蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的用戶公平性保障技術(shù)研究.pdf

1、隨著人類無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，蜂窩通信系統(tǒng)相繼經(jīng)歷了從第一代到第四代的演進(jìn)，歷史證明蜂窩網(wǎng)絡(luò)始終都扮演著為人們提供隨時(shí)隨地?zé)o線通信服務(wù)的最重要角色。目前業(yè)界針對(duì)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究也已拉開(kāi)序幕。無(wú)線通信的5W目標(biāo)要求所有人都可以進(jìn)行所需要的通信，因此我們必須要保障蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的公平性，以使得所有用戶都受到公平的待遇。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，這種待遇包括用戶的吞吐量、時(shí)延、阻塞率等性能。
　　全網(wǎng)用戶的公平性包含兩層含義，即小區(qū)內(nèi)用戶的

2、公平和小區(qū)間用戶的公平，其中小區(qū)間用戶的不公平問(wèn)題通常是指由網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的不均勻分布引起的熱點(diǎn)小區(qū)阻塞率過(guò)高以及吞吐量性能降低等問(wèn)題，而小區(qū)內(nèi)用戶不公平通常由不合理的時(shí)隙和信道分配引起。此外，由于系統(tǒng)效率和用戶公平之間此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，用戶公平性保障也需要兼顧系統(tǒng)效率。因此，如何通過(guò)高效的負(fù)載均衡技術(shù)提升小區(qū)間用戶公平性，如何設(shè)計(jì)小區(qū)內(nèi)資源分配機(jī)制保障小區(qū)內(nèi)用戶公平，以及如何聯(lián)合兩者高效地折中系統(tǒng)效率和用戶公平是蜂窩網(wǎng)絡(luò)公平性保障的關(guān)鍵問(wèn)題

3、。本文將圍繞小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間用戶公平性保障問(wèn)題展開(kāi)研究：首先以宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡問(wèn)題為切入點(diǎn)來(lái)保障小區(qū)間用戶公平，繼而基于α公平和Jain指標(biāo)保障了小區(qū)內(nèi)用戶公平，最后在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)多資源的聯(lián)合調(diào)度從小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)兩個(gè)維度研究了用戶公平性保障問(wèn)題。具體內(nèi)容如下：
　　1、傳統(tǒng)的基于小區(qū)選擇的負(fù)載均衡技術(shù)僅考慮兩小區(qū)協(xié)作，這會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)小區(qū)阻塞率過(guò)高，從而引起小區(qū)間用戶不公平的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，提出了基于小區(qū)協(xié)作鏈的多小區(qū)協(xié)作負(fù)

4、載均衡方法，該方法盡可能充分利用網(wǎng)絡(luò)中的空閑資源，從而提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，降低了熱點(diǎn)小區(qū)及系統(tǒng)的阻塞率。為了降低協(xié)作開(kāi)銷，我們考慮了最小級(jí)數(shù)小區(qū)協(xié)作鏈選擇問(wèn)題，并將其建模為圖論中的最短路徑問(wèn)題，從而基于BF算法提出了有效的負(fù)載均衡算法。此外，還證明了所提算法可以獲得最低的系統(tǒng)阻塞率，并利用多維馬氏鏈分析了系統(tǒng)阻塞率的下界。仿真結(jié)果表明基于小區(qū)協(xié)作鏈的負(fù)載均衡方法可以明顯降低熱點(diǎn)小區(qū)以及系統(tǒng)的阻塞率，改善網(wǎng)絡(luò)用戶的公平性。
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5、、針對(duì)具有一定公平性要求的效率公平折中問(wèn)題，在單小區(qū)慢衰落信道場(chǎng)景下從Jain指標(biāo)的角度詳細(xì)研究了α公平對(duì)效率和公平的折中。通過(guò)求解α公平對(duì)應(yīng)的α效用最大化問(wèn)題，得到了系統(tǒng)效率和Jain指標(biāo)的表達(dá)式，進(jìn)而得出Jain指標(biāo)隨α增加單調(diào)遞增而系統(tǒng)效率隨α增加單調(diào)遞減的結(jié)論。根據(jù)這些結(jié)論，繼而設(shè)計(jì)了快速收斂算法來(lái)選擇α以獲得系統(tǒng)所需要的效率或Jain指標(biāo)。此外，還在基于軟頻率復(fù)用的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)和小區(qū)內(nèi)調(diào)度優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)用戶的

6、α公平。
　　3、針對(duì)具有短期和長(zhǎng)期公平性需求的效率公平折中問(wèn)題，在單小區(qū)下行OFDMA場(chǎng)景下研究了時(shí)隙和子信道分配問(wèn)題，其以短期和長(zhǎng)期Jain指標(biāo)為約束，以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)。由于該問(wèn)題是離散的NP難問(wèn)題，采用了松弛、優(yōu)化、取整的方法，并從理論上證明了該問(wèn)題的松弛取整具有較小的誤差。此外，還深入探討了短期和長(zhǎng)期公平之間的關(guān)系，指出短期公平不一定能保證長(zhǎng)期公平，它是否成立取決于公平性的定義以及從短期性能參數(shù)獲得長(zhǎng)期性能參數(shù)所使

7、用的平均方法。
　　4、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中由基站覆蓋范圍不同引發(fā)的負(fù)載不均衡現(xiàn)象和宏基站對(duì)小基站所服務(wù)的用戶產(chǎn)生較大干擾的現(xiàn)象導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶的不公平問(wèn)題，因此我們聯(lián)合優(yōu)化了用戶關(guān)聯(lián)、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、功率控制以及小區(qū)內(nèi)資源分配以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)用戶的比例公平，其中小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)通過(guò)間歇性靜默宏基站來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為資源分割。由于所建立問(wèn)題是多維變量組合非凸優(yōu)化，提出了基于坐標(biāo)輪換法的迭代算法，其中在每一次迭代中首先聯(lián)合優(yōu)化資源分割、用戶關(guān)聯(lián)及小區(qū)