異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境下多用戶調(diào)度算法的研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線移動用戶數(shù)目急劇增長，它們對高速數(shù)據(jù)傳輸及多種通信業(yè)務(wù)并存的需求也與日俱增，這些需求同無線資源的稀缺性構(gòu)成矛盾。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)被普遍認(rèn)為是能夠有效緩解這一矛盾的重要手段。然而，如何在復(fù)雜多變的通信環(huán)境中通過對多網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的用戶進(jìn)行合理的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)用戶間干擾的抑制與消除、支持盡量多的用戶通信、保證多種業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）等，仍是未來無線通信領(lǐng)域的一個亟待解

2、決的重點(diǎn)問題。本學(xué)位論文深入研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場景下多用戶調(diào)度算法，主要包括:多用戶多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)下行通信調(diào)度算法、蜂窩網(wǎng)絡(luò)下設(shè)備到設(shè)備(Device toDevice，D2D)通信接入控制和調(diào)度算法、頻譜共享多跳網(wǎng)絡(luò)速率控制和調(diào)度算法等。
　　論文的主要成果如下:
　　1.建立了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場景下多用戶調(diào)度的總體模型，包括系統(tǒng)模型、信源模型、隊列動力學(xué)模

3、型和時延-QoS需求模型，從而給出了時延約束下多用戶調(diào)度的一般優(yōu)化問題。該優(yōu)化問題以系統(tǒng)長時平均吞吐量最大化為目標(biāo)，約束于各用戶最大允許長時平均時延限制，是一個隨機(jī)優(yōu)化問題。介紹了求解該隨機(jī)優(yōu)化問題的兩種常用方法，即基于大偏差理論和基于Lyapunov優(yōu)化理論的方法，并闡釋了這兩種方法在算法性能、計算復(fù)雜度以及實(shí)現(xiàn)手段方面的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合所述長時平均時延約束下的長時平均吞吐量最大化問題，分別求解了基于這兩種方法的一般解形式，并給出了相應(yīng)的

4、設(shè)計實(shí)現(xiàn)方法。
　　2.針對多用戶MIMO下行通信系統(tǒng)，提出了一種時延約束下的低復(fù)雜度多用戶調(diào)度算法。該算法采用大偏差理論中的有效帶寬和有效容量的概念，從統(tǒng)計意義上來描述隨機(jī)業(yè)務(wù)流的到達(dá)過程和服務(wù)過程。根據(jù)大偏差理論，各用戶的最大允許長時平均時延約束可以被轉(zhuǎn)化等價的瞬時最小數(shù)據(jù)傳輸速率約束，所得等價速率約束下的加權(quán)和速率最大化(Weighted Sum Rate Maximization，WSRMax)問題只與系統(tǒng)各時隙的信道狀態(tài)

5、信息相關(guān)。為進(jìn)一步降低計算復(fù)雜度，給出了一種基于遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)的低復(fù)雜度多用戶調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法。理論分析和仿真結(jié)果表明，基于GA的多用戶調(diào)度算法可以在獲得較好近似解的前提下，大大降低求解的計算復(fù)雜度。
　　3.針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信系統(tǒng)，研究了時延約束下的接入控制和調(diào)度問題，以期提高系統(tǒng)吞吐量效用函數(shù)值、保證算法時變環(huán)境的魯棒性、滿足各業(yè)務(wù)流的時延-QoS需求。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的多用戶分集增益，

6、引入動態(tài)網(wǎng)絡(luò)接入，即各數(shù)據(jù)源可以在各調(diào)度時隙動態(tài)地選擇接入蜂窩網(wǎng)或D2D網(wǎng)絡(luò)。在分析了長時平均時延約束與所需優(yōu)化調(diào)度參數(shù)內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，給出它們之間的對偶關(guān)系，并提出了基于大偏差理論和基于Lyapunov優(yōu)化理論的兩種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)接入選擇、信道-功率分配算法。從所提算法可以看出，無論是使用大偏差理論還是Lyapunov優(yōu)化理論，所述時延約束下的多用戶調(diào)度問題均可等價地轉(zhuǎn)化為最小數(shù)據(jù)傳輸速率約束下的WSRMax問題。仿真結(jié)果表明，Lyapu

7、nov優(yōu)化理論下控制參數(shù)V取值的選擇需要在不同系統(tǒng)性能指標(biāo)之間折衷;此外，基于大偏差理論的算法在數(shù)據(jù)包平均到達(dá)率較低時有著較好的性能，而隨著數(shù)據(jù)包平均到達(dá)率的增加，基于Lyapunov優(yōu)化理論的算法的性能惡化則較為平緩。
　　4.針對頻譜共享多跳無線網(wǎng)絡(luò)，研究了以最大化系統(tǒng)的吞吐量效用函數(shù)值為目標(biāo)的速率控制和調(diào)度全局優(yōu)化問題。為方便該調(diào)度問題的描述，引入基于梯度的調(diào)度法則求解各時隙的最優(yōu)流速率、分配帶寬和功率。由于該聯(lián)合速率控制和

8、調(diào)度問題的非凸性，使用凸優(yōu)化理論求解該問題并不能保證獲得問題的全局最優(yōu)解。然而，考察優(yōu)化問題的單調(diào)性并利用單調(diào)性優(yōu)化方法，卻可以繞開問題的非凸性，從而有效地求解全局最優(yōu)解。本章在此基礎(chǔ)上展示如何將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成單調(diào)性優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)形式的基礎(chǔ)上，利用一種新的基于單調(diào)性的分支定界法，提出一種全局最優(yōu)速率控制和調(diào)度(Global Optimal Rate Control and Scheduling，G-RCS)算法，從而可以有效地求解其全局最優(yōu)