文摘

超密部署小细胞被认为是一个关键的口味的新兴5 g蜂窝网络解决未来数据能力的挑战。大部分这些部署将室内,因为这是竞技场的多数数据流量被认为起源于在未来。室内小细胞的解决方案(例如,毫微微蜂窝或WiFi)很好地定位提供优越的室内覆盖和容量。然而,由于相对较小的内存覆盖与传统宏单元相比,一个非常密集的部署需要的小细胞为了有一个无处不在的室内覆盖。这样的密集部署触发移动运营商成本和能源效率问题。在本文中,我们分析和比较两种部署策略的technoeconomic性能:齐次macrocellular致密化和异构macro-femto部署策略,从室内服务供应的角度来看。特别是,我们基于macro-femto部署的性能分析和对比,不同毫微微蜂窝市场普及率和在不同的毫微微蜂窝回程连接约束,与齐次macrocellular致密化。结果表明基于室内毫微微蜂窝的性能优越的部署比macrocellular-only致密化,由于更好的室内覆盖,无线电信道条件,和高度的空间复用。

1。介绍

保持视图移动用户的急剧增加的足迹,人们普遍预测的移动数据流量在不久的将来将增加1000倍(1,2]。根据最近的一份报告由国际电信联盟(ITU), 2020年将会有大约250亿所连接设备(3]。新的进展在现有的网络基础设施,以支持指数增加在未来容量需求而寻求保持成本和能源消耗可行。

的基本机制,提高网络的容量(i)提高频谱效率和先进的调制和编码技术,(2)提高干扰条件下在一个细胞通过使用先进的天线技术(例如,波束形成)或新颖的无线资源管理方法,(3)增加无线通信信道的带宽,(iv)增加发射机和接收机之间的链接的数量通过使用空间复用技术(例如,米姆),(v)采用积极的频率复用,即多次重用相同的无线电资源在一个给定的区域通过部署更多的基站。过去的技术已被证明提供显著提高网络容量的蜂窝网络(4]。

超密network deployment已被确定为一个关键的网络进化策略来解决1000 x能力问题。不幸的是,网络基础设施成本与基站的数量也会增加。对于任何移动运营商,网络的部署和运营成本管理是一个关键问题,为了在市场上保持竞争力。因此,运营商寻找网络部署解决方案,提供增加网络容量较低的成本和能源消耗。

在手机服务行业,它一直认为70%到85%的整体移动交通是由室内用户(5,6]。然而,它也被报道,大部分的投诉不良相关报道来自室内用户(5]。原因是由于移动运营商提供覆盖使用的传统方法通过户外室内用户部署,主要是宏单元。室外信号产生高损失通过外墙渗透到室内环境。传统上,值在5 dB-15 dB。然而,最近增加了全球变暖的意识和由此产生的需求来节约能源和减少有限公司₂排放导致了若干举措被在国际层面上。其中一项由欧盟委员会要求“改善隔热的新住宅和商业建筑在2020年”(7]。使用新的现代建筑材料改善保温因此对无线电信号产生负面影响。在最近公布的一项研究[8,9),现代城镇房屋的外墙渗透损失据报道多达35分贝。我们相信,这些渗透损失值将继续增加建筑保温材料的进一步发展。为了克服这个问题,运营商可能致密现有网络,也就是说,增加室外基站的数量或室内小细胞部署的解决方案(例如,家庭基站或WiFi)。摘要室内家庭基站的部署部分来自于需求提供室内覆盖城镇房屋与现代建筑材料,否则将难以实现户外部署解决方案。由于坐落在室内,家庭基站已做好准备,来解决室内覆盖差的问题。然而,由于其覆盖范围小,他们是需要被部署在一个超密时尚提供无缝覆盖整个室内环境。因此,不仅覆盖率提高,而且能力增强是由于极端的空间复用。然而室内家庭基站触发器的超密部署成本和能源使用的移动运营商的关注。

此外,与传统的部署解决方案(例如,宏单元或微蜂窝技术),一个专门的航母级回程,家庭基站利用终端用户宽带互联网服务,例如,ADSL (不对称数字用户线)、电缆调制解调器或FTTH (光纤到户),连接到一个运营商的核心网络。因此,因此可实现的数据吞吐量的限制宽带连接的连接速度,进而影响提供能力。

一份报告(10]Akamai技术发表在2015年第二季度(Q2)揭示了网络的平均数据速率宽带连接世界各地。表1引用十大平均数据速率的国家,其次是全球平均数据速率。

在本文中,我们研究两个移动网络进化策略:(a)均匀macrocellular致密化和(b) macro-femto异构网络(HetNet)部署。部署策略尤其评估从室内服务供应的角度在市郊的一个类型的环境。我们考虑不同的毫微微蜂窝回程回程连接速度,从较低的网络连接(4 Mbps)超高速宽带连接(100 Mbps)。宏单元的网站,一个专门的航母级回程连接到每个站点被认为没有回程的瓶颈(为简单起见),尽管在现实中宏单元的回程连接速度也是有限的。除了回程的限制,我们还考虑了不同渗透率室内家庭基站。然后我们比较相应的网络容量和能源效率和成本效率的macro-femto HetNet不同回程的局限性和部署普及率均匀macrocellular致密化的策略。为了克服高墙穿透损失,我们特别调查一个极端的部署场景,在一个专门的室内毫微微蜂窝是部署在每个城镇郊区的房子(毫微微蜂窝普及率100%),提供覆盖和容量。我们检查是否这样的部署将节能、节省相比传统macrocellular部署。本研究工作的主要目标是提供深刻见解technoeconomical方面不同的移动网络部署和致密化的解决方案,可以帮助移动运营商在决定最好的网络对未来移动网络的进化策略。我们具体分析和解决以下问题相关的移动网络进化:(我)哪一层(宏观或毫微微)移动运营商应该致密为了满足未来产能的要求吗?(2)毫微微蜂窝回程限制有重大影响的总体容量和成本和节能性能macro-femto网络?(3)哪些网络进化策略收益最重要的网络容量收益和相应的部署成本是什么?是超密部署室内小细胞或增加操作带宽室外遗留(宏单元)基础设施?

2。相关工作

近年来一些研究已发表相关建模和性能评估的异构无线网络(HetNet)。出版物处理的不同方面HetNets从能力评价节能评估和成本效益分析。该地区的频谱效率性能双重macro-femto HetNet一直在评估(11]。作者得出结论,显著提高能力可以通过引进低成本和低功耗现有macrocellular家庭基站网络。在[12),纯macrocellular和毫微微蜂窝的容量价值比较解决方案进行了低和高需求的水平。结果显示,家庭基站的部署在现有macrocellular网络仅仅是具有成本效益的策略当新的macrosites必须被部署。类似的研究比较均匀的性能macro-only网络和异构macro-femto网络的容量和成本和节能为室内服务供应,考虑不同的回程选项,进行了在13]。作者报告,回程解决方案中发挥关键作用在移动网络的总成本,尤其是对指数未来容量需求上升。高容量的需求,基于光纤的回程最能源和有成本效益的解决方案是比微波回程选择。家庭基站引入现有的经济评估macrocellular基于LTE网络,开放和关闭访问毫微微模式,研究在14]。在[15),可行性研究已经对multiradio访问技术载波聚合(multi-RAT CA)基于macrocellular和WiFi HetNet。本文强调一些开放的研究与集成LTE-advanced和WiFi实际部署相关的问题。毫微微蜂窝的影响部署在节能cochannel macro-femto网络调查在16]。论文中研究结果表明,显著节省能源消耗macro-femto网络,可以实现macro-only网络相比,当能力要求很高。在[17)、技术和经济方面的根据不同的部署策略纯macrocellular部署,纯微孔部署,室内毫微微蜂窝的基础超密HetNet部署从室内评价服务供应的角度。得出室内家庭基站的密集部署是一个可行的网络进化途径以满足未来室内能力需求。本文假定无限回程室内家庭基站的连接。

本文进一步扩展了以前的研究报告(17)的影响,分析不同的毫微微蜂窝的市场普及率和回程的总体性能限制macro-femto HetNet。此外,性能的macro-femto HetNet相比是一个齐次macrocellular部署不同的载波带宽(5 MHz, 40 MHz, 100 MHz)。分析了从一个室内服务供应的角度。

3所示。系统模型和假设

3.1。场景描述

部署策略评估模型郊区类型环境中包括住宅街区。每个块包含20个城市房屋排列成一个网格模式,如图1。小镇的房子维度10 m×10米,5米高,由2层。每个房子的室内平面图建模为一个开放的区域没有内墙;房子内的无线电信号,遇到任何障碍除了渗透损失外墙壁和天花板/地板,如图1。outdoor-to-indoor墙渗透损失设定在30分贝,这是符合最近的测量报告对于现代城镇房屋IMT (2100 MHz)乐队9]。选择地板/天花板渗透损失4 dB。在考虑的场景中,有大约3125个住宅。

3.2。部署策略

technoeconomical的分析和比较,我们认为以下两个室内服务配置部署策略。

3.2.1之上。齐次Macro-Only部署

在这一战略的室内位置在郊区的户外macrocellular层。macrocellular部署,苜蓿叶(六角)修改布局作为基础(18]。苜蓿叶布局定义网站的相对位置和部门定位,由红色箭头在图所示1。宏单元密度取决于细胞优势区域,这是intersite指定的距离(ISD)。单元格区域被定义为主导地位最好的服务器区域细胞提供了最强的覆盖与其他邻近细胞。假设一个常规六边形细胞,宏单元的优势区域,的话,是 在哪里平均intersite距离(m)。在本文中,我们考虑三个intersite距离:1732 ISD(基线),ISD 866 m, ISD 433米。对应的细胞密度考虑民表2。

为了提高细胞边缘覆盖率和减轻注液电池和晶格内的干扰,宏单元部门天线“电”下倾,这样天线孔径点在单元边界地区(19,20.]。因此,电倾角取决于最大细胞范围,(m)。三部门六角形细胞网站,大约是。了解宏观部门天线高度(),用户设备(UE)天线高度(),细胞范围(),倾斜角度可以计算几何 在(2),是垂直3 dB天线的波束宽度,必须占在计算下倾角度(21]。

3.2.2。异构Macro-Femto部署

在这一战略中,多层网络是由宏单元的部署家庭基站覆盖范围内。宏和毫微微层共享相同的载波频率(cochannel部署)。此外,毫微微蜂窝访问点(FAP)密度,对于每个宏ISD,不同于5%(名义毫微微蜂窝部署)到100%(超密部署;即。,every house has a separate indoor femtocell deployed). It is pertinent to mention that the maximum number of femtocells deployed per residential house is set to 1. Furthermore, for simplicity, no intercell and intralayer coordination is assumed. Table2给出了结合macro-femto细胞密度不同的毫微微蜂窝普及率。

3.3。传播建模

无线传播信道建模使用确定性主导路径预测模型(DPM) [22]。占主导地位的路径预测模型是类似传统ray-optical模型;然而,而不是计算所有发射机和接收机之间的射线路径(这是典型的射线跟踪模型),DPM模型计算只有那些贡献的路径总数的90%在接收机信号能量。这种方法已经被证明可以减少计算时间明显比传统的射线跟踪模型,在保持精度几乎相同(23]。

路径损耗,在DPM模型近似(dB),使用下面的方程(22]: 在哪里发射机和接收机之间的距离,路径损耗指数,是波长(根据载波频率),然后呢是一个函数来计算损失的交互(dB)由于波传播方向的改变(波变化方向由于衍射现象)。衍射损失取决于前方向之间的角度和传播的新方向。是波导(隧道)效应考虑沿着路径反射的影响。进一步的传播模型及其工作原理的详细信息可以在[22- - - - - -24]。路径损耗指数的值用于模拟,郊区的室外和室内环境,表中列出3。

3.4。天线模型

的3-sector宏单元网站使用定向天线。部门天线建模使用一个扩展的3 GPP天线模型提出了(25]。

获得的2 d平面方位,计算如下: 在哪里,方位角是相对于天线孔径,是方位半功率波束宽度(°),FBR前后的比率(dB),然后呢的最大增益天线在天线孔径(dBi)。

获得的2 d平面天顶,计算如下: 在哪里,是消极的天顶角相对方位平面(即,向上的平面相对于天线孔径,沿天线孔径,是向下的平面相对于孔径),是电下倾角度(°),是天顶半功率波束宽度(°),SLL是旁瓣水平(°)相对于最大收益。宏单元的天线参数值采用从[25]。毫微微蜂窝的接入点采用全向天线。表4列表中使用的通用参数模拟。

4所示。分析方法和性能指标

4.1。分析方法的概述

在本节中,我们突出了关键的性能分析分析方法用于不同的部署策略。(我)这项研究是基于技术无关的方法;即分析不是绑定到任何特定的无线接入技术。因此,细胞和网络级能力建模使用基于香农容量约束的信号干扰噪声比(SINR)特征。(2)假设网络运营的满载条件收音机所有元素(宏单元和家庭基站)在他们的最大功率传输设置。这是一个糟糕的情况也是一个典型的方法,用于网络容量尺寸。这样不同的部署解决方案从而推动他们的终极限制以一种系统化的方式。(3)接收机点的分布在所有建筑(层)是一致的。这些接收机点采用能够分析点态网络容量(即。,网络容量每receiver point) within the cell area and hence capture the overall cell level capacity statistics.(iv)家庭基站的位置,在异构的部署场景中,我们使用蒙特卡罗方法。在每次运行期间,家庭基站是随机部署在住宅(条件最大一毫微微蜂窝的房子),然后模拟了信号强度。家庭基站在特定区域的分布是均匀的。此外,统计上为了得到可靠的结果,我们运行蒙特卡罗模拟100次。为了清楚起见,要承认,这种分析方法不明确地考虑任何无线电资源管理(RRM)方面在多用户网络只是试图量化的最大可用的网络容量不同的考虑部署策略可以提供当推到自己的极限。

4.2。细胞和网络领域能力

平均细胞水平能力,在给定的无线电传播环境和干扰条件下,细胞内区,估计使用香农容量约束 在哪里是承运人带宽(MHz),指的是瞬时信号干扰和噪声比(SINR),它定义了广播信道条件下,表示所有接收机平均点。通过重用相同的频谱资源/面积1(即。,by deploying multiple base stations per 1 ),平均网络区域的能力,由于空间重用是近似 在哪里细胞密度(细胞的数量每)。

从(7),我们可以看到平均网络区域能力取决于平均细胞水平能力和空间复用率(即。,细胞密度每)。平均的分布决定了细胞水平能力,明显(6),这在很大程度上取决于部署的网络体系结构。取决于底层部署策略,问题可能经历的干扰只cochannel macrolayer(如均匀macrodeployment)或从宏观和femtolayers(以防异构macro-femto cochannel部署),如图2。这是阐述如下。

4.2.1。准备齐次Macro-Only部署

在均匀macro-only部署场景中,一个问题在一个宏单元经历干扰其他cochannel宏观细胞。这种情况是由SINR 在哪里的接收信号功率为宏单元问题。的接收功率是th cochannel宏单元的影响个问题,是指接收机噪声地板,这取决于操作带宽和问题接收机噪声图。

4.2.2。异构Macro-Femto部署

为cochannel macro-femto异构部署场景中,有两个问题案例:(a)问题连接到一个毫微微蜂窝的访问点和(b)连接到宏单元的问题。这两种情况下是由SINR 在哪里和表示瞬时SINR条件的经验th问题连接到毫微微蜂窝的访问点和宏单元,分别。在这两种情况下,总有经验的干扰th问题是接收信号的求和权力来自其他cochannel宏观和家庭基站。

4.3。节能

分析节能均匀macro-only和异构macro-femto部署,我们使用相同的方法中描述17,26,27]。在这篇文章中,网络被定义为的节能聚合数据率是可以实现的,而消耗的一个给定的能力例如,1千瓦。这种方法适合评估网络的节能操作满载条件下(28]。因此,网络节能,是由: 在哪里平均网络容量和区域是该地区访问网络的功耗元素(基站)在一个名义1地理区域。面积能耗,无线接入网络,取决于一个基站站点的优势区域,,单个基站站点的能耗,,是由(28- - - - - -31日]

一般来说,主要的电力消耗设备收发站基站站点是基地(BTS),支持传输和接收用户设备(问题)。宏单元的网站和毫微微蜂窝的BTS接入点内部体系结构发生显著的变化。这种差异源于宏单元的明显不同的部署目的(提供户外宽的覆盖范围)和毫微微蜂窝访问点(包括小型室内位置)。这对他们的整体功耗有重大影响,因此应该准确地估计。

4.3.1。为宏单元基站功耗模型

macrocellular基站的功耗估计使用功耗模型提出了(29日]。基站的模型考虑了影响网站组件以及每小时的网络负载的影响。这样一个宏基站站点的能耗,的话,是 在哪里是全部装入独立能源贡献源于整流器,回程连接光纤链接,网站空调机组。反过来,是总load-dependent功耗分享源于功率放大器,收发器和数字信号处理单元。是负载因素,不同0(无载)和1之间(高/峰值负载)。的分析,我们认为,也就是说,满载。表5总结了宏观基站功耗模型的输入参数。近似的参数值取自[17,29日]。是相关的注意,功率放大器(PA)效率大电池被认为是45%,这是符合最近报道效率(35%到65%)Doherty PA架构,与先进的信号处理算法,操作在峰值负载28,32,33]。因此,PA在高峰负荷的电力消耗是44 W。此外,我们假设一个户外杆安装宏BTS,不需要空调(34]。因此,空调机组的能耗是假定为0瓦在这项研究。根据参数表5,宏观的总功耗基站站点,在全负荷运行条件下,被评估是大约1千瓦。

4.3.2。毫微微蜂窝访问点(FAP)功耗模型

毫微微蜂窝的功耗接入点,,估计使用功耗模型提出了(35]: 在哪里是微处理器的功耗单元,是现场可编程门阵列的功耗的贡献,无线电收发器单元的功耗,是功率放大器的功耗。毫微微蜂窝技术目标消费者细分市场,内部电子元器件的访问点,特别是爸爸,不一定是权力有效的macrocellular基站FAP价格保持在可承受的范围内。因此,PA FAP的效率相对很低,大电池效率。分析功率放大器效率20%已毫微微蜂窝美联社认为,导致功率放大器消耗0.5 W。表6列出了功耗FAP的不同组件,从(35]。根据参数表6,总毫微微蜂窝基站的功耗估计大约10 W。

4.4。成本效率

移动运营商努力为顾客提供最大覆盖和容量,同时保持的部署和运营成本尽可能最低。成本效益分析,因此,提供了一个通用的成本结构的进化途径某些技术或系统和是否它是一个可行的投资。同类和异类部署成本评估的可行性策略,我们使用描述的成本分析方法(17,26]。因此,成本效益,,被定义为传输的比特量单位成本。数学上, 在哪里平均网络面积容量由(7),network deployment总成本标准化为1吗区域。部署一个蜂窝网络的成本可以大致分为两种类型:(i) CAPEX(资本支出)和(2)OPEX(运营支出)。资本支出是投资成本通常被认为是在网络推广的初期阶段或当网络升级,其中包括成本与无线电BTS,传输设备、天线、电缆、和网站建设和安装成本。运营成本,另一方面,积累构成网络的运营成本,由网站租赁,租赁回程,操作和维护(OA&M)的网络。总成本结构主要由移动运营商的运营成本(36),覆盖网络的寿命。“总成本/基站”估计净现值(NPV)而言,这仅仅是发现通过总结年度现金流量贴现支出对于一个给定的研究期间(年)36,37]。数学上, 在哪里年的研究期间(我们假设8年基站价值折旧),每个基站的年度总支出(包括运行成本和可能包括投资成本)的吗th,是折现率设定为10%。此外,我们假设,对于每个部署策略,整个网络部署在第一年。因此,在计算净现值的基站,资本支出是只考虑第一年在接下来的几年里积累的运营成本支出只是考虑。为简单起见我们忽略相关的额外成本无线网络规划,核心网络和营销成本。

类似于功耗,成本结构的宏观基站站点和毫微微蜂窝接入点也变化很大,因为内部基站系统架构以及部署设置。表7给出了近似值各成本项目宏单元细胞网站和毫微微蜂窝接入点(AP)。项目分为CAPEX和OPEX成本。此外,采取了宏单元基站的成本值从38]。毫微微蜂窝接入点的成本项目,主要是针对住宅消费市场,将会被与商用无线访问点。从运营费用的角度,只有在操作运行成本毫微微蜂窝是回程连接,我们假设是通过住宅宽带连接(年增长率40平率的假设的基础上每月)。用表中的值7每个基站的总成本,净现值,八年期间,10%的折现率计算是104 k对于一个3-sector宏单元基站和3.3 k毫微微蜂窝。

5。结果和分析

基于上一节描述的分析方法,我们现在评估和分析technoeconomical研究部署策略的性能和行为。性能基准测试的目的,我们考虑齐次macrodeployment ISD 1732作为基线。本节将为我们提供的结果technoeconomical洞察网络进化策略,将最适合移动运营商解决指数室内容量需求上升。

5.1。覆盖和干扰分析

一般来说,收到有用信号功率和SINR是最重要的性能指标,提供主要信息系统/网络是如何执行给定的无线电频道的条件下。从网站整体细胞能力的角度来看,细胞边缘的性能意义,因为这些地区,由于远离基站服务,体验更糟糕的覆盖和无线信道条件。因此,我们首先将集中在这一节中最严重的十日百分位值,代表条件细胞边缘区域,从而反映出系统的报道。

图3显示了室内接收信号功率(即10 th-percentile值。,coverage) for macrocellular deployment with three intersite distances (i.e., ISD 1732 m, ISD 866 m, and ISD 433 m). For each ISD, the femtocell penetration is varied from 0% (i.e., no femtocell deployment) to 100% (ultradense deployment of indoor femtocells, wherein each house has a femtocell deployed). As shown in the figure, the indoor coverage improves as the macrocell sites are densified from ISD 1732 m to ISD 433 m. At lower femtocell penetration rate (i.e., from 0% to 25%), difference in the indoor coverage is almost negligible. However, as we densify the femtocell penetration beyond 50%, the coverage improvement starts to become more noticeable. The reason is due to the fact that as the femtocell penetration rate increases, the probability of femtocells at the cell edge houses increases accordingly. Due to being located indoors, femtocell can provide superior indoor coverage as compared to outdoor homogeneous macrocellular deployment. At 100% penetration rate, the received signal level is constant over different ISDs, which means that the indoor is fully served by femtocell deployment (i.e., femtocells are more dominant than macrocells at the cell edge).

相应的广播信道条件的SINR部署场景如图4。直觉上,均匀的SINR性能macrocellular部署在单元边缘也很差。虽然强化macro-only网络(ISD 433)应该有相对较高的SINR ISD 1732,相比不发生由于更高的宏单元密度在这种情况下会导致过度cochannel干扰,进而降低了无线信道条件细胞边缘。家庭基站部署的影响完全可以忽略不计的毫微微蜂窝普及率较低,开始变得更加可见当普及率增加到75%。原因是归因于更好的覆盖细胞边缘。密度与宏单元配置,100%的毫微微蜂窝渗透不会增加显著的干扰水平。的信号来自cochannel毫微微蜂窝陷减毒至少60 dB由于墙渗透损失。因此,室内家庭基站APs,由于位于住宅房屋,是独立于其他cochannel家庭基站,位于邻近的房屋,导致更好的无线信道条件。

5.2。容量和成本,节能分析

在本节中,我们分析异构macro-femto部署的性能,不同毫微微蜂窝普及率,平均网络区域能力和成本效率和节能。在HetNet部署,我们考虑三种不同的回程连接速度约束(即。,4 Mbps, 16 Mbps, and 100 Mbps) for the femtocell access points, whereas for macrocellular sites no such limitation has been assumed (i.e., the backhaul connectivity speeds is virtually “unlimited”). Moreover, the carrier bandwidth is assumed to be 5 MHz.

图5显示了平均室内网络容量趋势macro-femto部署。为每个macrocellular intersite距离(ISD)毫微微蜂窝的渗透率变化从0%(即。,没有毫微微蜂窝的部署)到100%(即。每个房子都有一个毫微微蜂窝部署)。从图可以看出,我们开始部署的网络容量显著增加室内毫微微蜂窝接入点。表8比较了均匀macro-only部署性能与异构macro-femto部署。毫微微蜂窝渗透在这种情况下只有5%;也就是说,只有5%的房屋在1地区室内家庭基站部署。由于较小的内存覆盖,毫微微蜂窝普及率5%导致细胞密度的160个细胞/。从表中我们可以看到,异构部署即使在最坏的情况下(即条件。,femtocell backhaul limited to 4 Mbps broadband connection) yields a network capacity of 0.63 Gbps/,这是32 x大于提供的网络容量基线ISD 1732 macro-only网络配置(没有回程连接约束)。相比之下,最密集的macro-only部署ISD 433收益率只有22 x比基线配置更大的网络容量。因此,得出的结论是,即使在最糟糕的情况,实现细胞水平能力的毫微微蜂窝接入点是有限的回程,室内可以显著增加网络容量部署更多的毫微微蜂窝接入点,比户外macrolayer致密化。然而,问题是,如何相应的成本和能源消耗性能macro-femto部署与齐次macro-only部署。这是下一个调查。

从成本效益分析,图6显示了成本效率macro-femto部署不同毫微微蜂窝普及率为每个macrointersite距离(ISD)。macro-femto部署的成本效率表现为观察遵循相同的趋势平均网络容量的性能。由于相对较低的功耗/接入点和更高的网络容量增益值,成本效率macro-femto部署增加毫微微蜂窝的普及率。表9列出了每个区域和总成本成本效率齐次macro-only部署和异构macro-femto部署的名义普及率为5%。尽管macro-femto部署的总成本除以面积大于基线配置,巨大的网络容量增益通过密集部署有助于抵消室内毫微微蜂窝部署总成本的损失,从而导致更高成本效率。例如,如果4 Mbps毫微微蜂窝回程限制,成本效率macro-femto部署4.4 x大于基线macro-only配置与ISD 1732米。后续致密化的宏单元ISD ISD 433 1732导致细胞密度只有55.4细胞/但总成本为1924 k/,这是很重要的比与160细胞/毫微微蜂窝的部署(即。,528 k/)。

从节能的角度来看,由于高容量,传输的比特量每千瓦高macro-femto部署。换句话说,随着毫微微蜂窝普及率的增加,传输一个比特的数据的能量消耗下降,如图7。即使是名义毫微微蜂窝的普及率为5%,macro-femto部署有更低的整体功耗和相对更高的能效与基线相比macro-only场景与ISD 1732,如图所示的节能比较表10。

5.3。增加操作带宽的影响

在前面的小节中,我们注意到,尽管有限的回程连接,基于毫微微蜂窝的异构网络提供重要的室内和更高的网络容量成本-和节能相比,均匀macrocellular致密化几乎“无限”回程。在本节中,我们研究一个可能的运营商的策略增加均匀macrocellular部署的操作带宽,使technoeconomic比较与异构macro-femto部署场景5 MHz带宽。比较,我们再次假设宏单元网站没有回程的限制,而毫微微蜂窝接入点回程有限。

均匀macrocellular部署,我们考虑两个载波带宽:40 MHz (i)和(ii) 100 MHz。随着无线电频谱定价既是一种稀缺资源,我们另外考虑增加更多的成本系统频谱带宽。光谱值通常是由激烈的竞争中利益相关者(通常是移动运营商)。在本文中,我们假设的价格购买一个单位频谱带宽(在本例中1 MHz)在2 GHz频段10每,也就是说,10/ MHz /,这是符合谱值假设[39]在700 MHz频段频谱。相关的注意,然而,不同地区之间的光谱变化很大的价值和/或市场和不同频段之间也。价值假设这是无论如何一个现实的代表数量,因此有分析目的。增加的额外成本从350年5 MHz带宽/40 MHz和950年/为100 MHz带宽。表11给出了平均网络容量和单位面积总成本与不同的操作带宽均匀macrocellular部署。明显的从表中,增加网络容量的增加操作带宽。然而,带宽的增加有一个额外的频谱在形式的成本区域总成本,。相比较而言,表12提供了平均网络容量和单位面积总成本为异构macro-femto部署不同的普及率,操作5 MHz的名义带宽。通过对比表,它可以得出结论,在较低操作带宽(5 MHz),家庭基站可以提供相对较高的网络容量和以较低的成本比macrocellular致密化,即使家庭基站是回程有限。然而,在最高操作带宽(100 MHz)和密集的macrocellular配置(ISD 433),平均网络容量大约是9 Gbps。实现类似的网络容量增长与异构网络部署需要更高的毫微微蜂窝的部署,如果毫微微蜂窝回程连接4 Mbps。这转化为更多的投资成本的移动运营商部署成千上万的家庭基站/。然而,较高的毫微微蜂窝回程连接速度,可以实现相同或更大的网络容量较低的投资成本。例如,一个网络容量10 Gbps的/可以实现20%的毫微微蜂窝渗透和回程16 Mbps的连接速度。成本发生在这种情况下是30%不到均匀macrocellular部署与ISD 433米。

6。结论

在本文中,我们分析和比较三种不同的网络进化策略基于(我)致密化的均匀macro-only部署(二)异构macro-femto网络部署不同毫微微蜂窝普及率,(iii)macrocellular能力增强和更大的带宽。技术和经济两方面的考虑策略从一个室内服务供应角度进行了分析。本研究工作的主要目的是提供新的见解的technoeconomical方面不同的网络能力提升计划,从而提出建议和工具,可以帮助移动运营商在决定最好的网络进化策略的网络的未来。

三个关键性能指标分析被认为是,即网络容量,成本-和节能。在分析家庭基站普及率从0%变化(没有毫微微蜂窝部署)到100%(其中每个房子都有自己的毫微微蜂窝部署)。此外,三种不同的毫微微蜂窝回程被认为是宽带连接的速度。这是观察到,由于极高的空间复用加上低功耗和低成本每毫微微蜂窝接入点,毫微微蜂窝的基础HetNet解决方案提供了更高的整体室内网络容量和区域能源和成本效率为室内服务供应。然而,家庭基站的性能可以很大程度上受限于回程的数据率。作为一个结果,可以得出以下主要结论:(我)小细胞可以提供解决方案提高网络容量在一个成本-和节能方式,因为他们有更高的回程连接到核心网络。(2)此外,而不是增加载波带宽,移动运营商可以最初增强网络通过部署小基站的容量,然后逐渐增加频谱带宽的网络。

5 g和移动网络之外,我们设想,移动运营商必须依靠提高技术能力的结合。超密部署小细胞一起更大的带宽,主要通过载波聚合,将形成他们的网络进化策略不可分割的一部分。

一般来说,成本效益分析在本文是基于简单的成本模型假设绿地部署。然而在实践中,成本建模可以更复杂;例如,(我)运营商可能已经有一些网站资产,从他们现有的遗留网络,他们可以利用和(2)运营商可能会进入一个协议与其他运营商网站共享甚至频谱共享,以提高他们的能力。进一步的研究将集中在一个更详细的technoeconomic建模,考虑到不同的部署方面在实践中发现。从频谱管理的角度来看,它还将是很有趣的部署情况,分析分宏观和家庭基站之间的光谱,也就是说,使用相邻的不同渠道层HetNet为了消除层间干扰。此外,它相关的注意的是,交通分布的摘要被认为是均匀(即。,uniformly distributed) in the indoor locations and it was assumed that all the users are generating high traffic demand. In real life, however, such an extreme condition might not be realizable. The traffic across real networks is nonuniformly distributed and the HetNets are deployed in only hotspot areas where there is high capacity demand. This results in lower investments by the operator as well as lower energy consumption. A sequel to this paper will focus on nonuniform traffic distribution and will analyze the performance trends of macro-femtocell deployment, with varying backhaul constraints, with pure macrocellular densification. Furthermore, it is to be acknowledged that the analysis principles adopted in this paper focus solely on the network level capacity of different deployment solutions without explicitly considering the radio resource management aspects. Hence, in true multiuser networks where the capacity of a single network element or access point is divided between the multiple simultaneously scheduled devices, the UE level capacity will naturally be smaller. In any case, the provided analysis results and adopted analysis methodology provide valuable understanding and insight of the network level capacity limits of different alternative deployment solutions when pushed to their ultimate limits.

总而言之,本文提供的分析原理和方法将提供有价值的工具,网络供应商和运营商进行详细technoeconomical进化为移动网络规划和优化。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想扩展他们的感谢芬兰资助机构对技术和创新,泰克资助这项研究工作的一部分“节能无线网络和连接Devices-Systems (EWINE-S)”项目。