新一代通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾協(xié)調(diào)與時(shí)延限制.pdf

1、隨著基于IP（Internet Protocol）的下一代無(wú)線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量及基站之間連接的骨干網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)調(diào)度和路由面臨新的挑戰(zhàn)。隨著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的嚴(yán)密關(guān)注，在4G（4th generation）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)無(wú)線物理層進(jìn)行了一系列的資源整合以提高資源利用率，如OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)，基站協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)(CoMP，coordinated m

2、ulti-point)，CA（carrieraggregation）等。通過資源整合可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量，增強(qiáng)小區(qū)邊緣覆蓋，但與此同時(shí)也給干擾管理帶來(lái)了一系列新的重要挑戰(zhàn)。因此，下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里干擾協(xié)調(diào)技術(shù)呈現(xiàn)出新的內(nèi)容，如基站多點(diǎn)協(xié)作中的基站協(xié)作簇形成及用戶調(diào)度，基于OFDMA的基站發(fā)送功率分配等。另一方面，急劇增加的移動(dòng)IP業(yè)務(wù)，尤其是5G（5th generation）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層提出采用 mmwave，massive-MIM

3、O（massive multiple-input multiple-output），超密集小區(qū)等方案進(jìn)一步支持比4G高1000倍以上的無(wú)線數(shù)據(jù)速率后，從提升資源利用率和系統(tǒng)能效的角度出發(fā)，如何在各種“大規(guī)?！辟Y源消耗之間進(jìn)行折衷、并在基站之間實(shí)現(xiàn)具有時(shí)延受限功能的業(yè)務(wù)調(diào)度，路由及無(wú)線發(fā)送是下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題，本文結(jié)合下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站多點(diǎn)協(xié)作等資源整合技術(shù)，首先研究其干擾情況并提出切實(shí)可行的干擾協(xié)調(diào)方案。

4、接著，根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層的實(shí)際傳輸能力，從系統(tǒng)能效的角度進(jìn)一步提出了IP業(yè)務(wù)包在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)調(diào)度及路由算法，所提算法具有能夠綁定數(shù)據(jù)流最大傳輸時(shí)延（worst-case delay）的特點(diǎn)。
　　從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾管理的角度，我們提出了一套分布式基站多點(diǎn)協(xié)作簇的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)形成機(jī)制，對(duì)無(wú)線通信環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。同時(shí)，分布式的決策機(jī)制簡(jiǎn)單且具有可擴(kuò)展性。得到基站簇和用戶調(diào)度結(jié)果后，我們?cè)谛^(qū)內(nèi)所有正交頻帶上執(zhí)行經(jīng)典的

5、WF（water-filling）功率分配算法得到基站在各頻帶上的功率分配策略空間。接著，我們采用納什非合作功率博弈方法對(duì)基站協(xié)作簇中的功率分配進(jìn)行建模。通過納什博弈理論，我們證明了所提博弈模型具有唯一納什均衡點(diǎn)（NE，Nash Equilibrium），并給出了尋找唯一NE點(diǎn)的搜索算法。性能仿真表明，所提出的基站協(xié)作方案能大大提高系統(tǒng)容量，且其分布式的設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又具有可擴(kuò)展性，因此具有很強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。
　　盡管啟發(fā)式算法具有

6、很高的工程價(jià)值，但從理論研究角度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化的傳輸調(diào)度及功率分配聯(lián)合最優(yōu)解對(duì)評(píng)估啟發(fā)式算法性能具有重要意義。然而該優(yōu)化問題是一個(gè)混合型優(yōu)化問題，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中幾乎都是采用用戶調(diào)度-功率分配的兩步式啟發(fā)式求解。本文先提出了一種新穎的PFM機(jī)制(power-fractionizing mechanism)將離散變量的傳輸調(diào)度與連續(xù)變量的功率分配優(yōu)化問題統(tǒng)一到SP（signomial programming）優(yōu)化模型中。基于幾何規(guī)劃優(yōu)化

7、方法（GP，geometric programming）給出了這類聯(lián)合優(yōu)化問題的局部最優(yōu)解，并且從GP算法的經(jīng)驗(yàn)上，該局部最優(yōu)解往往就是全局最優(yōu)解。性能仿真結(jié)果也驗(yàn)證了最優(yōu)化算法比啟發(fā)式算法具有性能上的優(yōu)越性與性能表現(xiàn)的穩(wěn)定性。
　　在物理層資源整合的基礎(chǔ)上，如何在下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、尤其是5G中各種“大規(guī)模”資源消耗之間，以及有線路由與無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)延之間進(jìn)行高能效的折衷是新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)?？紤]到下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，尤其是

8、5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)急劇增加的IP業(yè)務(wù)量，我們?cè)诨鹃g采用大容量WDM（wavelength division multiplexing）有線光交換，通過在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)配置多個(gè)可調(diào)諧激光發(fā)射器（tunable lasers）實(shí)現(xiàn)基站同時(shí)發(fā)送多組IP業(yè)務(wù)包至不同小區(qū)。根據(jù)下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)“大規(guī)模，多參數(shù)化”的特點(diǎn)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效，本文提出了“無(wú)線—有線—無(wú)線”一體化的系統(tǒng)能效聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)。定義網(wǎng)絡(luò)最大允許時(shí)延為受限時(shí)延，則我們通過受限時(shí)延在有線和無(wú)線之間的

9、分配以及有線與無(wú)線資源消耗之間的折衷兩個(gè)方面提出了具有時(shí)延限制功能的高能效業(yè)務(wù)調(diào)度，路由及無(wú)線發(fā)送一體化算法。所提算法能根據(jù)系統(tǒng)時(shí)延界限，在聯(lián)合優(yōu)化無(wú)線及有線參數(shù)的同時(shí)提升一體化網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)能效。通過仿真，我們驗(yàn)證了所提算法的有效性。
　　我們基于納什非合作博弈論，幾何規(guī)劃，凸優(yōu)化等方法，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)及場(chǎng)景提供了有效的解決方案。同時(shí)，所提算法均符合下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)框架，也同樣適用于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾管理和時(shí)延受限下的高能效傳輸