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- 文献综述（或调研报告）：
- 小蜂窝网络简介
小蜂窝(Small Cell)泛指宏蜂窝(Macrocell)以外的基站，其功率更低，覆盖范围更小，所服务的用户设备也更少。
简单的物理学可以证明，减小无线电发射器和接收器之间的距离可以有效地降低所需的传输功率，同时克服路径损耗、衰落以及噪声[1]。
小蜂窝包括飞蜂窝(Femotcell)、微微蜂窝(Picocell)和微蜂窝(Microcell)，飞蜂窝主要用于家庭和企业环境中，微微蜂窝应用于室内公共场所如机场、火车站、购物中心等，微蜂窝用于室外补盲补热如无法部署宏基站的市区、农村或市区热点地区等，具体如表1所示。小蜂窝系统中的小基站主要有下几点优势：1）可随机部署；2）成本比较低；3）功耗比较低；4）可有效地解决通信网络的深度覆盖和数据分流问题；5）可通过将活跃用户比较少的小基站和宏基站休眠来降低系统能耗，从而提高系统能效等等[2]。
表1 小蜂窝分类[2][3][4]
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类型 |
发射功率 |
覆盖半径 |
|
飞蜂窝 |
10-100mW |
10-20m |
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微微蜂窝 |
lt;1W |
lt;200m |
|
微蜂窝 |
lt;5W |
lt;2km |
小蜂窝网络(Small Cell Network, SCN)指由一组覆盖范围、发射功率不同的基站（宏蜂窝和小蜂窝）组成的无线蜂窝网络[07781059]，可以视为宏蜂窝网络(Macrocell Network, MCN)的拓展。如图1所示，在SCN中，一般有一个宏蜂窝基站(Macrocell Base Station, MBS)和多个小蜂窝基站(Small Cell Base Station, SBS)，SBS的范围覆盖在MBS的范围上，从而SBS可以减轻MBS的流量负担，提高局部覆盖率，实现更高的频谱效率。由于SCN中的传输距离比传统的MCN短，所以路径损耗较小，因此接收信号的信噪比(SNR)通常较高，即使使用较小的传输功率，也有可能提供质量更好的通信服务。此外，SCN在部署和成本方面具有更大的灵活性，因此更适用于体育馆、场馆、酒店等多种场景[5][6]。
图1 SCN系统模型[7]
- 小蜂窝网络功率控制研究现状
功率控制的基本目的是在保持传输质量的同时尽可能降低系统中的干扰电平，增加系统容量，减小基站与移动终端的发射功率，增加移动终端的电池使用时间，减少电磁辐射对人及环境的污染，克服多址干扰，提高系统容量，消除远近效应，补偿信号快衰落现象。
按控制方式，功率控制算法可分为集中式和分布式两种。其中，分布式算法由于不需要掌握全局信息，故更为适应蜂窝网络的发展应用，也成为主要研宄方向；而集中式控制则由于需要实时和全面信息，在用户数较多的情况下计算量很大，因此适应性较差。按控制的对象，功率控制主要包括上行链路（反向功率控制）和下行链路（前向功率控制）两种情况。其中，上行链路功率控制是指对用户设备的发射功率进行控制，而下行链路功率控制是对基站的发射功率进行控制。
功率控制准则（策略）可分为基于功率平衡、基于信干比(Signal to Interference Ratio, SIR)平衡或信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)平衡、基于误比特率(Bit Error Rate, BER)或误帧率(Frame Error Rate, FER)平衡等。如果设定的功率控制目标是令接收端接收到的有用信号功率相等，则属于功率平衡准则；如果设定的目标是令接收端接收到的SINR相等，则属于SINR平衡准则；而如果设定的目标是使接收端接收到的BER相等，则属于BER平衡准则。功率平衡准则和SINR平衡准则均得到较多研宄并获得实际应用，功率平衡准则易于实现，而基于SINR平衡准则对于提升系统性能具有更多潜力。[8]
SCN中SBS的庞大数量，使得传统的集中式功率控制算法并不可行，同时也对算法的复杂度提出了要求。其次，在SCN中，不仅存在宏蜂窝和小蜂窝之间的公平问题，而且也存在着小蜂窝之间的公平问题。博弈论是解决小蜂窝网络功率控制问题的一种有效方法，因为它允许参与者从环境中学习，并通过最小的信息交换做出个体决策，达到均衡。[7][9]
文献[6]在广义纳什均衡问题（Generalized Nash Equilibrium Problem, GNEP）框架，从博弈论和网络效用最大化（Network Utility Maximization, NUM）两个角度讨论了小蜂窝下行链路传输策略的优化问题。
文献[7]将自组织小蜂窝网络中的功率控制问题看作一个非合作博弈，并提出了一种分布式高能效功率控制方案，这一方案允许SBS进行独立决策，达到以最小的信息交换实现纳什均衡（NE）的目的。在这个非合作博弈中，作者为每个SBS构造一个带约束非凸优化问题，使其能效（EE）达到最高。然后利用无参数分式规划的性质以及透视函数的概念，将每个带约束非凸优化问题转化为等价的带约束凸优化问题。再利用混合罚函数法，引入对数势垒函数和二次罚函数分别消除不等式约束和等式约束，将带约束凸优化问题转化为无约束凸优化问题。
文献[9]提出了一种分布式高能效功率控制算法，允许两层网络（宏蜂窝层与小蜂窝层）中的每个用户独立做出决策来优化自己的能效(EE)。该算法将EE优化问题分解为两个步骤。首先，将使用同一资源的用户分到同一个组中，各组分别优化自己的EE。然后，为每组建立多个基于进化博弈论(EGT)的功率控制博弈，组内的每个用户分别优化自己的EE。该算法对于子载波数和蜂窝数具有线性复杂度。
文献[10]提出了一种新的讨价还价合作博弈（BCG）框架，用于密集小蜂窝网络中的节能和干扰感知功率协调。在BCG框架中，作者采用了一种新的可调效用函数来同时解决频谱效率和能量效率问题。然后使用BCG框架推导出封闭形式的功率协调解，并进一步提出了一种联合干扰感知功率协调方案（Joint）。此外，作者还提出了一种简化算法（Simplified）来减少信令开销。
文献[11]建立了一个平均场博弈，来实现鲁棒功率控制。作者将功率控制问题看作是一个博弈，其中每个参与者的状态包含一个扰动项和一个布朗运动，由此推导出Fokker-Planck-Kolmogorov方程和Hamilton-Jacobi-Bellman方程，并在此基础上提出了一种鲁棒的干扰感知功率控制算法。
文献[12]提出了一种基于重复博弈的多基站下行链路干扰框架，通过分析博弈的具体结构，证明可以通过选择帕累托最优解，来提高系统的性能，同时降低稳定性的代价。
文献[13]提出了一种基于博弈论的分布式功率控制方法，建立了一个进化博弈，将小蜂窝分组，再为每组建立了一个非合作博弈，优化组内小蜂窝的功率。
文献[14]提出了一种分布式多域小蜂窝干扰管理方案，建立了一个重叠式联盟博弈并提出了一种分布式联合干扰管理算法，允许小蜂窝基站自组织并交互成一个稳定的重叠式联盟结构，然后从多个领域逐渐减少干扰，从而达到最优。
参考文献：
[1] Hoydis J , Kobayashi M , Debbah M . Green Small-Cell Networks[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2011, 6(1):37-43.
[2] 鲁宁宁. 5G小蜂窝系统功率控制方法研究[D]. 2016.
[3] P. Sambanthan , T. Muthu . Role of Femtocell Networks beyond 4G[C]. 2018 IEEE International Conference on System, Computation, Automation and Networking (ICSCA), Pondicherry, 2018, pp. 1-5.
[4] Fehske A J , Viering I , Voigt J , et al. Small-Cell Self-Organizing Wireless Networks[J]. Proceedings of the IEEE, 2014, 102(3):334-350.
[5] W. Liao, M. G. Kibria, G. P. Villardi, O. Zhao, K. Ishizu and F. Kojima . Coordinated Multi-Point Downlink Transmission for Dense Small Cell Networks[J]. in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 1, pp. 431-441, Jan. 2019.
[6] Wang J , Guan W , Huang Y , et al. Distributed Optimization of Hierarchical Small Cell Networks: A GNEP Framework[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(2):249-264.
[7] Jiang Y , Lu N , Chen Y , et al. Energy Efficient Non-Cooperative Power Control in Small Cell Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017:1-1.
[8] 王增. 基于博弈论的蜂窝网络功率控制与多维效率优化研究[D]. 2018
[9] Lu N , Jiang Y , Zheng F , et al. Energy Efficient Power Control for the Two-tier Networks with Small Cells and Massive MIMO[J]. 2017.
[10] Yang C , Li J , Anpalagan A , et al. Joint Power Coordination for Spectral-and-Energy Efficiency in Heterogeneous Small Cell Networks: A Bargaining Game-Theoretic Perspective[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015:1-1.
[11] Yang C , Dai H , Li J , et al. Distributed Interference-Aware Power Control in Ultra-Dense Small Cell Networks: A Robust Mean Field Game[J]. IEEE Access, 2018, PP(99):1-1.
[12] Treust M L , Tembine H , Lasaulce S , et al. Coverage games in small cells networks[C]// Future Network amp; Mobile Summit. IEEE, 2011.
[13] Lin S , Ni W , Tian H , et al. Game Theoretic Approach for Smallcell Resource Management.[C]// IEEE Globecom Workshops. IEEE, 2015.
[14] Jia X , Chungang Y , Alagan A , et al. Joint Interference Management in Ultra-Dense Small Cell Networks: A Multi-Domain Coordination Perspective[J]. IEEE Transactions on Communications, 2018:1-1.
资料编号：[181085]
- 文献综述（或调研报告）：
- 小蜂窝网络简介
小蜂窝(Small Cell)泛指宏蜂窝(Macrocell)以外的基站，其功率更低，覆盖范围更小，所服务的用户设备也更少。
简单的物理学可以证明，减小无线电发射器和接收器之间的距离可以有效地降低所需的传输功率，同时克服路径损耗、衰落以及噪声[1]。
小蜂窝包括飞蜂窝(Femotcell)、微微蜂窝(Picocell)和微蜂窝(Microcell)，飞蜂窝主要用于家庭和企业环境中，微微蜂窝应用于室内公共场所如机场、火车站、购物中心等，微蜂窝用于室外补盲补热如无法部署宏基站的市区、农村或市区热点地区等，具体如表1所示。小蜂窝系统中的小基站主要有下几点优势：1）可随机部署；2）成本比较低；3）功耗比较低；4）可有效地解决通信网络的深度覆盖和数据分流问题；5）可通过将活跃用户比较少的小基站和宏基站休眠来降低系统能耗，从而提高系统能效等等[2]。
表1 小蜂窝分类[2][3][4]
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