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下一代移动通信网络中的无线资源管理与调度策略研究

作　者: 张佳
导　师: 袁东风; 张海霞
学　校: 山东大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线资源管理与调度功率控制小区关联凸优化动态规划移动通信网络
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无线移动通信网络作为电子工程领域最令人瞩目的成就之一,至今已成功为地球上超过四分之三的人口提供了全面的无线网络覆盖和可靠的移动信息交互方式.伴随着无线移动通信系统用户数量的不断增长和用户对系统服务质量要求的不断提升,通信系统对无线资源的需求量也在不断增加,而目前系统所能利用的无线资源却日益匮乏,资源需求与供给之间的矛盾导致无线移动通信技术陷入了发展瓶颈。为了跨越这一瓶颈,进一步提升移动通信系统的整体性能,亟需研发高效的无线资源管理模式和管理方案以提升现有通信系统的资源利用率,亟待提出灵活的资源调度策略,拓展可利用的资源空间。本论文在三种典型的移动通信场景下,主要研究了无线移动通信网络中的资源管理机制和调度策略,旨在为下一代移动通信B4G甚至5G系统的研制和开发提供理论研究指导,为分析和提升移动通信系统性能提供技术方案支撑,为具体的移动通信网络中无线资源管理和用户调度算法设计提供性能评估依据。具体而言,本论文的主要工作与创新点概括如下：●合作多小区OFDMA网络中的无线资源管理方案研究。针对小区间合作的多小区OFDMA网络,本论文研究了在回程网络(Backhaul Network)容量受限的情况下,多小区无线资源管理和小区间协作链路选择方案设计。首先利用匈牙利算法提出了基于小区内用户公平性的无线资源管理机制,最大限度的提高了多小区系统的平均吞吐量。继而,在小区间Backhaul网络容量限制条件下,提出了基于代价分析的小区间合作链路选择算法,在消除干扰提升用户速率的同时,有效降低了Backhaul网络的容量需求。仿真结果表明,本论文所提方案在用户公平性、网络平均吞吐量以及对回程网络的通信压力缓解等方面具有明显性能优势。基于合作多小区网络中信道状态信息和用户数据信息的共享机制,本文所提方案以最小化的网络冗余开销,获得了最大化的小区间合作性能增益。·协作多小区OFDMA网络中的功率控制与用户调度策略研究。针对小区间协作的多小区OFDMA网络,本论文在不同的信道状态信息共享程度情况下,研究了以小区间干扰协调为目标的功率控制和用户调度策略。本文透过协作多小区OFDMA网络模型,规划出以小区间干扰协调为目标的多维变量网络容量最大化问题,并分别提出了在网络全局信道状态信息条件下的中心式联合解决方案和在网络局部信道状态信息条件下的分布式动态解决方案。首先,通过建立映射关系将三维变量最优化问题转化为二维变量最优化问题.基于网络全局信道状态信息,将原组合优化问题分解为一个连续功率控制最优化问题和一个离散最优用户调度问题,利用凸优化理论设计双重迭代算法,对上述最优化问题进行任意精度的近似最优求解,最终得到允许精度下的最优功率控制和用户调度策略.其次,基于单小区内部的局部信道状态信息,利用动态规划的方法,将原三维优化问题重新规划为一个离散时间动态系统的多阶段决策问题,运用动态规划的最优性原理设计分布式解决方案,逐步求解该动态系统的最优控制策略,最终得到分布式最优动态功率控制和用户调度策略.本论文以数值仿真结果为依据,对所提出的两种方案在相关信道条件下和独立信道条件下分别进行了多方面的性能分析和评估,研究结果证明了本论文所提出两种方案的优越性和稳定性.·载波聚合的异构网络中动态小区关联与用户调度机制研究.本论文通过构建载波聚合的多层异构网络遍历容量最大化问题,研究了基于异构网络层间负载均衡的动态小区关联和用户调度机制.针对单数据流和多数据流两种不同的载波聚合方式,分别提出了基于随机控制的小区与用户关联机制和基于联合优化的小区与用户关联机制.首先,利用随机控制和动态规划理论,对遍历容量最大化问题进行状态离散化的动态问题规划.进而将原来的多阶段最优决策问题,转化成了多个单阶段最优决策问题,逐步求解最优控制过程,最终得到基于单数据流的动态小区关联和用户调度机制.其次,通过对原遍历容量最大化问题进行网络效用函数的改进和约束限制条件的放松,将严格遍历容量最大化的组合优化问题放松成一个基于多数据流载波聚合方式的凸优化问题.利用对偶分解理论求得基于多数据流的最优小区关联和用户调度机制.在不同载波聚合部署状态下的数值仿真结果验证和算法性能分析均表明,本论文所提出的基于单数据流和多数据流的两种动态小区关联和用户调度机制,在异构网络负载均衡和网络遍历容量最大化等方面都具有明显的性能优势.

全文目录

英文缩写对照表  14-16
中文摘要  16-18
英文摘要  18-21
第一章绪论  21-31
  §1.1 研究背景  21-22
  §1.2 无线移动通信网络研究现状及技术发展趋势  22-28
    §1.2.1 合作多小区网络及相关技术  22-23
    §1.2.2 协作多小区网络及相关技术  23-25
    §1.2.3 异构移动通信网络及相关技术  25-28
  §1.3 研究意义及主要贡献  28-31
    §1.3.1 研究意义  28-29
    §1.3.2 主要贡献  29-30
    §1.3.3 论文组织结构  30-31
第二章最优化与最优控制理论  31-39
  §2.1 最优化理论  31-35
    §2.1.1 最优化问题的数学模型  31-32
    §2.1.2 最优化问题的分类  32-34
    §2.1.3 最优化问题的通用解法  34-35
  §2.2 最优控制理论  35-38
    §2.2.1 最优控制问题  35-36
    §2.2.2 动态规划  36-38
      §2.2.2.1 最优性原理  37-38
      §2.2.2.2 离散系统的动态规划  38
  §2.3 本章小结  38-39
第三章合作多小区OFDMA网络中的无线资源管理  39-55
  §3.1 系统模型与问题描述  40-43
    §3.1.1 系统模型  40-42
    §3.1.2 问题描述  42-43
  §3.2 联合资源分配和用户调度策略  43-47
    §3.2.1 基于匈牙利算法的小区内用户公平调度策略  43-45
      §3.2.1.1 匈牙利算法介绍  43-44
      §3.2.1.2 基于用户公平性的小区内资源管理与调度算法  44-45
      §3.2.1.3 算法流程  45
    §3.2.2 小区间动态协作链路选择机制  45-47
  §3.3 仿真结果及分析  47-53
    §3.3.1 基于用户公平性的小区内算法性能  48-50
    §3.3.2 整体算法性能分析  50-53
  §3.4 本章小结  53-55
第四章协作多小区OFDMA网络中的功率控制与用户调度  55-85
  §4.1 系统模型与问题描述  57-61
    §4.1.1 信号与系统模型  57-59
    §4.1.2 问题描述  59-61
  §4.2 基于全局信道状态信息的联合功率控制与用户调度  61-66
    §4.2.1 问题模型重建  61-62
    §4.2.2 系统容量最大化迭代方案  62-66
      §4.2.2.1 最优用户调度策略  62
      §4.2.2.2 最优功率控制机制  62-66
    §4.2.3 基于全局CSI的联合功率控制与用户调度算法流程设计  66
  §4.3 基于局部信道状态信息的分布式动态功率控制与用户调度  66-73
    §4.3.1 基于卡尔曼滤波的干扰预测  68-71
      §4.3.1.1 卡尔曼滤波  68-70
      §4.3.1.2 干扰预测方案  70-71
    §4.3.2 基于动态规划的分布式方案  71-73
    §4.3.3 基于局部CSI的动态功率控制与用户调度算法流程设计  73
  §4.4 仿真结果及分析  73-84
    §4.4.1 仿真模型及参数设置  73-76
    §4.4.2 仿真结果分析  76-84
      §4.4.2.1 相关信道仿真  76-81
      §4.4.2.2 独立信道仿真  81-84
  §4.5 本章小结  84-85
第五章载波聚合的异构网络中动态小区关联与用户调度  85-109
  §5.1 问题描述  87-91
    §5.1.1 系统模型  87-90
    §5.1.2 问题建模  90-91
  §5.2 基于单数据流的随机小区关联和动态用户调度  91-94
    §5.2.1 遍历容量分析  91-92
    §5.2.2 基于随机控制的动态小区关联  92-94
    §5.2.3 基于单数据流的随机小区关联和动态用户调度算法流程设计  94
  §5.3 基于多数据流的联合小区关联和动态用户调度  94-98
    §5.3.1 多数据流问题重建  95
    §5.3.2 基于对偶分析的联合小区关联  95-98
    §5.3.3 基于多数据流的联合小区关联和动态用户调度算法流程设计  98
  §5.4 仿真结果及分析  98-107
    §5.4.1 仿真模型及参数设置  98-100
    §5.4.2 仿真结果分析  100-107
  §5.5 本章小结  107-109
第六章结论与展望  109-113
  §6.1 主要结论  109-110
  §6.2 论文不足与研究展望  110-113
参考文献  113-129
致谢  129-131
攻读博士学位期间成果列表  131-132
发表论文  132-149
附件  149

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