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下一代移動(dòng)通信體系之跨層資源配置分析
第一章緒論
從信息論的角度講，通信是指信息的傳遞和交換。如打電話(huà)，它是利用電話(huà)線(xiàn)路來(lái)傳遞和交換消息：人和人之問(wèn)的談話(huà)，是利用聲音來(lái)傳遞和交換消息;古時(shí)候用的 “消息樹(shù)”、“烽火臺”和現代仍使用的“信號燈”等則是利用光的方式傳遞消息。通信的目的是傳遞信息，信息具有不同的形式，例如：語(yǔ)言、文字、數據、圖像、符號等等。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，信息的種類(lèi)越來(lái)越多，人們對傳遞信息的要求和手段也越來(lái)越高。在通信的實(shí)現過(guò)程中，信息的傳遞是通過(guò)信號來(lái)進(jìn)行的，如：紅綠燈信號、狼煙、電壓、電流信號等，信號是信息傳遞的載體。通信技術(shù)的發(fā)展歷史，伴隨著(zhù)信息傳遞載體的不斷變革，自從馬可尼第一次向世人展示了無(wú)線(xiàn)電波通信的神奇，移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)始了不斷創(chuàng )新的發(fā)展歷程。一直到70年代貝爾實(shí)驗室首次提出了先進(jìn)移動(dòng)電話(huà)系統(AMPS),建成了蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，大大提高了系統容量，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展走進(jìn)了日新月異的時(shí)代[1]。移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展有兩個(gè)原因：一是蜂窩網(wǎng)概念的提出，真正解決了公用移動(dòng)通信系統要求容量大與無(wú)線(xiàn)頻譜資源有限之間的矛質(zhì)，使得移動(dòng)通信系統真正意義上實(shí)用化、公眾化;二是大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器技術(shù)的日趨成熟，為大型通信網(wǎng)的控制和管理提供了技術(shù)手段，也為移動(dòng)通信系統從模擬蜂窩網(wǎng)發(fā)展到數字蜂窩網(wǎng)提供了技術(shù)基礎。本章接下來(lái)的內容主要從下一代移動(dòng)通信系統的無(wú)線(xiàn)資源管理要求出發(fā)，引出了下一代移動(dòng)通信系統中跨層資源分配的概念;介紹了本論文的主要內容及貢獻;并對全文的組織結構進(jìn)行了概述。
1.1課題研究背景
移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和移動(dòng)通信用戶(hù)需求的不斷發(fā)展，使得越來(lái)越多的移動(dòng)系統解決方案不斷涌現。同時(shí)人們對移動(dòng)通信服務(wù)的不斷依賴(lài)，也加劇了各個(gè)移動(dòng)運營(yíng)商，設備商之間的競爭。為了滿(mǎn)足不斷渴望得到新型業(yè)務(wù)的用戶(hù)需求，3GPP在2004年年底啟動(dòng)了長(cháng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標準化工作，從網(wǎng)絡(luò )構架、系統性能要求、業(yè)務(wù)支持能力.網(wǎng)絡(luò )的部署場(chǎng)景、與現有各個(gè)系統的演進(jìn)和互通關(guān)系等方面對LTE技術(shù)做了詳細的描述[2]。與之前移動(dòng)通信系統相比，LTE具有如下技術(shù)特點(diǎn)：支持最大帶寬為20MHz，采用了 OFDM技術(shù)，全面提高傳輸速率和頻譜利用率;系統的整體架構基于分組交換實(shí)現，同時(shí)通過(guò)系統設計和嚴格的QoS機制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量系統支持多種帶寬，除了 20MHz的最大帶寬外，還能夠支持1.5MHz、3MHz. 5MHz. lOMHz和15MHz等系統帶寬，以及“成對”與“非成對”的頻譜部署，保證網(wǎng)絡(luò )部署時(shí)的靈活性[5]。
LTE相關(guān)技術(shù)標準化接近于完成之時(shí)，3GPP開(kāi)始了 LTE-Advanced項目，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：扁平化的網(wǎng)絡(luò )體系設計，針對室內和熱點(diǎn)游牧場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，有效支持新頻段和大帶寬應用，大幅提升峰值速率，改進(jìn)頻譜效率，支持網(wǎng)絡(luò )的自?xún)?yōu)化和自配置，有效降低網(wǎng)絡(luò )的成本和功耗_]。從3G到LTE涌現出了大量的新技術(shù)，蜂窩小區的鏈路容量己經(jīng)逼近丫香農限，從雄純的鏈路預算的角度來(lái)看，LTE-Advanced目標中所要求的高速數據速率需要很高的信道SINR，而這個(gè)SINR在傳統的廣域蜂窩網(wǎng)絡(luò )中是+可能達到的，因此LTE-Advanced主要強調了從LTE的平滑演進(jìn)，不再進(jìn)行大規模的技術(shù)革新，而是在LTE已有技術(shù)的基礎上，對無(wú)線(xiàn)資源進(jìn)行更加高效、動(dòng)態(tài)的管理和網(wǎng)絡(luò )層的優(yōu)化。LTE-Advanced中的主要技術(shù)包括多頻段協(xié)同與頻譜整合、中繼技術(shù)、分布式天線(xiàn)和小區間協(xié)作技術(shù)[8]，本論文主要討論基于小區間協(xié)作技術(shù)的跨層資源分配問(wèn)題。
LTE系統支持相鄰eNode B之間的Mesh連接，但用于連接的X2接口的能2力比較弱，它的傳輸延遲大于20ms,因此很難實(shí)現真正意義上的基站間協(xié)調[6]。LTE- Advanced中使用光纖對X2接口進(jìn)行升級后，就可以利用這個(gè)增強的高速X2接口進(jìn)行快速的基站間的合作與協(xié)調，從而獲得協(xié)同發(fā)送/接收增益[9]。如見(jiàn)采用RoF光纖，X2接口甚至可以從一個(gè)單純的控制面接口擴展為一個(gè)用戶(hù)面/控制面綜合接口，實(shí)現和分布式天線(xiàn)系統相似的數據聯(lián)合發(fā)送和接收，LTE-Advanced下的基站間協(xié)同如圖1-1所示。
1.2下一代移動(dòng)通信系統中的無(wú)線(xiàn)資源分配
無(wú)線(xiàn)通信系統都是資源相對受限的系統，例如頻率，功率，吋隙等，面對多樣化、復雜化的用戶(hù)需求，高速多變的業(yè)務(wù)類(lèi)型，以及整個(gè)系統對能耗的嚴格約束，移動(dòng)通信系統發(fā)展過(guò)程中急需解決的問(wèn)題是如何更充分合理地使用有限的無(wú)線(xiàn)資源，保證用戶(hù)的數據速率、網(wǎng)絡(luò )高負載時(shí)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量以及系統的低能耗。下一代基于 OFDMA的移動(dòng)通信系統中無(wú)線(xiàn)資源分配的概念十分廣泛，它既可以是系統時(shí)頻資源的調度，也可以是調制編碼方式的選擇，還可以是用戶(hù)業(yè)務(wù)速率的選擇或者小區中每個(gè)子頻帶上發(fā)射功率的分配。無(wú)線(xiàn)資源分配的核心就是在有限資源的條件下，為用戶(hù)提供更好、多樣化的服務(wù)質(zhì)量，特別是在無(wú)線(xiàn)信道質(zhì)量較差、小區間干擾變化劇烈的情況下，采用合理的無(wú)線(xiàn)資源分配策略，快速、動(dòng)態(tài)、穩定的調整無(wú)線(xiàn)傳輸參數和分配網(wǎng)絡(luò )中的可用資源，最大限度地提高用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)減小使用復雜管理方式帶來(lái)的負面效果，如信令負荷、功率消耗和通信負載等[3]。
第二章跨層勢博弈理論及模型
孔子對他的弟子講：工欲善其事，必先利其器，意思是說(shuō)工匠想要把自己的工作做好，一定要先使工具鋒利，喻指要做好一件事，準備工作非常重要。同樣，對于下一代移動(dòng)通信中的跨層資源分配，有針對性的理論框架設計，能夠使得跨層資源分配模型的設計工作事半功倍。第一章中提到過(guò)，為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )設計自?xún)?yōu)化的要求，下一代移動(dòng)通信中的跨層資源分配，一方面需要降低跨層設計帶來(lái)的額外計算和時(shí)間損耗，構建低復雜度的算法模型;另一方面跨層優(yōu)化器需要能夠動(dòng)態(tài)調整多個(gè)網(wǎng)絡(luò )層的參數，這就需要優(yōu)化算法能夠快速的收斂到最優(yōu)解。根據這兩個(gè)要求，本論文設計了跨層勢博弈理論模型，將一個(gè)跨層資源分配問(wèn)題映射為一個(gè)勢博棄過(guò)程，即可以保證算法尋優(yōu)過(guò)程的快速收斂，還實(shí)現了分布式的問(wèn)題求解，提高了算法的可擴展性。一般地，如果一個(gè)策略博棄服從一個(gè)勢函數，我們就說(shuō)它是一個(gè)勢博棄。勢函數可以理解為是參與者之間差異的衡量，或者說(shuō)等價(jià)于向納什均衡的偏移。勢博弈有一些很好的屬性，在某些條件下，所有的勢博奔都存在純策略的納什均衡;在一些不是很茍刻的條件下，參與者的學(xué)習過(guò)程都收斂于一個(gè)納什均衡。換句話(huà)說(shuō)，從任意一個(gè)狀態(tài)出發(fā)，按照一定準則，經(jīng)過(guò)有限步驟，參與者最終都能夠到達一個(gè)均衡狀態(tài)⑴[2][3]。
本章主要研究了跨層勢博弈的理論模型，介紹了博弈論中的發(fā)展歷史以及一些基本概念，引出了勢博弈理論，給出了勢博棄的定義和分類(lèi)，并分析了幾類(lèi)勢博弈之間的關(guān)系;針對實(shí)際中應用最廣泛的完全勢博弈進(jìn)行了分類(lèi)，并對每種類(lèi)型的勢博弈都給出了相應的構建勢函數的方法;分析了勢博弈迭代過(guò)程的收斂性，介紹了納什均衡的存在性和唯一性需要滿(mǎn)足的條件，證明了勢博弈的有限遞增屬性，并利用收斂的準則和時(shí)序保證了迭代過(guò)程的快速收斂;證明了勢博弈均衡狀態(tài)的穩定性，分析了均衡狀態(tài)的最優(yōu)性，并給出了衡量博棄最優(yōu)性的指標;舉例說(shuō)明了勢博弈在移動(dòng)通信中的應用;最后在前文內容的基礎上給出了跨層勢博弈模型的建模方法和步驟。
第三章 跨層資源分配仿真平臺建模..................... 65-84
3.1 仿真平臺結構及相關(guān)參數設置 ..................... 66-68
3.2 業(yè)務(wù)級仿真設計與建模 ..................... 68-70
3.3 系統級仿真設計與建模 ..................... 70-76
3.4 鏈路級仿真設計與建模 ..................... 76-79
3.5 仿真平臺性能驗證..................... 79-82
3.6 本章小結..................... 82-83
3.7 參考文獻..................... 83-84
第四章 信道自適應的自?xún)?yōu)化跨層資源分配..................... 84-117
4.1 下一代移動(dòng)通信中的SON技術(shù)..................... 85-88
4.2 視頻流業(yè)務(wù)跨層資源分配模型 ..................... 88-90
4.3 基于模糊決策的自適應視頻跨層資源..................... 90-98
4.4 分布式自適應視頻跨層資源分配..................... 98-104
4.5 QoS驅動(dòng)的視頻跨層資源分配 ..................... 104-112
4.6 本章小結..................... 112
4.7 參考文獻..................... 112-117
第五章 主動(dòng)式跨層資源分配策略研究..................... 117-146
5.1 小區間干擾協(xié)調模型 ..................... 118-120
5.2 多小區協(xié)同動(dòng)態(tài)功率分配..................... 120-126
5.3 分布式多小區節能 ..................... 126-132
5.4 主動(dòng)式跨層干擾協(xié)調..................... 132-141
5.5 本章小結 ..................... 141-142
5.6 參考文獻..................... 142-146
結論
移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展給現代人的日常生活帶來(lái)了巨大變革，形形色色的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，比如LTE、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、Zigbee等都己經(jīng)成為了人們生活密不可分的組成部分，小到打電話(huà)、手機無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，大到“感知中國”、“智慧地球”等，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)滲透到了人們生活的方方面面。然而，以移動(dòng)通信為代表的無(wú)線(xiàn)通信系統都是資源受限的系統，高效、穩定的無(wú)線(xiàn)資源管理對無(wú)線(xiàn)通信系統的意義十分重大。面對下一代移動(dòng)通信系統多樣化、復雜化的用戶(hù)需求，高速多變的業(yè)務(wù)類(lèi)型，以及整個(gè)系統對能耗和帶寬的嚴格約束，移動(dòng)通信系統發(fā)展過(guò)程中急需解決的問(wèn)題是如何更充分合理的使用有限的無(wú)線(xiàn)資源，保證用戶(hù)的數據速率、網(wǎng)絡(luò )高負載時(shí)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量以及系統的低能耗。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的跨層設計模糊了嚴格的層間界限，將分散在網(wǎng)絡(luò )各個(gè)子層的特性參數協(xié)調融合。所有層間可以交互信息，使得協(xié)議棧能夠以合作的方式適應特定應用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò )狀況的變化�？鐚釉O計里多個(gè)層的聯(lián)合優(yōu)化利用了協(xié)議里多個(gè)層間的合作，可以獲得多協(xié)議層的分集增益，大大提升網(wǎng)絡(luò )的性能。本文圍繞下一代移動(dòng)通信中的跨層資源分配問(wèn)題，分別從理論建模和算法設計兩個(gè)方面研究了該問(wèn)題。一方面，利用勢博棄理論納什均衡的存在性和唯一性，以及勢博棄迭代過(guò)程的快速收斂，提出了跨層勢博棄理論框架，通過(guò)博弈參與者分布式的策略選擇，就可以達到最優(yōu)的跨層資源分配;另一方面，根據下一代移動(dòng)通信系統中SON的設計理念，利用小區間協(xié)同技術(shù)，首先提出了能夠根據信道條件的不斷變化，自適應的動(dòng)態(tài)調整網(wǎng)絡(luò )各個(gè)層的參數，達到最優(yōu)跨層資源分配的目的，接下來(lái)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調整eNB在各個(gè)子信道上的發(fā)射功率值，主動(dòng)的改善無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸環(huán)境，實(shí)現抑制小區間干擾，降低功耗，提高吞吐量的目的。此外，為了驗證本文提出算法的性能和復雜度，設計并實(shí)現了下一代移動(dòng)通信的跨層仿真平臺。本論文的主要工作可以總結如下：
1、跨層勢博棄理論建模。本論文結合博棄論中的勢博弈理論和跨層優(yōu)化理論，通過(guò)元素映射和勢函數構建，建立了跨層勢博棄的理論框架，保證了跨層優(yōu)化過(guò)程能夠收斂于一個(gè)最優(yōu)狀態(tài)，并且保證了快速的收斂。研究了跨層勢博棄的理論模型，針對實(shí)際中應用最廣泛的完全勢博弈進(jìn)行了分類(lèi)，并對每種類(lèi)型的勢博弈都給出了相應的構建勢函數的方法;分析了勢博弈迭代過(guò)程的收斂性、納什均衡的存在性和唯一性、有限遞增屬性以及收斂的準則和時(shí)序;證明了勢博弈均衡狀態(tài)的穩定性和最優(yōu)性，并給出了衡量博弈最優(yōu)性的指標。
2、跨層資源分配仿真平臺建模與實(shí)現。從靜態(tài)的角度研宄系統仿真的相關(guān)內容和問(wèn)題，搭建了下一代移動(dòng)通信系統業(yè)務(wù)級仿真平臺。這里所用的靜態(tài)仿真是根據蒙特卡洛方法思想來(lái)完成的，包括對下一代移動(dòng)通信系統的多次獨立采樣，其中每一次采樣稱(chēng)為一次“快照”，進(jìn)行多次采樣后，獲得系統多個(gè)瞬間的狀態(tài)，統計系統的性能。利用該仿真平臺，可以對研究中的新技術(shù)和新算法進(jìn)行方便、快速、直觀(guān)的驗證和評估，縮短了新技術(shù)開(kāi)發(fā)的成本和周期。
3、移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)信道自適應的跨層資源分配策略設計。面向下一代移動(dòng)通信中的視頻跨層優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入研究，同時(shí)提取鏈路層、物理層和應用層的參數，包括視頻源編碼速率、分組丟失率以及視頻時(shí)延限制等指標，研究下一代移動(dòng)通信系統下行視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)傳輸場(chǎng)景，首先根據視頻內容的特點(diǎn)和模糊屬性，提出了基于模糊多目標決策的跨層調度模型;接下來(lái)針對視頻業(yè)務(wù)跨層資源分配算法復雜度高的問(wèn)題，提出了跨層勢博弈資源分配模型，實(shí)現了分布式的求解框架，降低了算法時(shí)間復雜度，提高了算法的可擴展性;此外，提出了梯度投影的博弈收斂準則，實(shí)現了博弈迭代過(guò)程的并行收斂，保證了收斂的速度。
4、主動(dòng)式跨層干擾協(xié)調方案設計。研究考慮物理層、鏈路層、應用層的跨層設計模型，通過(guò)調整物理層的參數，協(xié)調小區間干擾，達到主動(dòng)改善業(yè)務(wù)傳輸信道質(zhì)量的目的，實(shí)現主動(dòng)式的跨層資源分配策略，抑制小區間干擾，降低網(wǎng)絡(luò )總體功耗，改善小區中用戶(hù)特別是小區邊緣用戶(hù)的吞吐量，從而提供更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，為用戶(hù)提供更好地業(yè)務(wù)體驗。首先分析了下一代移動(dòng)通信系統中的小區間干擾，并建立了小區間干擾協(xié)調模型，接下來(lái)從三個(gè)方面，逐層遞進(jìn)的對主動(dòng)式的跨層資源分配策略進(jìn)行描述。
參考文獻
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