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无线网络功率控制与垂直切换算法研究

作　者: 鲁智
导　师: 顾学迈
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 无线资源管理功率控制速率控制 Pareto效率垂直切换
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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引　用: 2次
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内容摘要

随着移动通信、数据通信和Internet网络的飞速发展与日益融合,通信系统中的用户不仅要求高质量的话音业务,而且期望获得可以和桌面电脑相比拟的宽带多媒体服务,并能够随时随地地接入网络。因此,下一代通信系统将是移动通信与信息处理紧密结合的网络。以CDMA为主流技术、能提供宽带多媒体业务并可与Internet互连的现代移动通信系统越来越受到人们的关注。从移动通信的发展来看,移动通信技术面临用户数量急剧增加、移动业务逐步走向多元化、用户对服务质量(QoS)的要求不断提高等问题。由于不同的业务有不同的QoS(如时延、吞吐量和误比特率等)要求和不同的传输速率。这就意味着通信系统需要提供更多的无线资源,并且对无线资源要有更复杂的控制机制。但是移动通信系统中的无线资源(如频谱、功率、速率、时隙和码字等)是有限的,因此对无线资源的控制与优化等问题就显得尤为重要。用无线资源管理(RRM-Radio Resource Management)的各种方法对复杂的无线物理信道、网络资源进行合理配置,完善异构网络的兼容性及保障不同特性业务的传输质量等方面就成为一个重要的研究课题。本文根据无线资源管理的基本特征,在系统地分析和论证了现存的各种RRM算法的基础上,对以下几个关键技术和理论问题进行了深入分析。第一,基于预测的最优分布式功率控制算法。在系统地研究了移动通信系统中的功率控制问题的基础上,提出了一种SIR误差与发射功率联合最优的分布式闭环功率控制方法。从理论上证明这种算法的可行性。该算法以SIR误差和发射功率作为优化准则,选择最优比例增益以达到下一时刻SIR误差平方与发射功率平方之和最小的目的。在方案设计中应用H∞滤波器实现系统滤波。仿真结果证明本方法有较快的收敛速度,是一种能够适应链路干扰和信道变化的功率控制方案,能够减弱系统的“Party”效应,达到要求的QoS与功率消耗的折衷。第二,提出了一种新的基于博弈论的非合作功率控制方法。由于传统的功率控制方案主要针对移动通信系统中的话音业务,并未考虑不同数据速率的多媒体业务,因此提出了一个适用于无线数据网络的功率控制算法,设计了一个新的基于定价的目标函数,该函数由效用函数与代价函数的差构成。证明了该博弈算法的纳什均衡点的存在性、唯一性及Pareto有效性。该算法能使移动用户以较低的发射功率达到合理的SIR水平,并能够适用于不同数据速率的业务环境。最后与现有的算法进行了仿真比较,证明了该算法具有较好的实用性。第三,提出了一种发射功率与传输速率联合最优的控制算法。根据无线信道中用户信干比(SIR)与传输速率的紧密关系,及功率控制对信干比的有效调节功能,设计了一种基于博弈理论的功率与速率联合控制算法,由两个博弈分层共同操作,每个博弈由一个目标函数组成。第一个博弈是一个带有定价的非合作速率控制算法,它为用户设置准则,使用户能够达到唯一的纳什均衡速率操作点。第二个博弈的非合作功率控制算法,通过计算发射功率,以支持第一个博弈达到均衡的传输速率,从而联合解决无线资源的利用问题。仿真分析证明,该算法能够以较低的功率为用户提供高速的数据传输。第四,提出了一种用于异构无线网络间的垂直切换算法。把垂直切换映射为一个多标准决策过程。考虑系统的多种参数及用户的不同业务类型,设计了一种多目标垂直切换判决算法,该算法由预切换判决过程和切换判决过程组成,在预切换判决中通过服务质量满意度函数为用户选择合适的接入系统,然后通过最大系统效用函数进行垂直切换判决。通过仿真,与现有的切换算法进行了比较,证明了该算法具有较优越的性能。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-14
第1章绪论  14-33
  1.1 引言  14
  1.2 现代移动通信系统  14-18
  1.3 无线资源管理技术概述  18-22
    1.3.1 功率控制技术  18-19
    1.3.2 切换控制技术  19-21
    1.3.3 接入控制技术  21
    1.3.4 负载控制技术  21-22
  1.4 无线资源管理国内外研究现状和重点  22-31
    1.4.1 功率控制  22-26
    1.4.2 联合功率控制  26-27
    1.4.3 异构网络的垂直切换  27-30
    1.4.4 B3G系统的无线资源管理技术  30-31
  1.5 本文研究内容  31-33
第2章基于预测的最优闭环功控算法  33-64
  2.1 功率控制概述  34-35
  2.2 功率控制的准则  35-38
    2.2.1 功率平衡准则  35-36
    2.2.2 信干比SIR平衡准则  36-38
    2.2.3 功率平衡准则和信干比平衡准则  38
  2.3 功率控制的基本方法  38-43
    2.3.1 开环功率控制与闭环功率控制  38-40
    2.3.2 反向功率控制与前向功率控制  40-42
    2.3.3 集中式功率控制与分布式功率控制  42
    2.3.4 功率控制的影响因素  42-43
  2.4 基于SIR的优化分布式功率控制  43-46
    2.4.1 算法的提出及可行性论证  43-45
    2.4.2 功率控制的执行过程  45-46
  2.5 SIR误差和移动传输功率的联合最小化  46-55
    2.5.1 非受限的优化  46-49
    2.5.2 条件受限优化  49-52
    2.5.3 优化的信道预测器  52-55
  2.6 仿真模型及结果  55-62
    2.6.1 仿真模型  55-56
    2.6.2 仿真结果  56-62
  2.7 本章小结  62-64
第3章一种基于博弈论的功率控制方法  64-91
  3.1 引言  64-65
  3.2 博弈的类型与分类  65-73
    3.2.1 博弈论的发展  65-67
    3.2.2 博弈的分类方式  67-69
    3.2.3 博弈论模型的表达形式  69-71
    3.2.4 效用函数  71-73
  3.3 博弈论与功率控制  73-79
    3.3.1 非合作功率控制博弈  74-75
    3.3.2 非合作博弈功率控制的纳什均衡  75-76
    3.3.3 均衡的Pareto有效性问题  76-77
    3.3.4 含代价函数的非合作功率控制  77-78
    3.3.5 功率控制算法的迭代类型  78-79
  3.4 系统模型  79-80
  3.5 纳什均衡点的存在性和唯一性  80-86
    3.5.1 S-modular博弈  82-84
    3.5.2 纳什均衡的存在性和唯一性  84-85
    3.5.3 功率更新算法  85-86
  3.6 仿真结果  86-90
  3.7 本章小结  90-91
第4章一种速率与功率联合博弈分布式控制算法  91-108
  4.1 引言  91
  4.2 速率控制技术  91-94
  4.3 联合功率与速率控制算法  94-96
  4.4 基于博弈论的联合功率与速率控制  96-97
  4.5 分层博弈控制算法  97-102
    4.5.1 系统模型  97
    4.5.2 基于博弈论的效用函数  97-99
    4.5.3 纳什均衡点的存在性、唯一性  99-102
  4.6 两种策略纳什均衡点的Pareto最优性  102-103
  4.7 功率更新算法  103-104
  4.8 仿真结果  104-106
  4.9 本章小结  106-108
第5章异构网络垂直切换算法  108-129
  5.1 移动性管理技术  108-112
    5.1.1 移动性管理技术概述  108-109
    5.1.2 移动性管理关键控制功能  109-112
  5.2 垂直切换  112-117
    5.2.1 垂直切换与水平切换  112-114
    5.2.2 垂直切换的三个阶段  114-116
    5.2.3 垂直切换的新特征和性能要求  116-117
  5.3 垂直切换中的关键技术  117-119
    5.3.1 切换性能优化  117-119
    5.3.2 切换中的互操作控制  119
    5.3.3 切换决策  119
  5.4 提出的算法  119-125
  5.5 仿真参数  125-126
  5.6 仿真结果  126-128
  5.7 本章小结  128-129
结论  129-131
参考文献  131-142
攻读博士学位期间所发表的学术论文  142-144
致谢  144-145
个人简历  145

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