面向5G异构网络的资源管理技术研究

发布时间：2020-08-19 15:50

【摘要】：随着无线通信网络的迅猛发展,设备数量和移动流量急剧增多,同时用户业务需求也朝着宽带化、多样化、个性化发展。在这样的背景下,5G异构网络应运而生。从业务应用角度来看,5G网络将满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的异构需求。从通信技术角度来看,诸如移动边缘缓存、频谱共享、设备间通信(device-device communication,D2D communication)、超密集组网技术的引入使得5G网络成为异构技术融合的网络。从网络频谱角度来看,5G网络也是授权、非授权等多种频谱共存的异构网络。而这些不同的业务需求、差异化技术和异构频谱的存在,为5G异构网络资源管理带来新机遇的同时,由于多种业务需求需要互相兼顾平衡,不同的技术、频谱间需要考虑协调和干扰等的影响,也为网络性能的提升和用户业务的保障造成了极大的挑战。因此,研究面向5G异构网络的资源管理技术就具有巨大的意义。论文的创新点和贡献可以分为以下几个部分:1.面向不同用户需求的资源管理问题。首先,在超密集网络中,针对同种信干噪比用户需求下谱效和能效间的均衡问题,提出了两阶段信道功率分配算法以实现超密集网络中簇头和分簇成员的不同性能目标。先基于小小区间的相互干扰完成小区分簇。与现有的分簇资源分配算法不同的是,考虑到簇头和成员的不同性能需求,以及它们相互间的非合作竞争关系,将资源分配问题建模为多领导多跟随者的Stackelberg博弈模型,分步完成网络中的信道分配和功率控制。通过仿真分析验证,两阶段信道功率分配算法在可接受范围内的吞吐量下降下,极大提升了系统能效。由于5G网络中存在多种的业务类型,其有着各自的差异化需求,因此兼顾保障不同的需求成为资源管理中的重要问题。基于这样的考虑,在D2D辅助蜂窝网络中,针对异构的统计性用户需求,提出了分层的需求保障功率分配算法。为了准确表示用户的需求差异,对具有延时容忍业务的蜂窝用户和具有延时敏感业务的D2D用户分别展开分析,利用有效容量和中断容量的概念建立用户能效模型。在此基础上,利用蜂窝用户和D2D用户之间的非合作关系,以及时变瑞利衰落信道的特点,提出了基于分层博弈的功率分配算法。与现有的研究成果相比,论文考虑在时变信道环境下不同的时延和中断需求对资源分配的影响。通过仿真结果可得,分层的需求保障算法在满足用户差异化需求的同时,显著提升了系统的能效。2.基于异构技术的资源分配问题。其次,异构网络中多种技术提升网络性能的同时,由于相互间的重叠交互,也为资源分配带来了极大的挑战。与现有成果不同的是,在D2D辅助的蜂窝网络中,针对移动边缘缓存技术中基站缓存和D2D缓存的特点,利用其不同的协作方式,分别提出了混合缓存传输算法和联合缓存传输算法,实现系统吞吐量和能效的极大提升,并研究了视频传输比例因子对于系统性能的影响。在D2D辅助异构网络中,利用D2D通信的社交分组特性,实现移动边缘缓存技术和D2D技术的异构协作,通过D2D缓存和基站缓存的联合传输,提出了面向用户的资源分配算法,完成异构网络中的信道和功率资源分配。3.异构频谱中的资源分配问题。在异构频谱网络中,针对异构网络中的多频谱特点和密集部署的特性,论文提出了一个低复杂度的分布式信道分配算法。考虑到小小区的密集重叠部署,论文先通过图论构造小区间干扰图。之后利用势博弈的分布式特征完成密集小区间的异构频谱协作,并保障小小区用户的服务体验。用户速率超出一定阈值后,服务满意度并不会显著提升。基于这一理论,论文利用联盟博弈,实现D2D用户与小小区用户间的信道共享以提升系统中的频谱利用率。通过理论分析和仿真验证,所提出的分布式算法能够显著降低资源分配的复杂度,并大幅提升用户体验和系统吞吐量。最后,则对论文的研究内容和未来的研究方向进行了总结。
【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
【图文】：

异构网络,体系,小区

本论文的主要研宄的是面向５Ｇ异构网络的资源管理技术，通过分配频带、信逡逑道和功率等网络资源，实现系统性能的提升和用户需求的保障。５Ｇ网络是多种网络逡逑架构共存的异构网络，如图１－１所示，包括宏小区、小小区、中继以及Ｄ２Ｄ等，宏逡逑小区承担基础覆盖的任务，覆盖范围广、服务用户多，小小区负责热点区域覆盖，逡逑其相应的基站相比于宏小区基站发射功率低、覆盖范围小，另外，Ｄ２Ｄ以及协作中逡逑继作为短距离直通技术，在地理位置较近的两个节点之间直接进行数据传输，具有逡逑直通、距离近和复用频谱的特点。在这些网络结构中，异构蜂窝网络技术中宏小区逡逑的覆盖范围内部署不同的低功率小小区基站，通过节点的密集部署来提高网络的容逡逑量和覆盖，Ｄ２Ｄ技术不仅能提高频谱利用率和系统容量、扩展覆盖区域，还能减轻逡逑蜂窝网络负担、降低终端功耗。异构蜂窝技术和Ｄ２Ｄ技术在提升网络系统容量和终逡逑端用户体验方面具有显著的作用，因此本文紧紧围绕异构网络中无线资源管理技术逡逑开展工作

示意图,论文,主要内容,示意图

图１－２：论文主要内容示意图逡逑基于异构频谱共享的资源分配问题。逡逑各个研究内容及相互间的关系如图１－２所示，本论文的重点是面向５Ｇ异构网络逡逑的资源分配算法研究。５Ｇ异构网络是多种业务共存、多种技术促进和多种接入融逡逑合的异构网络。面向用户需求的资源分配中，首先研宄的是同种用户需求下不同系逡逑统性能之间的平衡，在资源分配中，不同网络设备间的性能目标有时是矛盾的，论逡逑文针对这一问题在第二章中进行了研究分析；其次研宄在不同的业务需求情况下，逡逑实现网络系统中功率资源的高效管理，这一部分内容在论文到的第三章进行详细介逡逑绍。在单频谱网络中，存在多种不同的技术，可以利用异构技术间的相互协作，论逡逑文通过ＭＥＣ技术和Ｄ２Ｄ技术相互协作，实现单频谱网络中的资源分配，这一部分逡逑内容对应论文的第四章。在多频谱的异构网络中，有着多种的频谱可供使用，利用逡逑异构的频谱实现不同小区间的分布式协作提高系统性能和用户体验

区之间的相似性完成分簇，每个分簇内使用相同的信道。在ＣＢＧＳ算法中，利用逡逑Ｋ－ｍｅａｎｓ算法分簇，之后根据最大化系统吞吐量完成信道和功率的分配。逡逑图２－２显示了邋１２０个小小区基站的分簇结果。可以看到，每个分簇内的小小区逡逑基站都聚集在簇头周围。随着小小区基站数量的增加，分簇方案不再复杂且适合于逡逑资源分配方案。每个小小区基站使用不同的信道来避免每个分簇中的同信道干扰。逡逑在图２－３中，可以看到所提出ＴＳＳＧ算法的系统吞吐量略小于ＣＢＧＳ算法。当逡逑小小区基站数量为１６０时，最大减少量为６．３２％，这是可以接受的。在所提的ＴＳＳＧ逡逑算法中，每个小小区基站在满足其服务用户的ＳＩＮＲ目标值的情况下，并不会一味逡逑的提升其传输功率，因此其实现的吞吐量小于ＣＢＧＳ算法。在ＨＦＭＳ算法中，由于逡逑每个分簇内使用相同的信道，而随着小小区数量的增加，使用相同信道的小小区由逡逑于位置较近，其相互间的同信道干扰比较大，减少了每个集群的吞吐量，整个系统逡逑的吞吐量变化不大

【相似文献】