蜂窩網(wǎng)絡、D2D通信資源分配技術、可見光通信異構蜂窩網(wǎng)絡動態(tài)接入，以及VLC WiFi異構蜂窩網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計。本書可以作為電子與通信工程領域通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理等學科的研究生和高年級本科生的教材，也可以作為從事無線通信系統(tǒng)深入研究與開發(fā)的電信工程師、工程管理人員的參考書。同時，本書對在這個領域進行教學、研究、開發(fā)的教師、學生有很好的參考價值。
本書參考了國內外有關著作和文獻，在此向所有參考著作和文獻的作者表示誠摯的感謝。此外，本書也得到了作者所指導的博士生、碩士生的支持和幫助，以及國家自然科學基金（No. 61872406）和浙江省重點研發(fā)計劃項目（No. 2018C01059）的資助，在此表示衷心的感謝。
由于作者水平有限，書中難免存在一些缺點和錯誤，敬請讀者不吝批評指正。
肖海林
2021年6月
肖海林，男，1976年11月出生，博士、教授、博士生導師，信息與通信工程學科。浙江省"錢江學者特聘教授，廣西優(yōu)秀專家，廣西"省杰青，IEEE 高級會員，中國電子學會高級會員。曾訪學英國大學赫瑞-瓦特大學和南安普頓大學。主持國家項目、省重點研發(fā)項目20多項。作者/通信作者在國內外發(fā)表SCI/EI期刊論文120多篇，獲國家發(fā)明專利30余項、國際/國內標準提案2項、省部級獎勵2次，2個國際期刊編委，5次擔任國際會議TPC并作特邀報告。
目 錄
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 異構蜂窩網(wǎng)絡架構 1
1.3 異構蜂窩網(wǎng)絡中各類型BS的特征 2
1.4 異構蜂窩網(wǎng)絡優(yōu)點 4
參考文獻 4
第2章 垂直切換技術 6
2.1 引言 6
2.2 系統(tǒng)模型 7
2.3 多維屬性融合的異構蜂窩網(wǎng)絡垂直切換判決 9
2.3.1 二維屬性融合的接入網(wǎng)絡判決 9
2.3.2 二維屬性融合的切換時間判決 13
2.3.3 三維屬性融合的垂直切換判決 17
2.4 仿真結果與性能分析 18
2.4.1 仿真場景與參數(shù)設置 18
2.4.2 二維屬性融合的網(wǎng)絡判決概率分析 19
2.4.3 二維屬性融合的切換觸發(fā)概率分析 20
2.4.4 三維屬性融合的切換成功概率分析 20
2.4.5 多維屬性融合的切換過程通信性能分析 21
2.5 本章小結 22
參考文獻 22
第3章 干擾管理技術 24
3.1 引言 25
3.2 系統(tǒng)模型與問題形成 26
3.2.1 系統(tǒng)模型 26
3.2.2 問題形成 28
3.3 基于干擾限制區(qū)域的干擾管理方案 29
3.3.1 干擾限制區(qū)域劃分場景 29
3.3.2 聯(lián)合模式選擇與功率控制算法 34
3.4 覆蓋概率分析 36
3.4.1 蜂窩鏈路覆蓋概率 37
3.4.2 D2D鏈路覆蓋概率 40
3.4.3 毫微微蜂窩鏈路覆蓋概率 42
3.5 仿真結果與性能分析 44
3.6 本章小結 51
參考文獻 51
第4章 內容緩存策略 54
4.1 引言 55
4.2 系統(tǒng)模型 56
4.2.1 無線通信模型 57
4.2.2 內容緩存模型 59
4.3 問題形成 59
4.3.1 時延與能耗分析 60
4.3.2 時延與能耗的折中 61
4.4 聯(lián)合功率感知的用戶關聯(lián)與內容緩存方案 63
4.4.1 功率感知的用戶關聯(lián) 63
4.4.2 內容緩存策略 67
4.4.3 迭代功率感知的用戶關聯(lián)與內容緩存算法 68
4.5 仿真結果與性能分析 69
4.6 本章小結 77
參考文獻 78
第5章 能效優(yōu)化的功率分配技術 80
5.1 引言 80
5.2 系統(tǒng)模型及問題形成 82
5.2.1 系統(tǒng)模型 82
5.2.2 優(yōu)化問題形成 83
5.3 用戶關聯(lián)策略 84
5.3.1 用戶關聯(lián) 84
5.3.2 基于人工魚群算法的用戶關聯(lián)策略 85
5.4 基于ADMM的功率分配算法 88
5.5 仿真結果與性能分析 93
5.6 本章小結 96
參考文獻 97
第6章 NOMA資源管理技術 99
6.1 引言 99
6.2 系統(tǒng)模型及問題形成 101
6.2.1 系統(tǒng)模型 101
6.2.2 問題形成 103
6.3 聯(lián)合子信道和功率分配方案 104
6.3.1 基于干擾超圖的子信道分配 104
6.3.2 基于拉格朗日的功率分配 109
6.3.3 聯(lián)合子信道和功率分配優(yōu)化算法 114
6.4 仿真結果與性能分析 115
6.5 本章小結 121
參考文獻 121
第7章 混合能源驅動的均勻異構蜂窩網(wǎng)絡 124
7.1 引言 125
7.2 系統(tǒng)模型及問題形成 126
7.2.1 系統(tǒng)模型 126
7.2.2 問題形成 129
7.3 用戶關聯(lián)與資源分配方案 131
7.3.1 用戶關聯(lián)機制 131
7.3.2 帶寬資源分配策略 135
7.4 仿真結果與性能分析 136
7.5 本章小結 139
參考文獻 140
第8章 混合能源驅動的非均勻異構蜂窩網(wǎng)絡 143
8.1 引言 143
8.2 系統(tǒng)模型及問題形成 144
8.2.1 網(wǎng)絡和流量需求模型 144
8.2.2 能量消耗模型 146
8.2.3 無線通信模型 147
8.2.4 問題形成 148
8.3 功率感知用戶關聯(lián)與可再生能源配置方案 152
8.3.1 功率感知用戶關聯(lián)規(guī)則 152
8.3.2 可再生能源配置的功率控制方法 154
8.3.3 可再生能源配置的能量平衡算法 158
8.4 仿真結果與性能分析 160
8.4.1 系統(tǒng)中斷概率驗證 161
8.4.2 功率感知用戶關聯(lián)與可再生能源配置方案性能分析 162
8.5 本章小結 166
參考文獻 167
第9章 D2D通信資源分配技術 169
9.1 引言 170
9.2 系統(tǒng)模型 171
9.3 基于能效優(yōu)化的D2D通信資源分配算法設計 174
9.3.1 D2D用戶模式選擇 174
9.3.2 D2D用戶功率控制 177
9.3.3 D2D用戶信道分配 180
9.4 仿真結果與性能分析 182
9.5 本章小結 185
參考文獻 185
第10章 可見光通信異構蜂窩網(wǎng)絡動態(tài)接入 187
10.1 引言 188
10.2 系統(tǒng)模型 190
10.3 理論分析 191
10.3.1 多屬性參數(shù)的計算 191
10.3.2 權重比較判決矩陣的建立 192
10.3.3 權重向量的計算 192
10.3.4 層次分析與加權和算法相結合 193
10.3.5 非直射鏈路下的接入檢測算法 193
10.3.6 VLC異構蜂窩網(wǎng)絡接入判決流程 194
10.4 仿真結果與性能分析 195
10.5 本章小結 200
參考文獻 200
第11章 VLC WiFi異構蜂窩網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計 202
11.1 VLC WiFi通信系統(tǒng)設計 202
11.1.1 發(fā)射端系統(tǒng)設計 203
11.1.2 中繼端系統(tǒng)設計 204
11.1.3 接收端系統(tǒng)設計 204
11.2 VLC WiFi通信系統(tǒng)電路設計 205
11.3 系統(tǒng)測試與應用場景 211
11.3.1 系統(tǒng)測試 212
11.3.2 應用場景 214
11.4 本章小結 219
參考文獻 219
附錄A 內容成功傳輸概率的證明過程 220
附錄B 縮略詞對照表 225
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