在大规模无线通信网络中的接入控制算法研究

摘要

随着现代无线通信网络的迅猛发展，用户终端不可避免地急剧增长，导致网络管理的优化问题会有越来越高的风险宣告无解，这是一个迫切需要解决的问题。也就是说，由于有限的发送能量预算和多个同时发送的信号而产生的干扰，整个通信网络并不能满足所有用户的服务质量（Quality of Service, QoS）要求，这可能会导致整个网络崩溃，故即使优化问题的无解只是几个用户造成的，也没有用户能够得到服务。显然，一个更为合理的策略是让网络以预设的服务质量标准服务尽量多的用户，而不是仅仅宣告问题无解。而用户接入控制则是对这类问题的一种解决方案，即网络只允许一部分用户接入，而拒绝剩余用户。实际上，在网络管理领域也已经有很多工作在着手处理用户接入控制的应用。 在充分阅读了大量相关参考文献后，笔者发现了两个值得探索却没有被探索的研究课题，且它们对实现绿色通信都是很有意义的。 其一，在已知参考文献中，大多用户接入控制问题都是基于能量功耗最小化的优化问题，而在大规模通信网络中，由于大量基站的存在，维护能量变得不可忽略不计，故总能量功耗不得不将其考虑进去。值得一提的是，基站激活技术可以缓解网络中设备维护能量过高的问题。它的主要思路为适当的选择一部分基站来为用户提供服务，而让剩下的基站处于非激活状态。如此，一些基站激活和波束成形方法的联合优化方案被实现出来以在维护能量功耗和发送能量功耗之间获取一个有效的平衡。和用户接入控制问题一样，基站激活问题几乎都是被单独考虑的，而本论文将用户接入控制技术引入到基站激活和波束成形的联合优化问题中，旨在实现总能量功耗最小。相比没有做用户接入控制的基站激活方法，其有两个明显的优点。第一点，引入用户接入控制技术可以帮助识别不可接入的用户，从而在拒绝掉这些用户以后让剩余的用户仍然能得到高质量服务。第二点，接入控制技术会选择那些可以用相对较少的能量就能轻易满足服务质量要求的用户，这样也能进一步提升能量效率，实现绿色通信。 其二，在笔者所知范围内，注意到已有的用户接入方案和本论文刚提出的联合优化方案，均是在给定服务质量限制下，以最小化总能量功耗或者以最大化用户数为目标的策略。除此以外，网络管理还有用户速率和最大化策略以及最小用户信干噪比最大化的公平性策略。实际上，基于用户速率和最大化的方案本身就可以实现筛选用户的功能，但是它不能保证所选用户间的公平性，而公平性策略则可以实现这一点，但是它不能自己筛选用户。故本论文将考虑公平性网络下的用户接入问题，使其能筛选出优质用户，并保证所选用户间的公平性。这个课题显然是有意义的，在公平性策略下，若不做用户接入控制，当用户数足够多时，所有用户都被允许接入网络，因为每个用户能够达到的信干噪比参差不齐，那么势必最终只能得到一个非常小的最大-最小信干噪比，这种结果几乎没有意义。所以，这种低能量效率的结果显然并不符合绿色通信的原则，这也是本文探索公平性网络中的用户接入控制问题的动机所在。 除此之外，因为本文提出的都是非确定性多项式（Non-deterministic Polynomial, NP）困难的问题，所以必须对这两个联合优化问题做一些有效的近似。基于这个目的，本文将首先将这两个问题分别近似成了一个凸稀疏问题和一个二阶锥规划（Second-Order Cone Programming, SOCP）问题，接着为它们各自设计了一个能有效求解的低复杂度算法。具体地，对于大规模无线通信网络来说，求解问题更倾向于以一种分布式的方法来实现。受此启发，本文最终将应用交替方向乘子算法（Alternating Direction Method of Multipliers, ADMM）框架并给出一个分布式的算法来迭代求解问题。而且，每步迭代中得到的都是闭式解，这可以进一步降低算法的复杂度。

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