《电子技术应用》
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基于广义Matern硬核点过程的两层异构蜂窝网络的性能分析
电子技术应用
林申耀,邹都
武汉科技大学 理学院
摘要: 广义Matern硬核点过程(Generalized Matern Hard-Core Point Process, GMHCPP)是在硬核点过程的基础上通过引入竞争函数和删减函数来限制保留概率的一种排斥点过程。针对两层异构蜂窝网络模型中宏基站与微基站的性能进行了深入研究,获得了该模型的覆盖概率和平均可达速率的近似表达式。首先,基于宏基站的性能差异及其排斥性生成保留概率函数,进而,将宏基站的部署以GMHCPP建模。然后,采用蒙特卡罗模拟方法对基站分布进行仿真,并绘制出了平均干扰信号比与路径损耗因子的关系图,根据该函数图,拟合得到了用泊松点过程近似时GMHCPP的增益因子表达式。最后,将增益因子代入覆盖概率和平均可达速率公式,对两层异构蜂窝网络模型的性能指标进行了仿真与分析。
中图分类号:TN929.5 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246025
中文引用格式: 林申耀,邹都. 基于广义Matern硬核点过程的两层异构蜂窝网络的性能分析[J]. 电子技术应用,2025,51(6):54-58.
英文引用格式: Lin Shenyao,Zou Du. Performance analysis of two-layer heterogeneous cellular networks based on generalized Matern hard-core point processes[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(6):54-58.
Performance analysis of two-layer heterogeneous cellular networks based on generalized Matern hard-core point processes
Lin Shenyao,Zou Du
School of Science, Wuhan University of Science and Technology
Abstract: The Generalized Matern Hard-Core Point Process (GMHCPP) is a repulsive point process that extends the hard core point process by introducing competition and thinning functions to constrain the retention probability. In this paper, we conduct an in-depth analysis of the performance of macro base stations and micro base stations within a two-layer heterogeneous cellular network model. We derive approximate expressions for the coverage probability and mean achievable throughput of this model. First, based on the performance differences and repulsive characteristics of the macro base stations, a retention probability function is derived. Subsequently, the deployment of macro base stations is modeled using GMHCPP. Then, Monte Carlo simulations are employed to simulate the base station distribution, and the relationship between the average interference-to-signal ratio and the path loss factor is plotted. From this function, the gain factor expression of GMHCPP is derived by fitting with the Poisson point process(PPP) approximation. Finally, the gain factor is incorporated into the coverage probability and mean achievable throughput formulas to simulate and analyze the performance metrics of the two-layer heterogeneous cellular network model.
Key words : heterogeneous cellular network;generalized Matern hard-core point process;coverage probability;mean achievable throughput;stochastic geometry

引言

泊松点过程(Poisson Point Process, PPP)作为随机几何理论的重要工具,广泛应用于异构蜂窝网络的性能分析和建模。近年来,PPP在异构蜂窝网络中的应用取得了显著成果。Ghosh等[1]使用空间点过程对密集蜂窝网络进行建模,提出了使用随机几何理论在覆盖概率平均可达速率方面研究网络性能的技术。Mankar等[2]基于泊松点过程提出了单层网络模型的精确下行链路分析和双层网络模型的准确近似值。Mugala等[3]使用泊松点过程对无人机异构网络建模,研究了不同网络参数的覆盖概率和平均可达速率。

尽管泊松点过程为异构蜂窝网络的随机几何建模提供了便利,但它仍然存在较大局限性。首先,利用PPP建模时,假设基站的位置是完全独立的,与实际网络中基站通常存在某种结构或排斥行为不符;其次,在高密度异构网络中,由于泊松点过程忽略了实际部署中的空间相关性,容易低估基站之间的干扰。为了解决这些问题,学者们开始探索非泊松点过程在异构蜂窝网络中的应用。周童等[4]采用渐进增益分析法推导出两层非泊松网络的覆盖概率、平均可达速率和网络总能效,提出通过优化微基站发射功率使网络能效最大化。Saha等[5]将PPP和泊松簇过程结合,构建了一个通用的HetNet模型,该模型可以捕获热点的形成和用户与基站之间的空间耦合。

Zhu等[6]分析了无人机在Matern 硬核点过程分布下的3D空地网络中的覆盖概率和平均可达速率,获得了任意地面设备在网络中累积干扰的拉普拉斯变换近似表达式。陈永红等[7]基于Matern硬核点过程对宏基站的部署进行建模,采用一种简单的近似方法分析了两层蜂窝网络的信噪比分布,推导了异构蜂窝网络的覆盖概率、平均可达速率和能量效率。Yang等[8]模拟了硬核点过程建模下单层蜂窝网络的干扰与信号比,拟合出了路径损耗因子与平均干扰与信号比之间的关系式。Dirrler等[9]提出了广义Matern硬核点过程(Generalized Matern Hard-Core Point Process, GMHCPP),该方法通过引入竞争函数和删减函数来对删减规则进行限制。

本文分析了采用广义Matern硬核点过程建模的两层异构蜂窝网络的近似覆盖概率与平均可达速率。首先介绍了广义Matern硬核点过程在两层异构蜂窝网络中对宏基站建模与部署;然后通过蒙特卡罗方法模拟基站部署,并基于平均干扰信噪比增益法,采用泊松分布的平移来表示GMHCPP的信干比分布,拟合得到了GMHCPP的增益因子;接着将增益因子代入到覆盖概率与平均可达速率公式中进行仿真;最后对GMHCPP-PPP网络模型与传统模型的覆盖概率与平均可达速率进行了对比分析。


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作者信息:

林申耀,邹都

(武汉科技大学 理学院,湖北 武汉 430065)


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