異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中負載均衡和資源分配策略研究.pdf

1、移動智能終端爆發(fā)式的增長以及與互聯(lián)網(wǎng)的快速融合帶來了無線數(shù)據(jù)流量的迅猛增長。與此同時，現(xiàn)有的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出不均勻分布的特點，例如現(xiàn)在超過50％的語音業(yè)務(wù)和70％的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都發(fā)生在室內(nèi)。因此，提高室內(nèi)/熱點的通信速率和服務(wù)質(zhì)量成為通信技術(shù)的發(fā)展要求。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)技術(shù)通過在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)層中布放大量低功率節(jié)點(LPN)，提供室內(nèi)/熱點覆蓋以及高服務(wù)速率，緩解現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸性增長問題。然而HetNet技術(shù)也面臨

2、著新的挑戰(zhàn)，包括負載不均衡、小區(qū)間干擾，以及潛在的高能耗等問題。面對上述的挑戰(zhàn)，本文從負載均衡和資源分配的角度出發(fā)，針對如何進一步提高HetNet吞吐量性能、降低基站端能耗以及降低終端能耗三個方面，通過設(shè)計合理的優(yōu)化目標(biāo)并采用優(yōu)化理論等方法，提出了相應(yīng)的解決方案。
　　首先，由于頻譜資源的稀缺性，在HetNet中采用同頻部署是一種比較好的選擇。為了體現(xiàn)HetNet技術(shù)的小區(qū)分裂增益，需要針對HetNet中不同層之間基站發(fā)射功率的差

3、異性，研究新的用戶歸屬方式將部分用戶強制接入LPN以平衡基站間負載。然而由于同頻復(fù)用，拓展用戶會受到宏基站強烈的小區(qū)間干擾，又會導(dǎo)致吞吐量的降低，而需要進一步研究相應(yīng)的干擾協(xié)調(diào)策略?？紤]到負載均衡與干擾協(xié)調(diào)方案之間相互耦合相互影響，區(qū)別于傳統(tǒng)研究中將兩者分開獨立優(yōu)化設(shè)計，本文聯(lián)合設(shè)計了負載均衡與基于空白子幀(ABgF)的干擾協(xié)調(diào)策略。本文建立了基于網(wǎng)絡(luò)效用（該效用同時考慮了系統(tǒng)吞吐量和公平性）最大化的聯(lián)合負載均衡和干擾協(xié)調(diào)的多變量非凸優(yōu)

4、化問題，通過推導(dǎo)得出ABSF子幀比例與負載均衡之間的閉式關(guān)系式:ABSF子幀比例為拓展區(qū)域用戶數(shù)與總用戶數(shù)之間的比值。利用該關(guān)系式，將原聯(lián)合多變量優(yōu)化問題等效為單變量負載均衡問題。針對單純的負載均衡問題，本文采用貪婪算法提出了基于邊際效用的用戶歸屬方案，并以此確定ABSF子幀比例。更進一步，基于上述討論中負載均衡的啟示，本文將其拓展到實際應(yīng)用場景，通過簡化和近似，提出了基于網(wǎng)絡(luò)負載的偏置值設(shè)置和ABSF圖樣設(shè)計方案。
　　其次，本

5、文基于網(wǎng)絡(luò)負載在時間上和空間上的波動性，設(shè)計了相應(yīng)的負載均衡和資源分配策略以實現(xiàn)基站端節(jié)能。本文建立了基于系統(tǒng)能效最大的聯(lián)合負載均衡和基站開/關(guān)策略的多變量非凸優(yōu)化問題。當(dāng)固定基站開/關(guān)圖樣的時候，系統(tǒng)能效最大化問題等效為一個單純的負載均衡問題，在多接入場景下（即用戶可以同時接入多個基站服務(wù)），該優(yōu)化問題為凸優(yōu)化問題而可以采用內(nèi)點法得到最優(yōu)解作為負載均衡策略性能上限，而在單接入場景下，本文通過將原最大化問題轉(zhuǎn)化為最大-最小化問題，提出基

6、于速率偏置因子的用戶歸屬方案以及相應(yīng)的資源分配策略。針對基站開/關(guān)問題，本文基于最優(yōu)的負載均衡策略得出系統(tǒng)能效與關(guān)閉基站數(shù)之間的關(guān)系:系統(tǒng)能效隨基站關(guān)閉數(shù)的增加呈下降或者先上升后下降的關(guān)系。基于上述關(guān)系，本文提出了一種低復(fù)雜度的基站開/關(guān)遍歷算法，相比于傳統(tǒng)的遍歷算法，所提算法在保證最優(yōu)性的同時大大降低了復(fù)雜度。更進一步，基于KKT條件，本文提出了一種次優(yōu)的基站開/關(guān)算法，該算法在保證系統(tǒng)性能基本不下降的情況下進一步降低了復(fù)雜度（線性復(fù)

7、雜度）。
　　最后，針對HetNet中由于不同層基站的發(fā)射功率不同而造成的上、下行不對稱性，可以采用上、下行分離的用戶歸屬技術(shù)，對于上行用戶，提高終端的續(xù)航能力是一個亟待解決的問題?？紤]到實際業(yè)務(wù)模型（例如視頻業(yè)務(wù)以及語音業(yè)務(wù)）的突發(fā)特性及時延敏感特性，區(qū)別于現(xiàn)有研究中僅針對物理層性能度量的優(yōu)化，本文考慮了業(yè)務(wù)的動態(tài)特性，針對如何在保證用戶時延性能的基礎(chǔ)上最小化終端能耗，設(shè)計了相應(yīng)的負載均衡和功率控制方案。與此同時，本文還考慮了非

8、理想線路功耗對功率控制方案的影響。本文建立了時延限制下的能耗最小化問題。在固定用戶歸屬的情況下，本文研究了上行用戶功率控制策略，在offiine場景（用戶到達信息在數(shù)據(jù)傳輸前已知）下，通過對卡羅需-庫恩-塔克條件(KKT)的應(yīng)用給出用戶上行功率控制的啟示:對于單個用戶而言，如果當(dāng)前時刻將此前所有到達的包傳輸完成，那么該時刻的功率注水水平比下一個時刻低，如果當(dāng)前時刻剛能傳輸完D個時隙以前到達的包（D為最大時延限制），那么該時刻功率注水水平