异构无线网络中的接纳控制与垂直切换研究

摘要

随着无线通信技术的快速发展，各种层出不穷的无线技术共同为用户提供泛在、异构的网络环境。为实现未来无线通信发展的最终目标，容纳急剧增加的移动通信用户，提供高质量的多媒体业务服务，不同类型相互重叠覆盖的各种无线网络就必然要融合到一起协同工作，形成一个统一的异构无线网络系统。无线资源管理技术的成功与否直接决定了系统性能，需要首先解决许多关键性的技术问题，本文重点研究了其中的接纳控制技术和垂直切换技术。
　　 异构无线网络在异构接入技术、重叠网络架构、多业务流量负载以及用户移动性等方面的特点给无线资源管理带来了新的机遇和挑战，传统的无线资源管理技术已经无法满足异构网络环境下的各种需求。利用重叠网络架构实现异构网络间的负载均衡一直是研究的热点问题。不同接入网络在业务能力和技术方面有很大区别，而终端用户业务类型多样化也是未来发展的一个趋势，如何根据各接入网络技术特点和网络状态接纳不同业务类型的用户，在保证其服务质量的同时最优化无线资源的利用也是一个极具挑战性的问题。此外，垂直切换技术与联合无线资源管理关系紧密，使用垂直切换技术优化无线资源管理，提高用户满意度、实现负载均衡并提高系统吞吐量也是研究者重点关注的问题。认知无线电通过支持多个空中接口和协议来提高频谱利用率，促进异构无线网络融合，而接纳控制技术是保证频谱资源最优化利用的关键实现技术。本文围绕这些有待解决的问题和关键技术，进行如下四个方面的研究：
　　 （1）基于异构无线网络的重叠网络架构，提出一种联合垂直切换的接纳控制机制。从运营商角度出发，将垂直切换作为一种无线资源管理工具来优化联合接纳控制机制。为保证切换用户的性能，将服务质量参数建模为链路效用函数，切换信令开销建模为代价函数，使用效用函数作为垂直切换的触发条件。在此基础上提出了联合垂直切换的接纳控制机制，并对平均网络收益和阻塞率等性能指标进行了建模分析。仿真比较了联合垂直切换的接纳控制机制与贪婪接纳控制机制和基于门限值接纳控制机制的性能，考虑了实时和非实时两种典型切换用户类型对接纳控制机制的影响，结果表明，联合垂直切换的接纳控制机制能够有效减轻网络拥塞，实现负载均衡，提高整个网络系统的收益。
　　 （2）基于异构无线网络的互补特性和用户业务类型多样化，对异构无线网络中区分业务类型的联合接纳控制机制进行研究。基于半马尔可夫决策过程理论，提出异构无线网络中区分业务类型的接纳控制理论模型，规定了不同类型业务的接纳控制行为并推导了系统状态转移概率。并进一步从用户角度对不同类型业务服务质量要求和网络状态之间关系进行分析，提出一种基于模糊逻辑的接纳效用评估方法，在保证各类业务接入和切换成功率的基础上，推导出接纳效用最大的最优接纳控制策略。仿真结果表明，基于模糊逻辑的接纳效用评估能够有效反映网络状态动态变化对接纳控制的影响，最优接纳控制策略在平均接纳效用方面明显优于不考虑业务区分的接纳控制机制，并且能严格保证各类业务的接入和切换成功率。
　　 （3）从用户的角度出发，提出一种基于效用的垂直切换机制为用户选择更好的接入网络以满足其服务质量要求，同时优化异构无线网络资源的使用。切换过程中的性能指标用收益函数表示，信令代价和连接的阻塞率用损失函数表示，切换过程中获得的净收益用利润函数表示。垂直切换触发规则和切换决策算法充分考虑不同类型业务的特性，并以获得最大利润作为决策依据。通过对实时和非实时两类业务进行仿真，其结果表明基于效用的垂直切换机制能够有效降低连接阻塞率和掉话率，减小切换次数，而且使用垂直切换技术可以有效提高系统吞吐量、实现异构网络间负载均衡。
　　 （4）在认知无线电网络中，当授权用户的频带未被使用时，认知用户将利用该频带进行通信，从而提高频带资源的利用率，缓解日益匮乏的频谱资源。为保证授权用户接入成功率的同时最大化接纳认知用户的网络收益，提出一种适用于认知无线电网络的最优接纳控制机制。该机制被建模为半马尔可夫决策过程，定义了授权用户和认知用户的状态空间和接纳控制行为空间，推导了系统状态转移概率和网络收益函数，最后采用线性规划算法求解最优的接纳控制策略，并证明了该算法的收敛性。仿真结果表明，相比于完全共享接纳控制机制和基于门限值的接纳控制机制，最优接纳控制机制能够极大提高认知用户网络收益，并能严格保证授权用户接入成功率。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文的主要贡献

1.3 本文的组织结构

1.4 本章参考文献

第2章 异构无线网络资源管理技术概述

2.1 引言

2.2 异构无线网络融合架构

2.3 无线网络资源管理

2.3.1 移动通信网络资源管理

2.3.2 异构无线网络资源管理

2.4 接纳控制

2.4.1 移动通信网络接纳控制

2.4.2 异构无线网络接纳控制

2.5 垂直切换

2.5.1 切换分类

2.5.2 切换阶段

2.5.3 切换算法

2.6 本章小结

2.7 本章参考文献

第3章 异构无线网络中联合垂直切换的接纳控制

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3 系统模型

3.4 联合垂直切换的接纳控制

3.4.1 切换效用分析

3.4.2 联合接纳控制

3.4.3 性能分析

3.5 仿真与分析

3.5.1 参数设置

3.5.2 仿真结果

3.6 本章小结

3.7 本章参考文献

第4章 异构无线网络中区分业务类型的联合接纳控制

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 网络模型及容量区域分析

4.3.1 WLAN容量区域分析

4.3.2 CDMA蜂窝网络容量区域分析

4.4 区分业务接纳控制模型

4.4.1 状态空间

4.4.2 决策时刻和接纳控制行为

4.4.3 状态转移概率

4.4.4 策略及性能标准

4.5 接纳效用评估及最优接纳控制策略

4.5.1 基于模糊逻辑的接纳效用评估

4.5.2 最优接纳控制策略

4.6 仿真与分析

4.6.1 参数设置

4.6.2 仿真结果

4.7 本章小结

4.8 本章参考文献

第5章 异构无线网络中基于垂直切换的优化资源管理

5.1 引言

5.2 相关工作

5.3 系统模型

5.3.1 状态空间集合

5.3.2 行动集合

5.3.3 切换效用分析

5.4 垂直切换决策

5.4.1 垂直切换触发规则

5.4.2 垂直切换决策算法

5.5 仿真与分析

5.5.1 参数设置

5.5.2 仿真结果

5.6 本章小结

5.7 本章参考文献

第6章 认知无线电网络中的最优接纳控制

6.1 引言

6.2 相关工作

6.3 系统模型

6.4 半马尔可夫决策过程模型

6.4.1 系统状态和状态空间

6.4.2 接纳行为和行为空间

6.4.3 决策时刻

6.4.4 状态转移概率

6.4.5 收益和代价函数

6.5 线性规划算法

6.6 仿真与分析

6.6.1 参数设置

6.6.2 仿真结果

6.7 本章小结

6.8 本章参考文献

结束语

缩略词

致 谢

个人简历及参加的科研工作

在攻博期间发表的文章