《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。

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 219
第10章 无人机协助的低空异构网络 228
10.1 低空异构网络及其异构扩展 228
10.1.1 信号传输衰落模型 229
10.1.2 簇内和簇间距离分布 231
10.2 基于*小距离级联的各层BS 的接入路径损耗分布 232
10.2.1 第0层簇内U-BS接入路径损耗分布 232
10.2.2 簇内G-BS接入路径损耗分布 234
10.2.3 簇间BS接入路径损耗分布 235
10.3 不同级联方案和级联距离分布 236
10.3.1 四层级联方案和级联距离分布 237
10.3.2 两层级联方案和级联距离分布 240
10.4 干扰分布 243
10.5 下行链路覆盖概率和平均面积吞吐量 248
第11章 三维无人机群协助的异构网络 257
11.1 三维无人机群单层网络 257
11.2 动态无人机网络覆盖和容量 259
11.2.1 BHM模式下覆盖分析 259
11.2.2 BCM模式覆盖分析 261
11.2.3 下行信道容量 263
11.3 三维无人机协助的两层异构网络 266
11.3.1 三维无人机协助的两层异构网络用户级联 266
11.3.2 下行链路覆盖和频谱效率 268
参考文献 276

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，基站的覆盖区域称为小区（cell），通常用基站位于中心的正六边形区域表示小区，这样一座城市或一个地区就可以划分为正六边形小区的格状结构。由于不同的小区间实现了频率复用，系统容量得到明显提高。可以说，移动蜂窝通信技术有效解决了移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。实际上，小区中基站的位置设置在某种程度上并不规则，不一定位于小区的中心，设置的位置一般具有良好的通信覆盖并且位于可以租用或购买的建筑物顶部或山顶等。类似地，移动用户选择基站也是根据是否具有良好的通信路径，而不是地理距离。
　　1.1.2**代移动通信技术
　　1895年，马可尼和波波夫分别*立研制出了无线电接收机，开启了无线通信的道路，但是真正意义上的现代通信则诞生于20世纪70年代末至80年代[6-11]。1980年，1G诞生于美国芝加哥，其基于蜂窝结构组网并主要采用模拟调制技术与频分多址（frequency division multiple access，FDMA）技术，因此又称为蜂窝移动通信。FDMA利用不同的频带来区分用户，数据在不同的频带内传输给用户，从而避免用户间信号的相互干扰。1G的成熟和应用使得移动手提式电话——“大哥大”一度风靡全球。1G直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2.4kbit/（s Hz），但世界各国标准不统一，使得**代移动通信并不能“全球漫游”。虽然1G数据具有带宽小、容量很小、通话质量差、安全性低等不足，但它仍是蜂窝网络在世界上的*次使用，对于后几代移动通信技术的发展起着不可替代的奠基作用。
　　图1-1为1G蜂窝网络架构框图，其中单元格表示为六边形。为了能够增加容量，可以将小区划分为较小的小区，也称为扇区。移动电话交换局（mobile telephone switching office，MTSO）连接到基站收发器（base transceiver station，BTS）和公共交换电话网（public switched telephone network，PSTN），同时控制切换、呼叫路由、注册和身份验证等。这一代网络基于电路交换，使用运营商从相关机构购买的许可频谱来提供语音服务。
　　图1-11G蜂窝网络架构框图
　　1.1.3第二代移动通信技术
　　由于1G模拟通信的通话质量和保密性差、信号不稳定，人们开始研发新的移动通信技术[12]。20世纪80年代后期，随着大规模集成电路、微处理器和数字信号的应用日趋成熟，移动运营商逐渐转向数字通信技术[13]。2G数字无线标准主要包括欧洲的全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）和高通公司推出的IS-95CDMA（code division multiple access，码分多址）[14]。GSM的技术核心是时分多址（time division multiple access，TDMA）技术，利用不同的时隙来区分用户，即在不同的时隙中传输用户的数据，以避免用户之间信号的相互干扰。此技术的实际应用是在具有频分多址（FDMA）的可用900MHz频带中叠加使用25MHz频谱，允许多个用户访问可用的无线电频带，并通过分割方法阻止消息业务干扰的发生。在可用25MHz的带宽，总共有124个载波频率，每个200kHz。这些频率中的每一个载波又进一步划分为8个时隙，这允许在相同频带内访问八个同时语音呼叫。TDMA技术允许大量用户连接到单个频段，并同时为多个用户分配时隙。除了美国使用1900MHz频段，GSM网络在全球的运行频段为900MHz和1800MHz频段。GSM的缺陷是容量有限，当用户过载时，就必须建立更多的基站，不过其优点也很突出：易于部署，且采用了全新的数字信号编码取代原来的模拟信号；支持国际漫游并提供用户识别模块（subscriberidentitymodule，又称SIM卡），方便用户在更换手机时保存个人数据；可发送160字的短信息。
　　TDMA的特点是将一个信道平均分给八个通话者，一次只能一个人讲话，每个人轮流用1/8的信道时间，容量有限；CDMA采用加密技术，所有人同时讲话也不会被其他人听到，容量大幅提升。CDMA利用不同的码字来区分用户，即用户的数据用不同的码字进行加扰，从而避免用户间信号的相互干扰。从技术上来看，CDMA系统的容量是GSM的10倍以上。从图1-2可以看出，FDMA是通过频率的不同来区别用户，TDMA是通过极其微小的时隙来区别用户，CDMA是通过编码来区别用户。
　　图1-2FDMA、TDMA和CDMA的比较
　　2G蜂窝技术是基于电路交换系统设计的，是数字化的，其应用覆盖范围可以扩展到普通语音服务之外。该技术可用于包括短消息应用和传真系统的服务，可支持约9.6kbit/s的数据传输速率，因此多媒体和网页浏览等在此技术中的应用是不可靠的。为减轻无线GSM的部分限制，业界引入2.5G网络，在已有GSM网络中添加分组数据能力以改善数据容量，技术包括通用分组无线服务和无线应用协议[15]。
　　第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）标准化中的全互联网协议（IP）网络使用了通用分组无线服务技术，该技术的使用实现了向GSM网络提供分组服务[16]。利用这种技术，可以通过聚合无线电信道和附加服务器来实现更大的数据带宽，这些服务器在已有GSM电路上卸载分组流量，并支持高达171.2kbit/s的数据传输速率。另外，无线应用协议决定了通过有限带宽无线信道在移动电话的小屏幕上传送网页和相关数据的过程[14]。GSM蜂窝网络是一种支持技术，它的全球部署有助于在蜂窝网络中部署物联网设备。表1-1给出了2G关键技术的应用场景和技术特点[15]。
　　1.1.4第三代移动通信技术
　　在互联网的蓬勃发展下，第三代蜂窝演进被提上日程。互联网背景下的各种应用产生大量连接，而不仅仅是*初关注的智能连接设备的视频会议等多媒体应用。个人无线智能设备大量增加，这些设备均需要接入互联网，3G可实现移动用户端在任何时候、任何地点轻松实现智能设备的宽带连接。
　　3G*基本的特征是智能信号处理技术[17-20]，智能信号处理单元成为基本功能模块来支持话音和多媒体数据通信，可以提供前两代技术不能提供的各种宽带信息业务，如高速数据、慢速图像与电视图像等。
　　国际移动通信-2000（IMT-2000）是3G的国际电信联盟（ITU）名称，旨在为全球连接的电信基础设施提供无线接入，利用地面和卫星系统，通过私人或公共网络运营商为连接用户提供服务[14]。其目标是确保为移动通信创建一个全球统一的系统，该系统可以在更低成本下促进不同网络提供商之间的全球互操作性。在此基础上，国际电信联盟提出了以下对数据传输速率的要求：
　　（1）大范围区域中移动用户传输速率达到144kb