面向未來(lái)無(wú)線通信的資源分配研究-資源利用率與QoS保證的權(quán)衡.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)以及Internet的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求逐漸由單純的語(yǔ)音通話轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的混合業(yè)務(wù)，諸如音頻、視頻、數(shù)據(jù)等等，從而導(dǎo)致人們對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）的需求不斷提高。因而，在資源受限且信道環(huán)境惡劣的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，如何高效利用資源顯得越來(lái)越重要。所以本文將資源利用率與QoS需求之間的權(quán)衡作為貫穿全文的線索。按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序，本文對(duì)無(wú)線資源分配中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研

2、究。
　　1.在最基本的單跳同構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)基于有效容量的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。基于有效容量理論，推導(dǎo)得出了無(wú)線多用戶正交頻分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)（離散）有效容量區(qū)，并證明了這個(gè)有效容量區(qū)是凸區(qū)域。為了獲得該區(qū)域的邊界點(diǎn)，運(yùn)用凸優(yōu)化理論以及泰勒展開近似等數(shù)學(xué)工具，提出了漸近最優(yōu)的資源分配算法。基于上述推導(dǎo)所得出的有效容量區(qū)，本文進(jìn)一步考慮

3、了到達(dá)過(guò)程和服務(wù)過(guò)程的時(shí)變特性，以及業(yè)務(wù)的不同特性，研究了帶不同類業(yè)務(wù)的多用戶OFDMA網(wǎng)絡(luò)中，基于有效容量的資源分配問(wèn)題，即在保證時(shí)延QoS需求的前提下，提高系統(tǒng)的資源利用率。運(yùn)用有效容量與凸優(yōu)化理論等工具，針對(duì)連續(xù)和離散情況分別建立了最優(yōu)資源分配的數(shù)學(xué)模型，并相應(yīng)提出了漸近最優(yōu)的子載波和功率分配算法。
　　2.對(duì)基于協(xié)作通信與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的異構(gòu)協(xié)作系統(tǒng)架構(gòu)。在該架構(gòu)中，移動(dòng)臺(tái)(Mobil

4、eStations，MSs)是雙模的，具有OFDMA網(wǎng)絡(luò)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的天線。其中MSs與基站(BaseStation，BS)之間通過(guò)OFDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而MSs之間通過(guò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。基于該異構(gòu)協(xié)作系統(tǒng)架構(gòu)，本文首先研究了單個(gè)AdHoc中繼的資源分配問(wèn)題，即系統(tǒng)中需要傳輸業(yè)務(wù)的MSs(ActiveMSs)只可以選擇一個(gè)空閑的MS(InactiveMS)作為其中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助其進(jìn)行通信，并將上述系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題建模為一個(gè)優(yōu)

5、化問(wèn)題，然后提出了一個(gè)公平且高效的聯(lián)合資源分配算法。隨后，基于所設(shè)計(jì)的異構(gòu)協(xié)作系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)一步將系統(tǒng)模型擴(kuò)展到多個(gè)AdHoc中繼，即系統(tǒng)中的ActiveMSs可以選擇多個(gè)InactiveMSs作為其中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助其進(jìn)行通信。上述系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題仍然被建模為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，即在保證各MS的QoS需求的前提下，提高系統(tǒng)的資源利用率，最大化系統(tǒng)速率。然后，針對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題提出了基于拉格朗日對(duì)偶法的資源分配方案以公平高效地解決這個(gè)問(wèn)題。此外，本文還

6、進(jìn)一步提出了一個(gè)全分布式的資源分配方案，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體的計(jì)算復(fù)雜度。
　　3.在多小區(qū)的場(chǎng)景下，對(duì)綠色通信中的節(jié)能與基站管理問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)相對(duì)實(shí)際的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，首先將基站管理問(wèn)題建模為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，即對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有基站進(jìn)行開/關(guān)決策，在保證所有MSs的QoS需求的前提下，提高系統(tǒng)的資源利用率，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量節(jié)約值。為了解決這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，本文提出了一個(gè)新穎的聯(lián)盟構(gòu)型博弈算法和2個(gè)MS關(guān)聯(lián)策略，即帶完全關(guān)

7、聯(lián)策略的聯(lián)盟構(gòu)型博弈（CoalitionFormationwithFullyAssociation，CF-FA）和帶能效關(guān)聯(lián)策略的聯(lián)盟構(gòu)型博弈(CoalitionFormationwithEnergy-EfficientAssociation，CF-EEA)。隨后，將偏離函數(shù)D(DefectionFunction)這個(gè)全新的概念引入本文，對(duì)所提出算法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。此外，為了減少網(wǎng)絡(luò)全局的信令開銷，并且為了便于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，進(jìn)一步

8、提出了一個(gè)基于聯(lián)盟構(gòu)型博弈的分布式基站管理算法，并給出了相應(yīng)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)方案，而代價(jià)是需要花費(fèi)比集中式算法更多的執(zhí)行時(shí)間。不過(guò)在這樣一種應(yīng)用場(chǎng)景下，以更長(zhǎng)的算法（協(xié)議）執(zhí)行時(shí)間為代價(jià)換取分布式實(shí)現(xiàn)的方案是完全可取的。隨后，為了給基站管理研究提供一個(gè)努力的方向，并為所提出的基站管理方案提供一個(gè)參照的標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)中基站節(jié)能的上界進(jìn)行了推導(dǎo)。最后，基于簡(jiǎn)化后的典型網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)特征，對(duì)所提出的算法進(jìn)行分析，并對(duì)BS開關(guān)決策結(jié)果、MS關(guān)聯(lián)結(jié)果以及