基于云架构的无线通信资源管理研究

发布时间：2020-08-06 17:14

【摘要】：随着智能手机、平板电脑等智能移动终端的普及,以及视频业务等多媒体业务的广泛应用,移动网络中的接入终端数目和移动数据流量都呈现指数式增长。传统的4G网络架构已经无法满足未来5G密集业务的需求,为了解决这一问题,需要提出一种更加灵活的无线接入网络架构。云无线接入网络架构作为一种新型的无线接入网络架构,采用云计算和虚拟化等先进技术将信息的处理功能从基站侧迁移至基带单元池,同时利用前传链路将基带单元池与结构更加简单的无线射频单元相连接,从而使得云无线接入网络架构具有分布式部署与集中式处理的特点,能够有效提升移动通信系统的频谱效率和能量效率。尽管云无线接入网络架构具有许多不可忽视的优势,但是仍然存在数据传输时延较大,前传链路容量有限等不足。为了解决这些问题,在云无线接入网络架构的基础上通过将一部分计算资源由云端迁移至网络边缘,提出了雾无线接入网络架构。“云—雾”无线接入网络架构凭借着灵活的组网方式以及高效的资源利用率,为满足5G密集业务需求提供了一种可行的解决方案。“云—雾”无线接入网络架构的目标是提高系统频谱效率、降低能耗以及保证业务时延。针对提高系统频谱效率方面,目前的研究已经提出了许多行之有效的解决方案。本文主要研究“云—雾”无线接入网络架构中的降低能耗和保证业务时延的性能目标。针对降低能耗方面,第二章考虑移动网络具有潮汐效应,该特性会导致业务需求的动态变化,利用该特性提出一种更加灵活的资源分配策略,以实现降低能耗的目标。针对保证业务时延方面,第三章考虑云无线接入网络架构具有信息处理与传输分离的特性,该特性使得业务端到端的时延包括基带单元池处理时延和无线传输时延两部分,考虑该特性提出一种在满足业务端到端时延要求下的系统平均吞吐效用最大的联合无线与计算资源分配策略。以上两章均是在传统蜂窝小区内进行资源管理研究,在高速移动场景中,由于车辆的运动方向确定,运动速度已知,因此车辆的运动轨迹具有可预测性,这些特性可以为资源分配提供便利,同时车辆的高速移动特性使得该场景具有信道状态时变的特点,这又给资源分配带来了一定的难度。在高速移动场景下针对保证业务时延方面,第四章考虑高速铁路场景具有列车运动轨迹可预测的特性,该特性使得可预测的路径损耗信息能够准确替代信道状态信息,从而实现问题的简化,利用该特性提出混合功率分配算法以实现高速铁路云无线接入网络容量与能量效率的均衡。第五章考虑车联网场景具有信道状态时变的特性,该特性会对资源分配策略产生影响,考虑该特性提出一种联合无线与计算资源分配策略以提高雾无线接入网络的系统效用。论文的创新性工作主要包括以下几个方面:1)针对传统蜂窝小区中降低能耗的目标,考虑移动网络潮汐效应所导致的业务需求动态变化,研究在保证用户服务质量和系统覆盖率约束下,通过联合超密集小区管理与波束成形设计,使得异构云无线接入网络能量消耗最小化问题。该问题被建模为混合整数非线性规划问题,利用波束成形向量的稀疏特性以及范数近似的方法对问题进行简化,提出一种迭代算法得到问题的一个下界,同时提出一种启发式算法。经由理论推导和仿真结果表明,提出的算法能够有效降低系统能耗。2)针对传统蜂窝小区中保证业务时延的目标,考虑云无线接入网络具有信息处理与传输分离的特性,该特性使得业务端到端的时延由基带单元池处理时延和无线传输时延共同决定,研究在保证用户端到端时延约束下,通过联合无线与计算资源分配,使得云无线接入网络平均吞吐效用最大化问题。该问题被建模为随机网络优化问题,利用李雅普诺夫随机优化理论将原问题分解为四个子问题,通过求解这四个子问题,继而提出联合接入控制与资源分配算法。理论推导和仿真结果表明,提出的算法复杂度较低,能够实现云无线接入网络平均吞吐效用与队列积压的均衡。3)针对高速铁路场景中保证业务时延的目标,考虑高速铁路场景具有列车运动轨迹可预测的特性,利用可预测的路径损耗信息替代信道状态信息可以实现问题的简化,研究在保证业务端到端时延要求下,通过功率分配,实现能量效率与容量均衡的问题。该研究点构建两个问题,首先构建高速铁路云无线接入网络仅承载旅客信息业务时,在保证业务传输时延约束下的能量效率最大化问题。其次构建高速铁路云无线接入网络既承载旅客信息业务又承载列车控制信息时,在保证业务传输时延和能量效率约束下的系统容量最大化问题。针对以上两个问题,分别提出相应的混合功率分配算法,同时分析小尺度衰落对系统的影响。基于铁路路径实测数据的仿真结果验证了所提出功率分配算法的有效性。4)针对车联网场景中保证业务时延的目标,考虑车联网场景具有信道状态时变的特性,该特性会对资源分配策略产生影响,研究在车联网雾无线接入网络中满足任务时延要求下,通过联合无线与计算资源分配,使得系统效用最大化问题。该问题被建模为非凸优化问题,为求解该问题,首先利用固定的频谱效率替代时变的频谱效率,并采用基于线性化的分支定界算法求解固定频谱效率问题。由于该算法的复杂度较高,因此提出低复杂度的就近取整算法。然后利用固定频谱效率问题所求得的资源分配策略,提出启发式算法对原问题进行求解,并分析小尺度衰落对资源分配策略的影响。仿真结果表明,提出的两种算法能有效提升系统效用。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

第一季度,数据业务,宽带用户,移动数据

爱立信预计，到２０２３年底全球移动用户数目将达到８９亿，移动宽带用户数目逡逑将达到８３亿。在移动用户数目快速增长的同时，移动数据流量也呈现爆炸式逡逑增长，如图１．１所示。截至２０１８年第一季度，全球移动数据流量达到了邋１５ＥＢ／月逡逑１逡逑

示意图,全集,架构,成本

图〗．２邋Ｃ－ＲＡＮ功能分解示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｐｌｉｔ邋ｏｆ邋Ｃ－ＲＡＮ逡逑图１．３为“全集中式”邋Ｃ－ＲＡＮ网络架构。在该种网络架构下，可以轻松实逡逑现ＲＲＨｓ协作信号处理与资源共享，并且可以支持多种操作标准，对于运营逡逑商来说更加便于网络的升级与扩容，从而减少无线网络的建设与运营成本。逡逑在“全集中式”邋Ｃ－ＲＡＮ网络架构下，由于ＲＲＨｓ只负责无线信号的接收与传输，逡逑信号的处理全部集中在ＢＢＵ池的云计算服务器中进行，因此“全集中式”邋Ｃ－逡逑ＲＡＮ的缺点是ＲＲＨｓ与ＢＢＵ之间需要高宽带来进行信息传输。图１．４为“部分集逡逑中式”邋Ｃ－ＲＡＮ网络架构。在该种网络架构下，由于ＲＲＨｓ具有基带处理能力，逡逑ＲＲＨｓ和ＢＢＵ池之间只需要传输解调数据，解调后的数据量仅相当于原始基带数逡逑据量的２％至５％。因此能够有效减少ＲＲＨｓ与ＢＢＵ池之间数据传输所需要的带宽。逡逑与“全集中式”邋Ｃ－ＲＡＮ相比，该架构的缺点在于，由于ＲＲＨｓ具有基带处理功能，逡逑因此“部分集中式”邋Ｃ－ＲＡＮ网络的灵活性较差且不利于信号的协作处理与资源共逡逑孕。逡逑根据以上分析

全集,架构,链路

图１．４部分集中式Ｃ－ＲＡＮ架构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｐａｒｔｉａｌｌｙ邋ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｃ－ＲＡＮ逡逑误时，并不会影响整个网络的功能，从而提高了系统的健壮性

【参考文献】