無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入控制和資源分配機(jī)制研究.pdf

1、近年來，隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，智能手機(jī)等終端設(shè)備的數(shù)目呈現(xiàn)出爆炸式的增長。與此同時，多媒體應(yīng)用大量涌現(xiàn)，用戶對各類業(yè)務(wù)、服務(wù)等的需求也在不斷攀升。這些現(xiàn)象對現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗。為了應(yīng)對快速增長的流量，支持多種多樣業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求，移動運(yùn)營商們在已有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署多類型基站，并引入無線局域網(wǎng)(WirelessLocal Area Network，WLAN)來提升系統(tǒng)性能

2、。這種由多類型基站和多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被稱為無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
　　在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶接入控制和資源分配是保證用戶業(yè)務(wù)的QoS需求和提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的升級，傳統(tǒng)的用戶接入控制和資源分配機(jī)制也需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，以適應(yīng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比于僅由宏基站組成的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來許多新的挑戰(zhàn)，包括干擾更加嚴(yán)重、負(fù)載分布不均勻、上下行覆蓋不對稱、上下行業(yè)務(wù)量不對稱、接入網(wǎng)絡(luò)類型多樣化等。此外，由于多樣性業(yè)

3、務(wù)的不斷出現(xiàn)，用戶通常具有差異化的QoS需求。如何在無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過高效可靠的用戶接入控制和資源分配機(jī)制，保證用戶的QoS需求以及提升系統(tǒng)性能，是一個值得深入研究的問題。因此，本文針對無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的兩類典型場景:異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)，對用戶接入控制和資源分配機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1)研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中支持多樣性業(yè)務(wù)類型的資源分配問題，為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了動態(tài)TDD(Time

4、 Division Duplex，TDD)傳輸協(xié)議，并結(jié)合該傳輸協(xié)議設(shè)計出保證用戶業(yè)務(wù)流服務(wù)質(zhì)量的資源分配方案。
　　用戶業(yè)務(wù)的多樣性體現(xiàn)在差異化的QoS需求上。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，不均勻的負(fù)載分布和多樣性業(yè)務(wù)會帶來小區(qū)內(nèi)流量需求的上、下行不對稱性。這種不對稱性在熱點(diǎn)區(qū)域部署的小小區(qū)中表現(xiàn)的尤為明顯。動態(tài)TDD模式可以應(yīng)對這種上、下行流量需求的不對稱性，但是無法解決對多樣性業(yè)務(wù)的支持，且?guī)淼母弊饔檬菄?yán)重的宏微基站之間的跨鏈路干擾問

5、題。為了緩解這種跨鏈路干擾，保證多樣性業(yè)務(wù)的QoS需求，并提高資源利用率，本文將跨鏈路干擾緩解機(jī)制和多樣性業(yè)務(wù)流的資源分配方案的設(shè)計有效結(jié)合在一起。首先，本文為TDD異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出一種新的傳輸協(xié)議作為干擾緩解機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，引入效用函數(shù)來表征用戶業(yè)務(wù)的差異化QoS需求，并將用戶業(yè)務(wù)流的資源分配問題建模成網(wǎng)絡(luò)效用最大化問題?；趦?yōu)化理論，利用兩層分解方法對該問題進(jìn)行求解，并設(shè)計了多項式復(fù)雜度的求解算法。仿真驗證了相比于已有研究，所提

6、出的結(jié)合跨鏈路干擾緩解的資源分配方案，不僅提升了上、下行盡力服務(wù)業(yè)務(wù)流的平均吞吐量，而且可以有效降低soft QoS業(yè)務(wù)流的中斷概率。
　　2)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入控制問題，提出用戶上行蜂窩優(yōu)先接入機(jī)制，并得出基于WLAN可行狀態(tài)集合的業(yè)務(wù)流接入條件。
　　為了應(yīng)對移動通信流量的增長，移動運(yùn)營商通過部署WLAN來卸載蜂窩網(wǎng)的流量。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN構(gòu)成了蜂窩-WLAN異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。在WLAN中，WLAN接入

7、點(diǎn)(Access Point，AP)和用戶設(shè)備通過競爭方式訪問信道，且在競爭信道的優(yōu)先級上沒有差別。由于固有上、下行競爭信道的不對稱性，WLAN中主要的競爭來源于上行流的數(shù)據(jù)傳輸。隨著蜂窩網(wǎng)中的上行流量不斷被卸載到WLAN中，競爭越激烈，這將顯著降低WLAN的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。為了保證各類業(yè)務(wù)的吞吐量需求，并降低WLAN中的競爭和沖突，本文設(shè)計出一種最大化WLAN信道利用率和系統(tǒng)吞吐量的接入控制策略，即用戶上行蜂窩優(yōu)先接入策略。本

8、文利用排隊理論對WLAN中數(shù)據(jù)幀傳輸進(jìn)行建模，推導(dǎo)出在給定WLAN狀態(tài)下各類業(yè)務(wù)流的平均吞吐量，以及WLAN的可行狀態(tài)集合。進(jìn)一步的，基于WLAN可行狀態(tài)集合，得出各類業(yè)務(wù)流接入條件。最后，通過仿真實驗，驗證了理論分析的精確性;此外，相比于WLAN優(yōu)先接入機(jī)制，所提機(jī)制在不影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)下行吞吐量的前提下，可以提升WLAN的信道利用率，以及融合網(wǎng)絡(luò)整體下行吞吐量。
　　3)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中吞吐量和功耗感知的接入控制問題，

9、提出了基于勢博弈模型的用戶接入控制機(jī)制。
　　在蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中，影響用戶體驗的不僅有其可達(dá)吞吐量，還有其功率消耗等。從系統(tǒng)角度考慮，WLAN將上行流量遷移到蜂窩網(wǎng)中可以獲得最大化的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。但是從用戶角度考慮，上行流量的遷移將帶來功耗的提升。因此在此場景下，系統(tǒng)吞吐量和用戶功耗之間存在折中關(guān)系。如果在對用戶上行數(shù)據(jù)流進(jìn)行遷移時，忽略用戶功耗，將會對用戶的體驗造成影響?；谏鲜鍪聦崳疚脑谠O(shè)計用戶上行接入控制