異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中用戶分配和資源分配研究.pdf

1、近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，移動用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，從2008年開始，移動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量以每年超過100％的速度增長。一方面，隨著智能手持設(shè)備的發(fā)展，接入無線網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)越來越大;另一方面，隨著多媒體服務(wù)的發(fā)展，移動用戶對數(shù)據(jù)速率的需求越來越高。因此，提高無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)容量，滿足用戶日益增長的帶寬需求，成為移動通信發(fā)展的迫切需求。而受帶寬限制，傳統(tǒng)大覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)已不能滿足持續(xù)增長的帶寬需求。一種可行的解決方案就

2、是增加蜂窩基站密度，在熱點(diǎn)區(qū)域布置一些小覆蓋的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，增加帶寬復(fù)用率來提高整個網(wǎng)絡(luò)的容量。另外一種可行的解決方案是布置一些其它類型的無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，如無線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)，來提高整個服務(wù)區(qū)域的吞吐量。這兩種解決方案都意味著，多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合起來提供無線接入已經(jīng)成為一種重要趨勢。
　　不同類型的網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)特性，如覆蓋面積，網(wǎng)絡(luò)容量，服務(wù)保障能力等。而不同的接入終端可能有不同的特性，如業(yè)務(wù)、接入能力、信道狀態(tài)和移動速度等。研

3、究表明，通過將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性與用戶特性聯(lián)合起來，通過合理的資源分配與管理，可以提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和用戶的服務(wù)質(zhì)量。因此，不同特性的用戶在不同特性的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)上的分配及其資源分配是一個值得研究的問題。圍繞這一核心問題，本文從三個方面展開研究工作:
　　1)針對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中具有不同接收信號質(zhì)量用戶的分配，研究基于用戶物理鏈路速率的分段接入控制方案和對偶門限調(diào)度方案。針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)融合場景，考慮物理鏈路速率自適應(yīng)，由于

4、用戶信道條件差異，不同的用戶在不同的網(wǎng)絡(luò)中有不同的物理鏈路傳輸速率。一方面，當(dāng)新用戶到達(dá)時，通過接入控制，在各個網(wǎng)絡(luò)中，針對不同物理鏈路速率的用戶，設(shè)置不同的接入用戶數(shù)上限，以實(shí)現(xiàn)用戶的合理分配。另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布出現(xiàn)不均衡時，通過對偶門限來觸發(fā)調(diào)度，并給不同物理鏈路速率的用戶以不同的調(diào)度優(yōu)先級，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的用戶分配。以最大化全網(wǎng)吞吐量為目標(biāo)，以服務(wù)質(zhì)量保障為限制條件，對用戶移動性、業(yè)務(wù)到達(dá)和系統(tǒng)服務(wù)過程進(jìn)行建模，通過應(yīng)用排隊(duì)論和

5、矩函數(shù)分析法等工具，獲得最優(yōu)的接入域和對偶門限。結(jié)果證明，在非熱點(diǎn)區(qū)域負(fù)載量較輕時，基于用戶物理鏈路質(zhì)量的用戶分配策略能夠顯著提高全網(wǎng)吞吐量。
　　2)針對不同移動速度用戶在存在頻率復(fù)用的宏基站和微基站上的分配問題，研究基于用戶移動速度的用戶接入控制方案，并聯(lián)合帶寬預(yù)留和帶寬分配策略進(jìn)行決策。考慮不同網(wǎng)絡(luò)間存在頻率復(fù)用的場景，由于接入點(diǎn)的發(fā)射功率差異，不同網(wǎng)絡(luò)有不同的覆蓋范圍。移動速度高的用戶在微蜂窩中的駐留時間短。如果將微蜂窩中

6、高移速用戶全部接入微蜂窩，會帶來大量的切換，極大地浪費(fèi)系統(tǒng)開銷和損害服務(wù)質(zhì)量;如果將微蜂窩中的高移速用戶全部接入宏蜂窩，需要較大的帶寬預(yù)留，降低帶寬復(fù)用率。因此，本文首先考慮聯(lián)合接入控制和帶寬預(yù)留，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量和切換速率的折中為目標(biāo)，對不同移速類型的用戶設(shè)置不同的接入概率和帶寬預(yù)留量。其次，本文進(jìn)一步聯(lián)合接入控制和帶寬分配，考慮不同的業(yè)務(wù)類型，以最小化加權(quán)切換速率為目標(biāo)，對具有不同業(yè)務(wù)和移速類型的用戶分配不同的接入概率和帶寬。通過隨機(jī)

7、幾何建模異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)了切換速率表達(dá)式，通過凸優(yōu)化分析，給出了最優(yōu)接入概率、帶寬預(yù)留量和帶寬分配的求解方法。仿真結(jié)果表明，最優(yōu)的方式是:將一部分微蜂窩中的高移速用戶接入宏基站來獲得較大的駐留時間，而通過在微基站上進(jìn)行合理的帶寬預(yù)留和帶寬分配來接納剩余的高移速用戶，并為其分配較大的帶寬來減小服務(wù)時間。
　　3)針對從時間維度上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的用戶或者業(yè)務(wù)負(fù)載分配的問題，研究基于未來網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)的用戶或業(yè)務(wù)負(fù)載分配策略。在對用戶或業(yè)務(wù)進(jìn)

8、行分配時，僅考慮當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)或者網(wǎng)絡(luò)效益，并不能實(shí)現(xiàn)時間維度上的最優(yōu)分配。從時間維度上看，用戶或者業(yè)務(wù)的分配，不僅需要考慮當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，還需要考慮未來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以及當(dāng)前的決策對未來網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)或決策的影響。因此，首先，本文提出一種基于未來網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)預(yù)測的負(fù)載調(diào)度方案，以最小化網(wǎng)絡(luò)容量加權(quán)的網(wǎng)絡(luò)空載持續(xù)時間為目標(biāo)，通過給出兩階段迭代法來預(yù)測未來調(diào)度間隙內(nèi)各個網(wǎng)絡(luò)的空載持續(xù)時間，并通過凸優(yōu)化分析，給出梯度下降法求解各個重疊區(qū)域的最優(yōu)調(diào)度