新一代通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾協(xié)調(diào)與時延限制.pdf

1、隨著基于IP（Internet Protocol）的下一代無線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的容量及基站之間連接的骨干網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)調(diào)度和路由面臨新的挑戰(zhàn)。隨著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的嚴(yán)密關(guān)注，在4G（4th generation）無線網(wǎng)絡(luò)中對無線物理層進行了一系列的資源整合以提高資源利用率，如OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)，基站協(xié)作多點技術(shù)(CoMP，coordinated m

2、ulti-point)，CA（carrieraggregation）等。通過資源整合可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量，增強小區(qū)邊緣覆蓋，但與此同時也給干擾管理帶來了一系列新的重要挑戰(zhàn)。因此，下一代無線網(wǎng)絡(luò)里干擾協(xié)調(diào)技術(shù)呈現(xiàn)出新的內(nèi)容，如基站多點協(xié)作中的基站協(xié)作簇形成及用戶調(diào)度，基于OFDMA的基站發(fā)送功率分配等。另一方面，急劇增加的移動IP業(yè)務(wù)，尤其是5G（5th generation）無線網(wǎng)絡(luò)物理層提出采用 mmwave，massive-MIM

3、O（massive multiple-input multiple-output），超密集小區(qū)等方案進一步支持比4G高1000倍以上的無線數(shù)據(jù)速率后，從提升資源利用率和系統(tǒng)能效的角度出發(fā)，如何在各種“大規(guī)?！辟Y源消耗之間進行折衷、并在基站之間實現(xiàn)具有時延受限功能的業(yè)務(wù)調(diào)度，路由及無線發(fā)送是下一代無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的另一個挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文結(jié)合下一代無線網(wǎng)絡(luò)中的基站多點協(xié)作等資源整合技術(shù)，首先研究其干擾情況并提出切實可行的干擾協(xié)調(diào)方案。

4、接著，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)物理層的實際傳輸能力，從系統(tǒng)能效的角度進一步提出了IP業(yè)務(wù)包在無線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)調(diào)度及路由算法，所提算法具有能夠綁定數(shù)據(jù)流最大傳輸時延（worst-case delay）的特點。
　　從無線網(wǎng)絡(luò)干擾管理的角度，我們提出了一套分布式基站多點協(xié)作簇的自適應(yīng)動態(tài)形成機制，對無線通信環(huán)境的動態(tài)變化具有很強的自適應(yīng)能力。同時，分布式的決策機制簡單且具有可擴展性。得到基站簇和用戶調(diào)度結(jié)果后，我們在小區(qū)內(nèi)所有正交頻帶上執(zhí)行經(jīng)典的

5、WF（water-filling）功率分配算法得到基站在各頻帶上的功率分配策略空間。接著，我們采用納什非合作功率博弈方法對基站協(xié)作簇中的功率分配進行建模。通過納什博弈理論，我們證明了所提博弈模型具有唯一納什均衡點（NE，Nash Equilibrium），并給出了尋找唯一NE點的搜索算法。性能仿真表明，所提出的基站協(xié)作方案能大大提高系統(tǒng)容量，且其分布式的設(shè)計既簡單又具有可擴展性，因此具有很強的工程可實現(xiàn)性。
　　盡管啟發(fā)式算法具有

6、很高的工程價值，但從理論研究角度，實現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化的傳輸調(diào)度及功率分配聯(lián)合最優(yōu)解對評估啟發(fā)式算法性能具有重要意義。然而該優(yōu)化問題是一個混合型優(yōu)化問題，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中幾乎都是采用用戶調(diào)度-功率分配的兩步式啟發(fā)式求解。本文先提出了一種新穎的PFM機制(power-fractionizing mechanism)將離散變量的傳輸調(diào)度與連續(xù)變量的功率分配優(yōu)化問題統(tǒng)一到SP（signomial programming）優(yōu)化模型中?；趲缀我?guī)劃優(yōu)化

7、方法（GP，geometric programming）給出了這類聯(lián)合優(yōu)化問題的局部最優(yōu)解，并且從GP算法的經(jīng)驗上，該局部最優(yōu)解往往就是全局最優(yōu)解。性能仿真結(jié)果也驗證了最優(yōu)化算法比啟發(fā)式算法具有性能上的優(yōu)越性與性能表現(xiàn)的穩(wěn)定性。
　　在物理層資源整合的基礎(chǔ)上，如何在下一代無線網(wǎng)絡(luò)、尤其是5G中各種“大規(guī)模”資源消耗之間，以及有線路由與無線傳輸?shù)臅r延之間進行高能效的折衷是新一代無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的另一個挑戰(zhàn)。考慮到下一代無線網(wǎng)絡(luò)，尤其是

8、5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)急劇增加的IP業(yè)務(wù)量，我們在基站間采用大容量WDM（wavelength division multiplexing）有線光交換，通過在網(wǎng)絡(luò)端點配置多個可調(diào)諧激光發(fā)射器（tunable lasers）實現(xiàn)基站同時發(fā)送多組IP業(yè)務(wù)包至不同小區(qū)。根據(jù)下一代無線網(wǎng)絡(luò)“大規(guī)模，多參數(shù)化”的特點，針對網(wǎng)絡(luò)能效，本文提出了“無線—有線—無線”一體化的系統(tǒng)能效聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)。定義網(wǎng)絡(luò)最大允許時延為受限時延，則我們通過受限時延在有線和無線之間的

9、分配以及有線與無線資源消耗之間的折衷兩個方面提出了具有時延限制功能的高能效業(yè)務(wù)調(diào)度，路由及無線發(fā)送一體化算法。所提算法能根據(jù)系統(tǒng)時延界限，在聯(lián)合優(yōu)化無線及有線參數(shù)的同時提升一體化網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)能效。通過仿真，我們驗證了所提算法的有效性。
　　我們基于納什非合作博弈論，幾何規(guī)劃，凸優(yōu)化等方法，針對不同網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)及場景提供了有效的解決方案。同時，所提算法均符合下一代無線網(wǎng)絡(luò)框架，也同樣適用于其他無線網(wǎng)絡(luò)的干擾管理和時延受限下的高能效傳輸