下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的無線資源管理與調(diào)度策略研究.pdf

1、無線移動通信網(wǎng)絡(luò)作為電子工程領(lǐng)域最令人矚目的成就之一，至今已成功為地球上超過四分之三的人口提供了全面的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可靠的移動信息交互方式。伴隨著無線移動通信系統(tǒng)用戶數(shù)量的不斷增長和用戶對系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量要求的不斷提升，通信系統(tǒng)對無線資源的需求量也在不斷增加，而目前系統(tǒng)所能利用的無線資源卻日益匱乏，資源需求與供給之間的矛盾導(dǎo)致無線移動通信技術(shù)陷入了發(fā)展瓶頸.為了跨越這一瓶頸，進(jìn)一步提升移動通信系統(tǒng)的整體性能，亟需研發(fā)高效的無線資源管理模式和

2、管理方案以提升現(xiàn)有通信系統(tǒng)的資源利用率，亟待提出靈活的資源調(diào)度策略，拓展可利用的資源空間.
　　本論文在三種典型的移動通信場景下，主要研究了無線移動通信網(wǎng)絡(luò)中的資源管理機(jī)制和調(diào)度策略，旨在為下一代移動通信B4G甚至5G系統(tǒng)的研制和開發(fā)提供理論研究指導(dǎo)，為分析和提升移動通信系統(tǒng)性能提供技術(shù)方案支撐，為具體的移動通信網(wǎng)絡(luò)中無線資源管理和用戶調(diào)度算法設(shè)計提供性能評估依據(jù).具體而言，本論文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:
　　合作多小區(qū)

3、OFDMA網(wǎng)絡(luò)中的無線資源管理方案研究.針對小區(qū)間合作的多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡(luò)，本論文研究了在回程網(wǎng)絡(luò)(Backhaul Network)容量受限的情況下，多小區(qū)無線資源管理和小區(qū)間協(xié)作鏈路選擇方案設(shè)計。首先利用匈牙利算法提出了基于小區(qū)內(nèi)用戶公平性的無線資源管理機(jī)制，最大限度的提高了多小區(qū)系統(tǒng)的平均吞吐量。繼而，在小區(qū)間Backhaul網(wǎng)絡(luò)容量限制條件下，提出了基于代價分析的小區(qū)間合作鏈路選擇算法，在消除干擾提升用戶速率的同時，有效降低了

4、Backhaul網(wǎng)絡(luò)的容量需求。仿真結(jié)果表明，本論文所提方案在用戶公平性、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量以及對回程網(wǎng)絡(luò)的通信壓力緩解等方面具有明顯性能優(yōu)勢.基于合作多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中信道狀態(tài)信息和用戶數(shù)據(jù)信息的共享機(jī)制，本文所提方案以最小化的網(wǎng)絡(luò)冗余開銷，獲得了最大化的小區(qū)間合作性能增益.
　　協(xié)作多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡(luò)中的功率控制與用戶調(diào)度策略研究，針對小區(qū)間協(xié)作的多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡(luò)，本論文在不同的信道狀態(tài)信息共享程度情況下，研究了以小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)為

5、目標(biāo)的功率控制和用戶調(diào)度策略，本文透過協(xié)作多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡(luò)模型，規(guī)劃出以小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)為目標(biāo)的多維變量網(wǎng)絡(luò)容量最大化問題，并分別提出了在網(wǎng)絡(luò)全局信道狀態(tài)信息條件下的中心式聯(lián)合解決方案和在網(wǎng)絡(luò)局部信道狀態(tài)信息條件下的分布式動態(tài)解決方案。首先，通過建立映射關(guān)系將三維變量最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二維變量最優(yōu)化問題，基于網(wǎng)絡(luò)全局信道狀態(tài)信息，將原組合優(yōu)化問題分解為一個連續(xù)功率控制最優(yōu)化問題和一個離散最優(yōu)用戶調(diào)度問題，利用凸優(yōu)化理論設(shè)計雙重迭代算法，

6、對上述最優(yōu)化問題進(jìn)行任意精度的近似最優(yōu)求解，最終得到允許精度下的最優(yōu)功率控制和用戶調(diào)度策略.其次，基于單小區(qū)內(nèi)部的局部信道狀態(tài)信息，利用動態(tài)規(guī)劃的方法，將原三維優(yōu)化問題重新規(guī)劃為一個離散時間動態(tài)系統(tǒng)的多階段決策問題，運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)性原理設(shè)計分布式解決方案，逐步求解該動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，最終得到分布式最優(yōu)動態(tài)功率控制和用戶調(diào)度策略。本論文以數(shù)值仿真結(jié)果為依據(jù)，對所提出的兩種方案在相關(guān)信道條件下和獨(dú)立信道條件下分別進(jìn)行了多方面的性能

7、分析和評估，研究結(jié)果證明了本論文所提出兩種方案的優(yōu)越性和穩(wěn)定性.
　　載波聚合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)小區(qū)關(guān)聯(lián)與用戶調(diào)度機(jī)制研究。本論文通過構(gòu)建載波聚合的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)遍歷容量最大化問題，研究了基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層間負(fù)載均衡的動態(tài)小區(qū)關(guān)聯(lián)和用戶調(diào)度機(jī)制.針對單數(shù)據(jù)流和多數(shù)據(jù)流兩種不同的載波聚合方式，分別提出了基于隨機(jī)控制的小區(qū)與用戶關(guān)聯(lián)機(jī)制和基于聯(lián)合優(yōu)化的小區(qū)與用戶關(guān)聯(lián)機(jī)制.首先，利用隨機(jī)控制和動態(tài)規(guī)劃理論，對遍歷容量最大化問題進(jìn)行狀態(tài)離散化的動

8、態(tài)問題規(guī)劃.進(jìn)而將原來的多階段最優(yōu)決策問題，轉(zhuǎn)化成了多個單階段最優(yōu)決策問題，逐步求解最優(yōu)控制過程，最終得到基于單數(shù)據(jù)流的動態(tài)小區(qū)關(guān)聯(lián)和用戶調(diào)度機(jī)制，其次，通過對原遍歷容量最大化問題進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)的改進(jìn)和約束限制條件的放松，將嚴(yán)格遍歷容量最大化的組合優(yōu)化問題放松成一個基于多數(shù)據(jù)流載波聚合方式的凸優(yōu)化問題.利用對偶分解理論求得基于多數(shù)據(jù)流的最優(yōu)小區(qū)關(guān)聯(lián)和用戶調(diào)度機(jī)制。在不同載波聚合部署狀態(tài)下的數(shù)值仿真結(jié)果驗證和算法性能分析均表明，本論文所