Context--Aware Resources Allocation with Carrier Aggregation in Cellular Networks

摘要

目前，蜂窝无线网络的用户数量、数据流量得到了迅猛增长。越来越多的智能手机用户开始使用如视频网站YouTube和社交网络Facebook这样的网络服务。这些多媒体的内容是丰富多样的，同时对应用程序的宽带接入提出了更高的需求。而受限于有限的蜂窝频谱，很难有一个频段可以满足日益增长的接入需求。因此，一种能整合不同运营商的网络资源，高效实现对有限资源进行配置的算法，对提升网络服务质量(QoS)具有很大的帮助。
　　本文从多运营商的资源分配优化问题出发。同时为保证最小化的服务质量，每个用户将从移动服务获得子服务。
　　一种新的结合环境感知和时间感知的第四代蜂窝网络架构，能够解决环境感知的资源分配问题。通过在资源分配阶段，指定实时应用用户优先于时间容忍的应用用户来实现环境感知的资源分配。通过随时间变化的数据流量定价策略，实现的时间感知的资源分配。
　　本文提出一种多种频带的载波聚合技术的算法，可以实现把位置感知的资源分配结合到环境感知的资源分配架构之中。这种选择载波或者多载波的速率分配算法，可实现需求资源的价格最小化。这种基于载波聚合的环境感知资源分配架构，可以灵活且容易的实现蜂窝网络系统最优化配置。并通过实验结果基本验证了这种架构。
　　正如过去的二十年，互联网的规模得到了飞速的增加一样。目前，移动宽带用户的数量同样以惊人的速度在飞速增长。据统计，到2015年手机用户的数量预计将达到约35亿，其中大多数是基于智能手机的用户(Yang H，2005)。这种潜在的增长也意味着相当大的移动数据流量的增加。根据思科，全球移动数据流量预计将成长到2017年每月11.2艾字节(全球移动数据流量预测更新，2010-2015年，思科视觉网络指数2011)。随着新技术设备的发展，现在智能手机能够显示高质量的服务，这将意味着肯定会致力于提高蜂窝网络的能力。
　　为了实现上述需求(全球移动数据流量预测更新，2010-2015年，思科视觉网络指数2011)，新一代的移动网络正在通过移动运营商部署。在过去的几年，部署第四代合作伙伴计划(3 GPP)的长期演进(LTE)和长期演进越来越先进。然而，即使LTE提供的增强，不断增长的需求的能力和提高数据吞吐量也无法改善。尤其是在人口稠密地区如购物中心或机场，大量的用户希望同时连接到基站和可能超越极限的能力系统，这一事实变得更加严重。
　　现代蜂窝网络所提供的不断增加先进服务需要严格保证服务质量，获得了许多优化过程的典型结果。为此提出了本算法。
　　问题定义:
　　近年来，移动宽带在用户数量和每个用户的数据流量当中取得了快速增长。当前，在他们的智能手机上，用户能够同时运行多个应用程序。网络提供商正从单一的服务（如互联网）到多个服务（如多媒体电话和移动电视）。为了满足移动用户这种对无线资源的强劲需求，因此将会需要更多的资源。然而，由于频谱有限，很难有一个频段满足这种需求。因此，来自不同的运营商需要把资源聚合，而且网络提供商也在迫切需要一种有效的资源配置。
　　本文的目标是:
　　1)分析在手机网络中更有效的信道分配策略:
　　优先选择实时应用程序，而且没有删除容忍延迟的应用程序用户;
　　克服在流量高峰期的拥堵问题;
　　对来自不同运营商的资源进行优化分配。
　　2)优先选择实时的应用程序用户而不是容忍延迟应用程序用户。
　　3)减少蜂窝网络的拥塞问题。
　　4)设计并使用Matlab程序模拟提出的算法。
　　5)保证所有用户分配到一部分可用频谱的(为所有用户提供一个最低服务质量Qos)测试和评估提出的算法效率。
　　本文的贡献
　　运行在智能手机上的应用程序可以分为两种应用程序:一种是实时应用程序。如IP电话(VoIP)、视频等等;另一种是允许延迟容忍的应用。如应用程序更新、电子邮件、社交网络等由于延迟的限制实时应用程序分配优先容忍延迟应用程序。与此同时，运行容忍延迟应用程序的用户也不应该被剥夺了资源即网络中没有用户被删除。因此，我们的目标是在有限的蜂窝频谱中为一个有效内容感知资源进行分配并载波聚合，从而确保实时应用程序的优先级却不会删除容忍延迟的应用程序用户。
　　本文提出的架构同时考虑了用户运行实时应用程序和容忍延迟的应用程序。由于提出的内容感知资源分配策略，用户运行不同的内容能够体验不同的资源分配。资源分配优化问题是制定为具有可用的evolved-NodeB(eNodeB)频谱资源活跃用户来确保公平效用分配比例。因此，载波聚合的环境敏感资源分配算法为主的实时应用程序用户比容忍延迟应用程序用户优先级更高。此外，该优化问题制定保证所有用户能够被分配到一部分可用频谱，正如eNodeB应该为所有订阅用户提供一个最低QoS移动服务。
　　本文的主要贡献如下:
　　1)引入一个新的对数和类反曲效用函数，以解决了容忍延迟应用和实时的应用的联合载波聚合速率分配的优化问题。
　　2)通过研究，本文将优化问题划分为教简单的子问题，并在不同的蜂窝网络环境下进行解决。
　　3)证明了提出的凸优化问题，证明了所得全局最优解是可靠的。
　　4)本文提出了一种分布式速率分配算法，能够进行联合目标函数的最大值优化，从而实现最优速率的收敛。
　　总之，本算法能够解决移动用户的资源最优分配问题。

目录

声明

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

CHAPTER 1：INTRODUCTION

1．1 Introduction

1．2 Motivation

1．3 Problem Definition

1．4 Scope of thesis

1．5 Thesis objectives

1．6 Related work

1．7 Thesis Contribution

1．8 Dissertation outlines

CHAPTER 2：LITERATURE REVIEW

2．1 Introduction

2．2 Network Architecture of LTE

2．2．1 Overview

2．2．2 High Level Architecture

2．2．3 User Equipment

2．2．4 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network

2．2．5 Evolved Packet Core

2．2．6 Roaming Architecture

2．2．7 Network Areas

2．2．8 Numbering，Addressing and Identification

2．2．9 Spectrum Flexibility

2．2．10 Access Schemes(OFDMA)

2．2．11 Resource Block(RB)

2．2．12 Frame structure and Transmission Scheme

2．3 LTE-A features

2．3．1 Carrier Aggregation

2．3．2 Heterogeneous Networks(HetNets)

2．3．3 Wireless Relaying

2．3．4 Self-organizing network(SON)s

2．3．5 Multiple-Input，Multiple-Output

2．4 Logical，Transport and Physical Channels

2．4．1 Logical Channels

2．4．2 Transport Channels

2．4．3 Physical Data Channels

2．5 Handover

2．6 Channel Allocation

2．6．1 Fixed Channel Allocation(FCA)

2．6．2 Dynamic Channel Allocation(DCA)

2．6．3 HYBRID CHANNEL ALLOCATIN

2．7 Summary

CHAPTER 3：METHODOLOGY

3．1 Introduction

3．2 Context-Aware with Carrier Aggregation Resource Allocation in Cellular Network Architecture

3．2．1 Utility Function

3．2．2 System Model

3．2．3 Resource Allocation Policy

3．3 Resource Allocation Optimization Problem

3．4 Context-Aware with Carrier Aggregation Global Optimal Solution

3．4．1 Convex Optimization

3．4．2 Dual Problem

3．5 Context-Aware with carrier aggregation Resource Allocation Algorithm

3．5．1 Comparing our algorithm with other algorithms

3．6 Summary

CHAPTER 4：IMPLEMENTATION AND RESULTS

4．1 Introduction

4．2 Algorithm parameters

4．3 Simulation Results

4．4 Summary

CONCLUSION

ACKNOWLEDGMENT

Reference