雾无线接入网的通信与计算资源联合优化研究

摘要

近年来，针对第五代移动通信系统的大规模接入、低时延、高速率传输需求，提出了一种基于传统云无线接入网络的新型网络架构，雾无线接入网(Fog-Radio Access Network,F-RAN)。雾无线接入网络可以提供就近、分布式服务，能有效缓解当大规模设备接入时云无线接入网络面临的前传链路堵塞和中央处理器负担过重等问题，因此具有重要的研究意义。本文针对移动用户、雾节点、云服务器共存的异构雾无线接入网络模型，以低时延的用户任务卸载为目的，对用户与雾节点的无线接入控制、通信资源和计算资源的分配策略进行了优化。具体研究内容如下： （1）考虑雾节点工作于硬模式（解调转发）时的雾无线接入网络，研究了以最小化最大延时为目的的通信与计算资源分配问题。本文提出了一种基于凸差(Difference of Convexfunctions,DC)规划和加权最小均方误差(Weighted Minimum Mean Square Error,WMMSE)的近似解法，仿真结果证明了该算法的收敛性和资源分配策略的有效性。此外，通过与最小距离接入法的比较可知，用户与雾节点按本文提出的接入策略接入能获得更好的延时性能。 （2）考虑雾节点工作于软模式（量化转发）时的雾无线接入网络，研究了以最小化最大延时为目的的通信与计算资源分配问题。本文通过DC规划和WMMSE算法将原本非凸的问题近似转换成了凸问题，并在块坐标下降法(Block Coodinate Descent,BCD)的框架下进行了有效求解。仿真结果验证了算法的收敛性，并且通过不同场景下的软、硬模式的比较可知，当雾节点计算能力较弱时，工作于软模式在延时方面更有优势，反之，当雾节点计算能力较强时，工作于硬模式更有优势。此外，当雾节点计算能力远弱于云服务器时，随着描述任务数据量的增多，软、硬两种模式下的在雾节点执行计算的用户数比例都逐渐增加。 （3）考虑从物理层编码的角度来保证通信安全。针对存在窃听者对用户与雾节点间的通信进行窃听的雾无线接入网络，在用户任务可部分卸载且只卸载到雾节点的场景下，以最小化延时为目的优化了用户任务卸载比例、发射预编码矩阵和雾节点计算资源分配策略。本文通过DC规划和WMMSE算法将提出的优化问题从非凸近似转换成了凸问题，并在连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)算法下进行了求解。仿真结果证明了算法的收敛性以及得出的分配策略的有效性。

目录

缩略词表(Abbrevaitions and Acronyms)

变量表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题主要工作与创新

（1）面向大规模连接的雾无线接入网的接入控制优化

（2）面向极低时延的雾无线接入网通信-计算资源联合优化

（3）从物理层角度保证用户计算任务的安全卸载

1.5 本论文的结构安排

第二章 雾无线接入网络相关理论及优化理论介绍

2.1 引言

2.2 云无线接入网络

2.3 雾无线接入网络

2.4 用户计算任务卸载

2.5 相关优化理论介绍

2.5.1 DC规划介绍

2.5.2 BCD算法介绍

2.5.3 WMMSE算法介绍

2.5.4 SCA算法介绍

2.6本章小结

第三章 雾节点硬工作模式下的通信与计算资源联合优化

3.1.1 相关研究背景

3.1.2系统模型介绍

3.2 基于DC-WMMSE的近似求解算法

3.2.1 问题 (3-6) 的连续化转换

3.2.2 应用DC-WMMSE法进行问题转换

3.3 仿真结果与分析

3.4 本章小结

第四章 雾节点软工作模式下的通信与计算资源联合优化

4.1相关研究背景及系统模型

4.1.1 相关研究背景

4.1.2系统模型

4.2 块坐标下降法

4.2.1 问题近似与转换

4.2.2 基于BCD算法的求解

4.3 仿真结果与分析

4.4本章小结

第五章 雾无线接入网中安全计算卸载的资源优化

5.1 引言

5.2系统模型与问题建模

5.2.1 系统模型

5.2.2 问题建模

5.3 连续凸逼近算法

5.3.1 问题近似与转换

5.3.2 基于SCA算法的求解

5.4 仿真结果与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果