异构网络环境下无线资源管理关键技术研究

摘要

无线通信技术的迅猛发展，构成了多无线接入的异构网络环境，未来无线通信系统的重要发展趋势将是异构、融合与协同，它将集成和管理多种异构无线接入网络，为多模终端提供泛在的异构无线接入环境，充分满足用户在不同应用场景下日益增长的业务需求。无线网络资源管理技术是提升系统性能、保证用户服务质量（Quality of Service，QoS）、提升用户体验质量(Quality of Experience，QoE)的关键技术。本文紧紧围绕异构无线网络环境下无线资源管理主题开展工作，侧重研究了在异构融合网络中用户的接入选择、功率分配以及多业务类型的联合资源优化算法，并对异构网络系统的能效进行了分析和建模，以期达到提升无线异构融合系统的通信性能，充分利用系统资源的目的。
　　针对无线异构融合环境下的用户接入选择问题，首先从衡量网络性能的客观属性出发，提出了基于属性正交化的接入选择算法。算法根据无线网络剩余带宽、阻塞率、接入信号强度、逗留时间等属性构建判决矩阵，通过规范化和正交化的处理方式得到对网络实际性能衡量的属性测度矩阵。再构建合理的属性权重优化函数，并采用混沌萤火虫算法对属性权重优化函数进行求解得到合理的权重值分配方案，最终为用户选择最佳网络进行接入。仿真结果证明了接入算法能够有效的提升网络负载均衡程度，降低用户丢包率。
　　对于异构网络中用户体验和绿色节能的问题。首先从异构融合网络联合接入选择和功率分配机制入手，研究一种基于多目标优化的联合接入选择和功率分配算法，算法以系统能耗最低和用户平均体验质量最大化构建多目标优化模型，通过差分进化算法得到联合分配模型的最优解集，并结合TOPSIS的方法从最优解集中得到折中的联合分配方案。其次，考虑用户承载业务的差异性，研究基于业务差异性的联合资源分配优化算法，该算法从用户承载业务的差异性入手，研究建立基于承载业务特性的用户体验质量模型，并结合系统能效，提出用户维度下用户体验感知能效最大化的优化模型，并通过混沌遗传算法实现对优化模型的求解，从而实现无线用户有效的接入和异构网络的功率分配。仿真结果表明，该类算法能够有效的降低系统能耗，提升系统能效，并能够有效提升用户的服务体验。
　　针对异构无线网络用户服务的公平性问题，首先结合用户能效和用户体验质量构建单位能耗下用户体验模型(QEE)，并结合所提模型的特性，研究用户在传输过程中理论上QEE的最大值。通过优化用户实际传输过程中的QEE与理想QEE的贴近度总和最大化，从而实现在保证用户服务公平下的异构网络的功率分配。其次，考虑用户所承载业务的重要度，提出区分业务重要度的比例公平优化算法，该算法从业务对网络运行的影响程度入手，利用运筹学理论计算各个业务的重要度，并结合比例公平模型，提出区分重要度的比例公平模型，进而通过对模型的优化实现用户的最优接入和最优功率分配方案。该类算法通过公平性指标、后10％用户的服务体验以及劣质体验用户体验质量比重等方面对用户的公平性进行了分析，仿真结果表明，该类算法能够有效的提升用户的公平性。此外，还能有效区分承载不同重要等级业务用户的服务体验。
　　研究分布式架构的异构网络环境下的功率分配问题，提出了基于博弈理论的功率分配算法。首先分析在宏微蜂窝频率复用的条件下，宏微蜂窝之间的干扰特性和用户服务需求。并保证宏蜂窝用户服务质量需求的前提下，将微蜂窝用户传输功率分配过程建立为微蜂窝用户非合作博弈的过程，从而通过迭代的方式得到最优的功率分配方案。其次，结合混合供能技术，从可靠性、经济性和环保性的角度建立用户效用模型，并结合主从博弈理论，提出基于主从博弈的功率分配算法。算法将宏蜂窝用户和微蜂窝用户分别建立为领导者和跟随者，通过分布式迭代算法达到主从博弈的均衡点，从而实现在混合供能异构网络框架下用户功率的分配。仿真结果表明算法能够达到博弈的均衡，提升各个博弈参与者的效用。此外还能有效的提升系统性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 异构网络研究背景

1．1．2 异构网络资源管理研究的挑战及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 异构网络用户接入选择算法的研究

1．2．2 异构网络功率分配算法的研究

1．2．3 异构网络节能研究

1．2．4 用户体验质量研究现状

1．3 论文主要工作及创新点

2．1 引言

2．2 网络模型

2．3 算法描述

2．3．1 属性关联测度

2．3．2 属性归一化

2．3．3 用户接入选择策略

2．3．4 复杂度分析

2．4 仿真结果分析

2．4．1 收敛性分析

2．4．2 阻塞率分析

2．4．3 负载均衡程度分析

2．4．4 切换率分析

2．5 本章小结

第3章 基于能效及用户体验质量的资源分配优化

3．1 引言

3．2 基于用户体验质量和网络能耗的联合优化算法

3．2．1 系统模型

3．2．2 多目标接入选择及功率分配联合优化策略

3．2．3 仿真分析

3．3 基于业务差异性的联合优化算法

3．3．1 系统模型及差异化用户体验模型

3．3．2 基于业务差异性的联合资源优化

3．3．3 仿真分析

3．4 本章小结

第4章 基于用户公平的资源分配优化算法

4．1 引言

4．2 基于理想QEE的功率分配算法

4．2．1 系统模型及用户体验质量模型

4．2．2 理想QEE

4．2．3 问题描述

4．2．4 基于理想QEE的功率分配算法

4．2．5 仿真分析

4．3 基于用户重要度的联合功率和接入选择算法

4．3．1 系统模型及用户重要度

4．3．2 基于业务重要度的比例公平模型

4．3．3 接入选择和功率分配联合优化

4．3．4 仿真分析

4．4 本章小结

第5章 基于非合作博弈的功率分配机制

5．1 引言

5．2 系统模型

5．3 基于非合作博弈的功率分配机制

5．3．1 问题描述

5．3．2 纳什均衡的存在性和唯一性

5．3．3 功率分配算法

5．4 仿真分析

5．4．1 收敛性分析

5．4．2 容量分析

5．4．3 能效分析

5．5 本章小结

第6章 面向混合供能的异构网络博弈功率分配算法

6．1 引言

6．2 混合供能无线网络系统模型

6．2．1 异构系统模型

6．2．2 可再生能源供能模型

6．3 基于Stackelberg博弈双能量流分配算法

6．3．1 Stackelberg博弈模型的建立

6．3．2 用户侧博弈

6．3．3 网络侧博弈

6．4 仿真分析

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介