綠色無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)的相互制約機(jī)理研究.pdf

1、爆炸式的移動(dòng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)和“萬(wàn)物互聯(lián)”的接入需求給無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。然而，隨之相伴的能耗與溫室氣體排放量也在以驚人的速度增長(zhǎng)。一方面，能耗已構(gòu)成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)展的最大障礙。另一方面，受限的電池能量和極其有限的電池續(xù)航能力是用戶極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)的致命桎梏。作為應(yīng)對(duì)之策，高能效通信已是不二選擇。為此，綠色通信的理念一經(jīng)提出，便贏得學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的青睞，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的綠色演進(jìn)已是必然趨勢(shì)。綠色通信以資源節(jié)約型、環(huán)境友好型為目標(biāo)

2、，擬采用全新的功放、靈活的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、高能效的資源管理、智能的網(wǎng)絡(luò)控制以及新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等技術(shù)手段，從設(shè)備級(jí)、鏈路級(jí)到網(wǎng)絡(luò)級(jí)來(lái)降低通信網(wǎng)絡(luò)或者用戶的能耗、提升通信過(guò)程的能效。研究表明，能效的提升往往會(huì)導(dǎo)致譜效、吞吐量、時(shí)延和公平性等性能指標(biāo)的惡化。因此，大量研宄致力于探索能效、譜效、吞吐量、時(shí)延和公平性等性能指標(biāo)的內(nèi)在制約機(jī)理，揭示他們之間的相互耦合及制約關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的按需調(diào)控算法，以對(duì)協(xié)議架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、資源管理和網(wǎng)絡(luò)控制等方面提

3、供定性或者定量的理論指導(dǎo)，以期網(wǎng)絡(luò)或者鏈路工作在合理的制約點(diǎn)上。不同指標(biāo)間的制約機(jī)理研宄構(gòu)成了綠色通信研宄中的一系列關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，本文致力于解決其中的三個(gè)典型代表，即能效與譜效間的制約機(jī)理、能效與時(shí)延間的制約機(jī)理以及能效與公平性間的制約機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴定量揭示了能效-時(shí)延間的制約機(jī)理。我們以正交無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為研宄場(chǎng)景，采用隨機(jī)優(yōu)化理論，提出了一個(gè)用于探索能效-時(shí)延間的制約關(guān)系的基本理論分析模型。該模型在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性（用

4、于刻畫時(shí)延)、平均傳輸功率和峰值傳輸功率約束下最大化系統(tǒng)能效。然后，利用分式規(guī)劃理論和李雅普諾夫優(yōu)化技術(shù)，我們提出了一種通用且高效的算法來(lái)求解提出的理論模型。其次，理論分析表明：設(shè)計(jì)的模型與算法能夠靈活的調(diào)控能效與時(shí)延間的折衷。進(jìn)一步，我們導(dǎo)出能效-時(shí)延服從[O(1/V),0(V)]的定量制約，其中V是用于定量調(diào)節(jié)能效-時(shí)延性能的控制參數(shù)。最后，我們用仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，并展示了設(shè)計(jì)算法對(duì)隨機(jī)業(yè)務(wù)到達(dá)和時(shí)變無(wú)線信道的自適應(yīng)性。⑵

5、定量揭示了具有能效保障的網(wǎng)絡(luò)吞吐量-時(shí)延間的制約機(jī)理。為了探宄網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定情況下的極限吞吐量，我們采用first-out和first-in兩種接納控制機(jī)制，將待研宄的問(wèn)題建模為兩個(gè)隨機(jī)優(yōu)化模型。在能效需求（RoE，Requirement of EE)、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性（用于刻畫時(shí)延)、接納控制和傳輸功率的約束下，其分別最大化吞吐量(在first-out機(jī)制中）和最小化丟包率（在first-in機(jī)制中）。我們?cè)O(shè)計(jì)出了具有能效保障的吞吐量-時(shí)延折衷

6、算法來(lái)求解上述模型，并從理論上證明：在滿足RoE下，提出的算法不但可使吞吐量在犧牲時(shí)延的情況下任意逼近理論最優(yōu)，而且能按需調(diào)控吞吐量-時(shí)延性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性并展示了兩種方案各自的利弊。⑶定性揭示了能效-公平性間的制約機(jī)理。以正交頻分多址￡OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access)系統(tǒng)為研宄場(chǎng)景，我們研宄了最大-最小能效最優(yōu)化問(wèn)題，以保證鏈路之間的能效公平性

7、。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，在基本速率需求、傳輸功率、子載波分配的約束下，我們最大化最差鏈路的能效。由于該問(wèn)題的非光滑、非凸和混合組合特性，我們致力于次優(yōu)但低復(fù)雜度的算法設(shè)計(jì)。利用廣義分式規(guī)劃和拉格朗日對(duì)偶分解理論，我們首先提出一種高效的迭代算法。為了進(jìn)一步降低計(jì)算開(kāi)銷，我們將功率分配和子載波分配去耦合來(lái)設(shè)計(jì)算法。首先均分功率來(lái)確定子載波分配方案，然后利用所產(chǎn)生的功率分配問(wèn)題的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了快速且最優(yōu)的功率分配算法，其至多需要求解兩個(gè)更為簡(jiǎn)單