基于分布式约束满足算法的无线信道分配研究

摘要

无线蜂窝通信技术在移动通信发展史上有着里程碑的意义。近年来，随着移动通信系统在全球范围内的部署以各类移动通信业务功能的开发，蜂窝网已经成为应用最为广泛、业务最为繁重的移动通信网络之一。因此，如何有效利用有限的频谱资源保证通信质量是蜂窝网络技术研究中的一个重要课题。
　　通过改善信道分配技术，降低移动终端间的干扰冲突，能够提升网络可承载的移动终端数量。随着用户呼叫阻塞率和切换失败概率的减少，网络的性能也随着提升。当前的许多相关研究工作主要为设计各种优化算法，以求解最优或者次优的信道分配。而在实际蜂窝网的应用中，该信道分配算法的设计面临一下几个方面的挑战：
　　有效支持大规模部署的信道分配算法。
　　信道分配问题（Channel Assignment Problem，CAP）属于组合优化中的NP完备问题。对于解决NP完备问题，目前已存在若干优化算法在各种严格的约束条件下，如同频干扰约束（co-channel constraint），邻频干扰约束（adjacent channel constraint）和同位干扰约束（co-site constraint）等，都可以获得最优解。但是，在对于移动通信营业商来讲，集中式的最优化算法复杂度较高并且难以部署。当有话务产生、流量需求时，能够及时响应并分配信道以满足所有用户的请求，是运营商更加接受的解决方案。
　　有效支持移动切换的信道分配算法
　　在蜂窝网络中，终端属于移动状态，可以在一个小区或多个小区之间越区运动。在蜂窝网络中，信道切换常常发生。通信被中断比呼叫被拒绝更加让人难以接受。目前提出的解决方案是借用信道。但是盲目地向邻小区借用信道，将导致邻小区处于拥塞状态。因此，需要结合借用信道等信道切换机制，设计更加有效的信道分配方案，减少多个小区的用户呼叫阻塞。
　　支持多跳蜂窝网场景的联合路由和信道分配算法
　　多跳蜂窝网络（Multi-hop cellular networks，MCN）是近年来被广泛关注的一种新型的蜂窝网络架构，被认为是未来4G网络建设的无线架构之一。在多跳蜂窝网络中，死区（dead spots）问题和热区（hot spots）问题依然存在，因此，有必要设计高效的多跳中继/路由协议和信道分配算法以适应蜂窝网络中终端的高移动性。MCN中信道分配问题与路由问题是相互影响的——不同的信道分配对应不同网络拓扑，影响路由协议的决策；而不同的路由决策将影响各信道的负载状态，进一步影响信道分配的结果。现有的工作通常将两个问题单独处理，因此无法有效地解决蜂窝网络中的负载拥塞问题。
　　综合以上考虑，本文提出了一种基于分布式约束满足问题（Distributed Constraint Satisfaction Problem，DCSP）的信道分配方案。此论文由“自然科学基金”和“湖北省智能互联网重点实验室”资助，项目编号分别为60772088，60602029和No.HSIT200605。
　　本论文的主要贡献在于：
　　1.针对信道资源紧缺的问题，本论文提出基于分布式约束满足算法的信道分配，在保证系统无干扰的前提下，以最少的信道量满足更多的呼叫请求量，使得呼叫阻塞概率降低。该策略有效地利用信道资源，提高移动通信系统利用率。仿真结果表明，在大规模场景中基于DCSP的信道分配方法能够在满足用户服务请求，求解信道分配策略。
　　2.针对移动通信用户越区的信道切换失败的问题，本论文提出了一种差错容忍的信道分配（Fault Tolerant Channel Assignment）算法以保证移动终端在拥塞小区时的连续通信。此算法通过融合多种差错容忍的切换技术，包括预留信道、基于移动终端移动方向的信道借用技术、基于方向借用的信道锁定技术、信道复用等，能够显著降低蜂窝网络中的切换失败和呼叫阻塞的概率。
　　3.针对多跳蜂窝网系统中的热区问题，本论文提出了多跳蜂窝网络中联合考虑路由与信道分配（Joint Routing and Channel Assignment，JRCA）的算法。JRCA算法能够在可用信道较少时实现无冲突的信道分配，同时可以均衡网络负载以降低实现网络切换失败概率和呼叫阻塞概率。仿真结果表明JRCA相比传统蜂窝网络下的信道分配方法能够显著提升系统性能。

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Chapter I:Introduction

1.1 Background and Problem

1.2 Main Contributions

1.3 Organization of the thesis

Chapter II Channel Assignment in Wireless Network

2.1 Channel Assignment in Traditional Cellular Networks

2.2 Channel Assignment in Multi-hop Cellular Networks

2.3 Summary

Chapter III Distributed Constraint Satisfaction Based Channel Assignment in Traditional Cellular Networks

3.1 Related Works of Channel Assignment

3.2 Background of Distributed Constraint Satisfaction

3.3 Problem Formulation

3.4 Performance Evaluation

3.5 Summary

Chapter IV:Fault-Tolerant Channel Assignment for Handover Traffic in Cellular Networks

4.1 Related Works of Handover

4.2 Design Issues of a Fault-Tolerant Framework

4.3 The Proposed Algorithm of the Fault-Tolerant CA

4.4 Performance Evaluation

4.5 Summary

Chapter V:Joint Routing and Channel Assignment in Multi-hop Cellular Networks

5.1 Background and Related Works

5.2 System Model of Multi-hop Cellular Networks

5.3 Joint Routing and Channel Assignment

5.4 Performance Evaluation

5.5 Summary

Chapter VI:Conclusions and Future Works

6.1 Conclusions of Dissertation

6.2 Future Works

参考文献

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