面向5G的无线资源管理技术研究

发布时间：2020-03-23 09:06

【摘要】：近年来,移动通信技术不断发展。尽管无线资源管理存在已久,但它作为移动通信领域的重要组成部分之一,同样需要适应新的技术与发展需要。尤其是当前正处于由第四代移动通信系统(The 4th Generation,4G)向第五代移动通信系统(The 5th Generation,5G)转变的时期,更加新颖的技术不断涌现,更多的通信场景不断被细化,传统的无线资源管理方式在面对这些新技术与场景时已难以全面适应。如多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统有朝着大规模MIMO发展的趋势,无线资源管理中的用户分组与调度需要考虑随之而来的影响;而无线网络虚拟化技术的引入,则需要无线资源管理考虑切片与调度问题,使系统能够满足不同的虚拟网络(Virtual Network,VN)各自的需求;另外,随着超密集网络(Ultra-Dense Network,UDN)等场景的兴起,异构网中对于减少小区间干扰的需求进一步增长,小区间的干扰协调问题值得进一步考虑。在这一背景下,本文对面向5G的无线资源管理技术进行了研究,旨在使无线资源管理适应新的发展需求,能够与新的技术场景相结合,始终保持较强的有效性与活力。本文的主要研究内容如下:(1)针对大规模MIMO这一场景,重点研究了多用户MIMO系统中的用户分组与调度技术。对于单天线用户场景,首先研究了用户分组组数对于系统性能的影响,并提出了用户分组数目可以动态调节的分组与调度方案。该方案主要分为用户分组与组数调节两部分,前者完成具体的用户分组调度,而后者则能够根据组内用户的性能表现来动态调节分组数目,仿真结果表明相比于固定组数等分组方案,所提方法有效提升了系统的稳定性,减少了其因组数及组内用户数目变化带来的性能损失。另外,单天线用户场景中普遍使用了基于相关性系数的用户选择算法,原则是将相关性大的用户分到不同组以降低性能损失。然而,这些算法并未给出相关性系数与性能损失的准确关系式。基于这一问题,本文推导出了单天线用户场景中的用户信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio,SINR)损失与用户间相关性的准确关系式,并基于此关系式提出了大规模MIMO系统中更合理的基于相关性系数的用户选择算法,有效降低了组内用户因相关性导致的平均性能损失。除此之外,本文还对多天线用户场景展开了研究,在该场景中,基于弦距离的用户选择算法普遍被认为是有着较好性能与最低复杂度的用户选择方案。本文基于相关性系数与矩阵运算,提出了更有效的用户选择方法,相比于之前复杂度最低的弦距离用户选择法,所提方案具有更高的吞吐量与更低的复杂度,对进一步降低大规模MIMO中用户选择算法的运行时间具有重要意义。(2)针对无线网络虚拟化中的无线资源管理,提出了无线接入网络侧的动态切片与用户调度方案。该方案可划分为两个主要部分:资源分配部分以及资源调整部分。资源分配部分用于在给定了资源数目的前提下对VN内的用户进行具体的调度,不同VN内的用户可以使用不同的调度算法;而在资源调整部分,系统将根据每个VN的需求和网络内用户的性能表现来对网络内部的资源占用情况进行调整,以实现更好的性能。该方案提供了新的无线网络的切片思路,并细化了切片后的具体调度方法,实现了较好的隔离性。仿真结果表明,在用户数目变化的情况下,所提方案仍然能够良好地满足不同虚拟网络内的用户需求。(3)随着小小区数目的增多,小区间干扰协调(Inter-Cell Interference Coordination,ICIC)愈发成为一个重点问题。针对异构网场景,本论文提出了集中式的宏小区静默方案,旨在减少小区间的跨层干扰。所提方案在子信道的层面上对宏基站进行静默,改善了小小区内用户的性能,同时兼顾了跨层与同层用户间的吞吐量与公平性。在方案中,通过集中式的方式,宏基站将综合考虑自身及各小小区内用户的公平性、吞吐量等因素,在每一个子信道上判断是否需要静默。在完成判断的同时,系统也对该子信道上宏基站及小小区各自需要调度的用户进行了确定。通过本方案,异构网络中的基站能够更加有效地利用时频资源,使小区间的干扰影响进一步降低。仿真结果表明,所提方案有效地提升了系统内用户的吞吐量与公平性。
【图文】：

频谱,核心

可以理解成是现有无线技术的演进和新型革命性设计的结合体［７＞。５Ｇ系统的设逡逑计方法不再是面向单一准则的系统，而是朝着多准则系统进行演进，结合多种技逡逑术场景并进行针对性优化成为了邋５Ｇ的发展趋势。如图１－１所示，５Ｇ的主要核心逡逑点可以归纳为：逡逑＾５逦回传链路逡逑ａ？邋１逦Ｈ邋｜能量效率逡逑，，：新频谱逡逑小小区４：：＝＝＝．频谱共享逡逑演进无线、＇邋＇弋、：．无线接入逡逑接入技术逦＿ｊ网虚拟化逡逑图１－］邋５Ｇ主要核心点ｍ逡逑５Ｇ不仅核心点众多，这些核心点各自又涉及多种关键技术，因而５Ｇ相比逡逑于４Ｇ是一个更加庞大的系统。近年来，国际上早已陆续展开了对５Ｇ的研究，逡逑如欧盟成立了邋ＭＥＴＩＳ（邋Ｍｏｂｉｌｅ邋ａｎｄ邋ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ邋Ｅｎａｂｌｅｒｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｔｗｅｎｔｙ－逡逑ｔｗｅｎｔｙ邋Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋Ｓｏｃｉｅｔｙ）和邋５Ｇ邋ＰＰＰ（５Ｇ邋Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｐｕｂｌｉｃ邋Ｐｒｉｖａｔｅ邋Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ）逡逑等项目，阿尔卡特朗讯、爱立信和诺基亚也分别提出了各自的５Ｇ愿景；韩国则逡逑主要通过韩国电子通信研宄所以及当地的移动通信制造商（三星、ＬＧ等）来推逡逑动５Ｇ的发展；与韩国类似，日本同样是通过学界与企业相结合的方式来进行研逡逑宄，其中的主要推动力是ＮＴＴ邋ＤｏＣｏＭｏ公司；在中国方面，我国专门成立了邋ＩＭＴ－逡逑２０２０邋（５Ｇ）推进组和ＦｕＴＵＲＥ论坛等来对５Ｇ进行研宄，国内运营商与企业（如逡逑华为、中兴、大唐等）也相继展开了研宄合作。目前

无线资源管理,功能划分

可用的无线资源是无线资源管理实施的基础［１５］。尽管上述不同的目标、技逡逑术等组合起来多种多样，但无线资源管理最终的表现形式并非千变万化，可以根逡逑据其功能作用进行归纳。目前，无线资源管理从功能角度来看可分为如图１－３所逡逑示的各模块［１６］：逡逑无线资源管理逡逑，邋＾邋＾逡逑Ｉ逦Ｉ逦！逦ｉ逦：逡逑ｉ无线承载控制邋无线接入控制逦用户调度：链路自适应逦功率分配逡逑切换逦干扰管理逦负载均衡逦逦逡逑－逦逦逦逦逦？．．．：邋逦逦逦逦邋逦逦逦逦逡逑图１－３无线资源管理的功能划分逡逑在这些模块中，用户调度模块是无线资源管理的核心模块，它与用户是否被逡逑服务以及如何服务等直接相关，是无线资源为用户服务的最直接体现。而链路自逡逑适应、功率分配、干扰管理、负载均衡等模块则为更好地服务用户提供支撑。用逡逑户调度模块可再细分为上行用户调度与下行用户调度，分别完成上行与下行共享逡逑信道的资源分配［１５］。在调度模块中，基础的调度算法有三种，分别是轮询算法、逡逑最大速率算法和比例公平算法，这三种算法分别侧重于公平性、速率及二者的权逡逑衡。应当注意到这三种算法仅描述了同一资源块上单一用户的调度方法，当同一逡逑资源块上服务多个用户时（如ＭＩＭＯ系统）
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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