无线宽带移动网络中基于内容/频谱感知的资源管理研究

摘要

无线宽带移动网络中指数增长的数据流量给无线资源的使用带来了极大的挑战。为了应对这一挑战，本文主要从基于内容感知的资源分配策略和基于频谱感知的资源分配策略两方面研究无线宽带移动网络下的接入控制和资源调度问题。
　　首先，研究基于时频资源转换的接入控制策略。提出一种带有用户信息反馈机制、并由用户行为驱动的时频资源转换机制，通过建立数学模型得到了可兼顾人工频谱空洞制造效率和用户体验（Quality of experience，QoE）风险保证的时频资源转换策略，并据此为LTE类型网络设计了符合该策略的接入控制方案——“双门限保护信道策略”。另外，建立了一个详细的分析框架来获得所提新技术对LTE类型网络小区会话层性能的影响。通过利用多维马尔可夫模型将原问题从一个混合的连续与离散时间共存的马尔可夫过程近似转化为连续时间马尔可夫过程，从而得到各状态的稳态概率，并推导出新连接阻塞概率、切换连接掉话概率和恢复连接掉话概率等关键参数的解析表达式。仿真表明，在给定切换连接掉话概率的约束条件下，所提出的时频资源转换方案可以有效降低网络拥塞情况下的新连接阻塞率以及提高网络可同时容纳的最大用户个数，并且能将用户QoE风险（用恢复连接掉话概率衡量）控制在一个较低的数量级。
　　在第一个工作的基础上，进一步研究在LTE蜂窝网络中采用时频资源转换后的资源调度问题。针对请求式数据服务，分别给出了不采取时频资源转换和采取时频资源转换两个场景下，以最大化系统总收益为目标，综合考虑各请求的调度时间、数据量大小以及各信道的实时信道容量的最佳资源调度模型。因为最佳资源调度模型需要利用未来的信道及业务信息，所以从实际应用的角度，我们还设计了仅利用当前的信道及业务信息的资源调度模型，并给出了一种低时间复杂度的启发式算法。仿真表明，所提出的启发式算法在与现有的两种常用的算法相比，能有效提高系统收益，降低请求的未完成率，且在采取时频资源转换后，每种算法的性能都比不采取时频资源转换条件下的性能有所提升，这也进一步验证了时频资源转换方案的有效性。
　　最后，研究认知无线网路中基于动态信道分配的准入控制策略。针对当前研究认知无线电网络资源分配时普遍采用的、相对保守的信道预留方案，提出了一种新的结合动态信道分配的时隙化接入控制方案，通过建立基于四维离散时间马尔可夫链的分析框架分析了所提接入控制方案在改善次用户性能方面的影响。特别地，设计了一种基于中间变量的分析方法来分析该多维马尔科夫链的状态转移。仿真表明，该方案不仅可以降低新到次用户阻塞概率和切换次用户掉话概率，还可以提高整个系统的频谱利用率和改善各个次用户队列的数据包等待时延。