高效無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向服務(wù)質(zhì)量保障的資源優(yōu)化策略研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，無(wú)線通信的各方面技術(shù)飛速發(fā)展。先進(jìn)的信道編碼、多天線、功率分配、接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的速率和質(zhì)量不斷得到提高。然而在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)于業(yè)務(wù)的速率與質(zhì)量的要求也不斷提升，從對(duì)傳輸速率要求較低的文本和圖片傳輸業(yè)務(wù)（如電子郵件收發(fā)、文字聊天、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等）到對(duì)傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求很高的業(yè)務(wù)（如視頻電話(huà)、流媒體視頻下載、在線點(diǎn)播等）。另一方面，為了減少無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的效率以及

2、減少環(huán)境污染，需要開(kāi)發(fā)具有高功率效率的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。為了滿(mǎn)足高頻譜效率、高功率效率的需求，近幾年來(lái)誕生了一些高效的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如全雙工網(wǎng)絡(luò)(Full-Duplex Networks)、虛擬多天線網(wǎng)絡(luò)(Virtual Multiple-Input Multiple-Output Networks)、終端直通網(wǎng)(Device-to-Device Networks)、飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Femtocell Networks)、無(wú)線節(jié)能網(wǎng)絡(luò)(Sp

3、ectrum and Energy Efficiency Networks)等。
　　然而，在提供高頻譜效率、高功率效率的同時(shí)，如何在這些高效的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求仍然未得到較好解決。由于不同的無(wú)線業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求不同，如何保障無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的問(wèn)題。無(wú)線信道特有的衰落特性是制約信道容量及服務(wù)質(zhì)量的主要原因。由于信道的參數(shù)是隨著時(shí)間、頻率、空間不斷變化的，因此，在實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)中無(wú)法確定性的

4、保障服務(wù)質(zhì)量，但統(tǒng)計(jì)意義下的服務(wù)質(zhì)量保障被廣泛的用來(lái)描述服務(wù)質(zhì)量，其中最重要的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)就是時(shí)延服務(wù)質(zhì)量保障。
　　資源優(yōu)化是提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)頻譜和功率效率并保障時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的一種有效途徑。根據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)延服務(wù)質(zhì)量需求的不同進(jìn)而合理的分配功率、時(shí)隙、頻帶寬度等無(wú)線資源，可以在保障時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的前提下最大化頻譜和/或功率效率。本文分別以面向服務(wù)質(zhì)量保障的無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)、終端直通網(wǎng)絡(luò)、虛擬多天線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線節(jié)能網(wǎng)絡(luò)為主要研究對(duì)象，較為系統(tǒng)

5、地研究了在保障時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的前提下，如何在這四種高效網(wǎng)絡(luò)中利用動(dòng)態(tài)資源分配策略最大化頻譜效率和/或功率效率。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1.研究了無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)中的面向服務(wù)質(zhì)量保障資源分配機(jī)制。在認(rèn)識(shí)到任何一個(gè)無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)都是由若干無(wú)線全雙工雙向鏈路和無(wú)線全雙工單向鏈路組成的基礎(chǔ)上，分別提出了適用于無(wú)線全雙工雙向鏈路和無(wú)線全雙工單向鏈路的面向服務(wù)質(zhì)量保障最優(yōu)功率分配方案，為無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)面向服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制提供了一個(gè)嶄新的視角

6、。具體如下：
　　1）針對(duì)無(wú)線全雙工雙向鏈路。通過(guò)分析自干擾與本地發(fā)射功率相關(guān)與否，本文建立了兩種無(wú)線全雙工雙向鏈路模型–自干擾與本地發(fā)射功率相關(guān)模型和自干擾與本地發(fā)射功率不相關(guān)模型。分別在這兩種模型下，通過(guò)將信息論理論與統(tǒng)計(jì)服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制相結(jié)合，提出了最大化鏈路有效容量的功率分配策略。本文提出的功率分配機(jī)制可以有效地滿(mǎn)足無(wú)線全雙工雙向鏈路對(duì)各種時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的需求。與在無(wú)線雙向鏈路上使用面向服務(wù)質(zhì)量保障的半雙工傳輸相比，面向服務(wù)

7、質(zhì)量保障的全雙工傳輸可以獲得更大的有效容量。
　　2）針對(duì)無(wú)線全雙工單向鏈路。通過(guò)引入自干擾消除系數(shù)來(lái)刻畫(huà)全雙工節(jié)點(diǎn)的干擾抑制/消除性能，在此基礎(chǔ)上，研究了適用于無(wú)線全雙工單向鏈路的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，提出了針對(duì)無(wú)線全雙工單向鏈路的面向服務(wù)質(zhì)量保障最優(yōu)功率分配方案，從而最大化無(wú)線全雙工單向鏈路的有效容量。在認(rèn)識(shí)到單向鏈路可為中繼鏈路的基礎(chǔ)上，本文也將無(wú)線全雙工單向鏈路的最優(yōu)功率分配方案得到的有效容量與無(wú)線半雙工中繼鏈路的最優(yōu)功率分配

8、方案得到的有效容量進(jìn)行了對(duì)比。本文提出的最優(yōu)資源分配機(jī)制可以滿(mǎn)足無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)中不同時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的需求。此外，即使自干擾被完全消除，無(wú)線全雙工單向鏈路可獲得的最大有效容量也不是半雙工中繼鏈路可獲得的最大有效容量的兩倍。相比于只使用全雙工或半雙工傳輸，使用無(wú)線全雙工和半雙工混合傳輸可以在單向鏈路中獲得更大的有效容量。
　　2.研究了面向服務(wù)質(zhì)量保障的終端直通（Device-to-Device，D2D）網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)在兩個(gè)相鄰的移動(dòng)設(shè)備之

9、間建立直傳鏈路，終端直通通信可以有效地增加終端直通通信與蜂窩通信混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，傳統(tǒng)的終端直通通信方案主要圍繞如何最大化終端直通通信與蜂窩通信混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，但卻未考慮通信中的時(shí)延服務(wù)質(zhì)量保障。為了克服該問(wèn)題，本文分別針對(duì)以下兩種D2D通信模式提出了面向服務(wù)質(zhì)量保障的最優(yōu)功率分配方案：1）共信道模式，該模型中終端直通通信和蜂窩通信共享相同的時(shí)頻資源；2）正交信道模式，該模型中時(shí)頻資源被劃分給終端直通通信和蜂窩通信。在終端直通通信與蜂

10、窩通信混合網(wǎng)絡(luò)中使用這兩種面向服務(wù)質(zhì)量保障的功率分配方案，可以分別得到共信道模式和正交信道模式下給定任意時(shí)延服務(wù)質(zhì)量要求約束條件下網(wǎng)絡(luò)的最大有效容量。提出的面向服務(wù)質(zhì)量保障的功率分配方案可適用于各種時(shí)延服務(wù)質(zhì)量需求不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。
　　3.研究了面向服務(wù)質(zhì)量保障的虛擬多輸入多輸出（Virtual Multiple-Input Multiple-Output，V-MIMO）網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)促使多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)在相同的子信道上同時(shí)發(fā)送信號(hào)，虛擬

11、多輸入多輸出（V-MIMO）技術(shù)可以獲得類(lèi)似于多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)的頻譜效率。傳統(tǒng)的V-MIMO網(wǎng)絡(luò)以最大化分組移動(dòng)用戶(hù)的吞吐量為目標(biāo)，但忽略了服務(wù)質(zhì)量保障。針對(duì)這一問(wèn)題，本文分別研究了基于用戶(hù)非協(xié)作和用戶(hù)協(xié)作的無(wú)線V-MIMO網(wǎng)絡(luò)面向服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，提出了面向服務(wù)質(zhì)量保障的協(xié)作V-MIMO和非協(xié)作V-MIMO最優(yōu)功率分配方案，從而最大化無(wú)線V-MIMO網(wǎng)絡(luò)的有效容

12、量。對(duì)于基于用戶(hù)非協(xié)作的V-MIMO傳輸，同一組的移動(dòng)用戶(hù)經(jīng)過(guò)相同的子信道獨(dú)立地發(fā)送信號(hào)，但在現(xiàn)有的移動(dòng)用戶(hù)來(lái)看，他們自己?jiǎn)为?dú)地占有信道。因此，為獲得最大的有效容量，現(xiàn)有的移動(dòng)用戶(hù)使用保障服務(wù)質(zhì)量的單用戶(hù)功率分配方案。通過(guò)將非協(xié)作V-MIMO傳輸最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格的凸優(yōu)化問(wèn)題并求解，得到了保障服務(wù)質(zhì)量的最優(yōu)功率分配方案，該方案對(duì)于新增加的用戶(hù)而言可以獲得最大的有效容量；對(duì)于基于協(xié)作的V-MIMO傳輸，同一分組的移動(dòng)用戶(hù)可以協(xié)作發(fā)送信號(hào)

13、，本文提出了保障服務(wù)質(zhì)量的協(xié)作功率分配方案，該方案同時(shí)適用于現(xiàn)有用戶(hù)和新增加的用戶(hù)。本文提出的面向服務(wù)質(zhì)量保障的非協(xié)作/協(xié)作V-MIMO功率分配方案可以獲得比不考慮服務(wù)質(zhì)量需求的功率分配方案大的有效容量，如果分組用戶(hù)中使用協(xié)作方案，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)V-MIMO的有效容量可進(jìn)一步增加。
　　4.研究了無(wú)線節(jié)能網(wǎng)絡(luò)中面向服務(wù)質(zhì)量保障的頻譜和功率效率聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。建立了聯(lián)合優(yōu)化有效頻譜效率(Effective Spectrum Efficien

14、cy，ESE)和有效功率效率(Effective Power Efficiency，EPE)的框架，從而在不同的統(tǒng)計(jì)服務(wù)質(zhì)量需求下支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。本文推導(dǎo)了在統(tǒng)計(jì)服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制下有效頻譜效率和有效功率效率的關(guān)系。基于這一關(guān)系，得到了互利(Mutual Beneficial，MB)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)(Contention Based，CB)區(qū)域。在互利區(qū)域，提出了一種利用平均發(fā)射功率控制來(lái)獲得有效頻譜效率和有效功率效率聯(lián)合優(yōu)化的新策略