高效無線網絡中面向服務質量保障的資源優(yōu)化策略研究.pdf

1、近幾十年來，無線通信的各方面技術飛速發(fā)展。先進的信道編碼、多天線、功率分配、接入協(xié)議、路由協(xié)議等技術的發(fā)展使得無線通信網絡的速率和質量不斷得到提高。然而在無線通信網絡飛速發(fā)展的同時，人們對于業(yè)務的速率與質量的要求也不斷提升，從對傳輸速率要求較低的文本和圖片傳輸業(yè)務（如電子郵件收發(fā)、文字聊天、網頁瀏覽等）到對傳輸速率和服務質量要求很高的業(yè)務（如視頻電話、流媒體視頻下載、在線點播等）。另一方面，為了減少無線通信網絡能耗進而提高網絡的效率以及

2、減少環(huán)境污染，需要開發(fā)具有高功率效率的無線通信網絡。為了滿足高頻譜效率、高功率效率的需求，近幾年來誕生了一些高效的無線通信網絡架構，如全雙工網絡(Full-Duplex Networks)、虛擬多天線網絡(Virtual Multiple-Input Multiple-Output Networks)、終端直通網(Device-to-Device Networks)、飛蜂窩網絡(Femtocell Networks)、無線節(jié)能網絡(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，如何在這些高效的無線通信網絡中保障業(yè)務的服務質量需求仍然未得到較好解決。由于不同的無線業(yè)務對服務質量的要求不同，如何保障無線網絡的服務質量是一個極具挑戰(zhàn)的問題。無線信道特有的衰落特性是制約信道容量及服務質量的主要原因。由于信道的參數是隨著時間、頻率、空間不斷變化的，因此，在實際的無線通信系統(tǒng)中無法確定性的

4、保障服務質量，但統(tǒng)計意義下的服務質量保障被廣泛的用來描述服務質量，其中最重要的一個衡量標準就是時延服務質量保障。
　　資源優(yōu)化是提高無線通信網絡頻譜和功率效率并保障時延服務質量的一種有效途徑。根據業(yè)務時延服務質量需求的不同進而合理的分配功率、時隙、頻帶寬度等無線資源，可以在保障時延服務質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質量保障的無線全雙工網絡、終端直通網絡、虛擬多天線網絡和無線節(jié)能網絡為主要研究對象，較為系統(tǒng)

5、地研究了在保障時延服務質量的前提下，如何在這四種高效網絡中利用動態(tài)資源分配策略最大化頻譜效率和/或功率效率。本論文的主要創(chuàng)新點包括：
　　1.研究了無線全雙工網絡中的面向服務質量保障資源分配機制。在認識到任何一個無線全雙工網絡都是由若干無線全雙工雙向鏈路和無線全雙工單向鏈路組成的基礎上，分別提出了適用于無線全雙工雙向鏈路和無線全雙工單向鏈路的面向服務質量保障最優(yōu)功率分配方案，為無線全雙工網絡面向服務質量保障機制提供了一個嶄新的視角

6、。具體如下：
　　1）針對無線全雙工雙向鏈路。通過分析自干擾與本地發(fā)射功率相關與否，本文建立了兩種無線全雙工雙向鏈路模型–自干擾與本地發(fā)射功率相關模型和自干擾與本地發(fā)射功率不相關模型。分別在這兩種模型下，通過將信息論理論與統(tǒng)計服務質量保障機制相結合，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制可以有效地滿足無線全雙工雙向鏈路對各種時延服務質量的需求。與在無線雙向鏈路上使用面向服務質量保障的半雙工傳輸相比，面向服務

7、質量保障的全雙工傳輸可以獲得更大的有效容量。
　　2）針對無線全雙工單向鏈路。通過引入自干擾消除系數來刻畫全雙工節(jié)點的干擾抑制/消除性能，在此基礎上，研究了適用于無線全雙工單向鏈路的服務質量保障機制，提出了針對無線全雙工單向鏈路的面向服務質量保障最優(yōu)功率分配方案，從而最大化無線全雙工單向鏈路的有效容量。在認識到單向鏈路可為中繼鏈路的基礎上，本文也將無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行了對比。本文提出的最優(yōu)資源分配機制可以滿足無線全雙工網絡中不同時延服務質量的需求。此外，即使自干擾被完全消除，無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.研究了面向服務質量保障的終端直通（Device-to-Device，D2D）網絡。通過在兩個相鄰的移動設備之

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絡的吞吐量，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絡的吞吐量，但卻未考慮通信中的時延服務質量保障。為了克服該問題，本文分別針對以下兩種D2D通信模式提出了面向服務質量保障的最優(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頻資源；2）正交信道模式，該模型中時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、窩通信混合網絡中使用這兩種面向服務質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延服務質量要求約束條件下網絡的最大有效容量。提出的面向服務質量保障的功率分配方案可適用于各種時延服務質量需求不同的網絡場景。
　　3.研究了面向服務質量保障的虛擬多輸入多輸出（Virtual Multiple-Input Multiple-Output，V-MIMO）網絡。通過促使多個移動用戶在相同的子信道上同時發(fā)送信號，虛擬

11、多輸入多輸出（V-MIMO）技術可以獲得類似于多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術的頻譜效率。傳統(tǒng)的V-MIMO網絡以最大化分組移動用戶的吞吐量為目標，但忽略了服務質量保障。針對這一問題，本文分別研究了基于用戶非協(xié)作和用戶協(xié)作的無線V-MIMO網絡面向服務質量保障機制，提出了面向服務質量保障的協(xié)作V-MIMO和非協(xié)作V-MIMO最優(yōu)功率分配方案，從而最大化無線V-MIMO網絡的有效容

12、量。對于基于用戶非協(xié)作的V-MIMO傳輸，同一組的移動用戶經過相同的子信道獨立地發(fā)送信號，但在現(xiàn)有的移動用戶來看，他們自己單獨地占有信道。因此，為獲得最大的有效容量，現(xiàn)有的移動用戶使用保障服務質量的單用戶功率分配方案。通過將非協(xié)作V-MIMO傳輸最優(yōu)化問題轉化為嚴格的凸優(yōu)化問題并求解，得到了保障服務質量的最優(yōu)功率分配方案，該方案對于新增加的用戶而言可以獲得最大的有效容量；對于基于協(xié)作的V-MIMO傳輸，同一分組的移動用戶可以協(xié)作發(fā)送信號

13、，本文提出了保障服務質量的協(xié)作功率分配方案，該方案同時適用于現(xiàn)有用戶和新增加的用戶。本文提出的面向服務質量保障的非協(xié)作/協(xié)作V-MIMO功率分配方案可以獲得比不考慮服務質量需求的功率分配方案大的有效容量，如果分組用戶中使用協(xié)作方案，無線網絡V-MIMO的有效容量可進一步增加。
　　4.研究了無線節(jié)能網絡中面向服務質量保障的頻譜和功率效率聯(lián)合優(yōu)化問題。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)計服務質量需求下支持無線網絡中的實時業(yè)務。本文推導了在統(tǒng)計服務質量保障機制下有效頻譜效率和有效功率效率的關系?；谶@一關系，得到了互利(Mutual Beneficial，MB)區(qū)域和競爭(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