avatar avatar 我的文献 未来移动通信系统资源分配与调度策略研究 作者 马文敏 单位 北京邮电大学 导师 温向明 关键词 资源分配; 资源调度; 跨层优化; QoS; QoE; MOS; 干扰抑制; 多小区协作; Femtocell; 粒子群优化; 博弈论 基金 国家自然科学
摘要
随着移动网络宽带化和移动终端智能化的快速普及,移动网络已经遍布在人类社会生活中的每一个角落,用户对移动通信有着更进一步的期待,对应用多样化、服务质量、业务体验的要求与日俱增。然而,由于移动通信系统的资源是受限的,而且将融合各种无线接入技术以及各种多媒体数据业务,如何在复杂多变的通信环境中合理而有效地分配及调度稀缺的无线资源进而满足人们日益增长的业务需求成为了未来移动通信领域亟待解决的重点问题。为了提高移动网络的运营能力,解决日益增长的多媒体数据业务需求与受限的无线资源、不稳定的无线链路、复杂多变的无线环境之间的矛盾,本论文对移动通信系统中的资源分配与调度技术进行了深入研究,采用了群智能优化、凸优化以及博弈论等技术手段,针对单小区OFDMA系统、多小区协作网络及双层Femtocell网络分别提出了保障多业务QOS的跨层资源调度策略、基于MOS能效的跨层资源分配策略、基于势博弈理论的资源分配与调度策略以及基于效用公平的资源分配策略,具体的研究成果和创新点如下:1、针对单小区OFDMA系统,提出了一种保障多业务QoS的跨层资源调度策略。首先采用跨层优化技术,综合考虑多层业务参数及系统特性,对层间的依赖关系进行了分析和利用,动态跟踪多业务QoS需求和信道实时变化情况,提高了系统多层分集增益。然后分析了多用户公平性,对未来移动通信系统的多业务差异化QOS需求、无线时频资源块、功率资源、调制和编码方式等进行全局统一建模,设计了保障多业务QoS的效用函数,实现了跨层资源调度。最后为了降低由于跨层设计的引入而带来的额外通信开销及系统计算代价,提出了一种二进制约束型粒子群优化算法,有效降低了跨层资源调度模型的求解复杂度并保证了迭代求解过程的快速收敛。该策略在保障系统公平性和多业务QoS的前提下,提高了系统的总体吞吐量。2、针对单小区OFDMA系统,提出了一种基于MOS能效的跨层资源分配策略。该策略重点分析了未来移动通信网络中的“杀手锏”—无线视频业务,并针对无线视频业务的快速发展所带来的系统能耗问题,设计了既能保障视频QoE同时又具有较高能效性的无线资源分配策略。首先根据视频业务及无线网络信道时变的特性,提取了跨层业务及无线系统相关参数,建立了“功率—视频失真”模型以及“视频失真—PSNR—MOS映射关系”模型,将视频传输功率引入到MOS映射关系中。然后综合MOS预测信息以及发射功率,建立了“MOS—功率—MOS能效预测”资源分配模型,准确反映了系统能耗与视频业务参数、无线信道之间的关系。最后利用约束型粒子群优化算法求解了资源分配及参数优化策略。该策略有效提高了系统MOS的能效,在保障无线视频业务用户体验的同时降低了无线通信系统的能耗。3、针对多小区协作网络,提出了一种基于势博弈理论的资源分配与调度策略。为了降低小区间干扰,该策略除了采用多小区协作技术之外,还在目标函数建模过程中采用了定价机制,设计了基于定价因子的跨层资源调度模型。然后基于势博弈理论,搭建了资源分配与调度跨层势博弈模型,将跨层资源分配策略映射为势博弈策略,并构建了跨层势博弈模型的势函数,通过势函数本身的收敛特性证明了纳什均衡的存在性及唯一性,有效降低了系统模型与目标问题求解的复杂度,并使整个系统效用达到了最优,提高了系统模型的可扩展型。最后采用了凸优化中的KKT条件以及迭代注水算法求解该最优化问题。该策略达到了有效抑制小区间干扰并提高系统整体性能的目的。4、针对双层Femtocell网络,提出了一种基于效用公平的资源分配策略。该策略首先研究了双层网络中共享频谱方式下的干扰抑制技术,综合考虑了宏小区与Femtocell之间的跨层干扰和Femtocell之间的同层干扰,在保证宏小区用户正常传输的前提下,分析了用户的最小SINR需求,提出了以最大化频谱利用率为目标的系统效用函数。然后将目标优化问题映射成基于合作博弈理论的纳什议价功率控制模型,有效反映了网络频谱利用率,并体现了用户效用的公平性。最后针对目标纳什议价功率控制博弈模型,分析并找出了具有帕累托最优的RKS议价解。仿真结果表明该策略在满足用户最小SINR需求的前提下不但能有效提高Femtocell网络的频谱利用率,而且还能较好地保证用户之间的公平性。
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