蜂窝网络中的用户公平性保障技术研究

发布时间：2019-01-14 07:35

【摘要】：随着人类无线通信业务需求的增长,蜂窝通信系统相继经历了从第一代到第四代的演进,历史证明蜂窝网络始终都扮演着为人们提供随时随地无线通信服务的最重要角色。目前业界针对第五代移动通信系统的研究也已拉开序幕。无线通信的5W目标要求所有人都可以进行所需要的通信,因此我们必须要保障蜂窝网络用户的公平性,以使得所有用户都受到公平的待遇。在无线网络中,这种待遇包括用户的吞吐量、时延、阻塞率等性能。全网用户的公平性包含两层含义,即小区内用户的公平和小区间用户的公平,其中小区间用户的不公平问题通常是指由网络中业务的不均匀分布引起的热点小区阻塞率过高以及吞吐量性能降低等问题,而小区内用户不公平通常由不合理的时隙和信道分配引起。此外,由于系统效率和用户公平之间此消彼长的关系,用户公平性保障也需要兼顾系统效率。因此,如何通过高效的负载均衡技术提升小区间用户公平性,如何设计小区内资源分配机制保障小区内用户公平,以及如何联合两者高效地折中系统效率和用户公平是蜂窝网络公平性保障的关键问题。本文将围绕小区内和小区间用户公平性保障问题展开研究:首先以宏蜂窝网络的负载均衡问题为切入点来保障小区间用户公平,继而基于α公平和Jain指标保障了小区内用户公平,最后在异构蜂窝网络中通过多资源的联合调度从小区间和小区内两个维度研究了用户公平性保障问题。具体内容如下:1、传统的基于小区选择的负载均衡技术仅考虑两小区协作,这会导致热点小区阻塞率过高,从而引起小区间用户不公平的问题。针对该问题,提出了基于小区协作链的多小区协作负载均衡方法,该方法尽可能充分利用网络中的空闲资源,从而提升了网络资源利用率,降低了热点小区及系统的阻塞率。为了降低协作开销,我们考虑了最小级数小区协作链选择问题,并将其建模为图论中的最短路径问题,从而基于BF算法提出了有效的负载均衡算法。此外,还证明了所提算法可以获得最低的系统阻塞率,并利用多维马氏链分析了系统阻塞率的下界。仿真结果表明基于小区协作链的负载均衡方法可以明显降低热点小区以及系统的阻塞率,改善网络用户的公平性。2、针对具有一定公平性要求的效率公平折中问题,在单小区慢衰落信道场景下从Jain指标的角度详细研究了α公平对效率和公平的折中。通过求解α公平对应的α效用最大化问题,得到了系统效率和Jain指标的表达式,进而得出Jain指标随α增加单调递增而系统效率随α增加单调递减的结论。根据这些结论,继而设计了快速收敛算法来选择α以获得系统所需要的效率或Jain指标。此外,还在基于软频率复用的宏蜂窝网络场景中,联合用户关联和小区内调度优化实现了全网用户的α公平。3、针对具有短期和长期公平性需求的效率公平折中问题,在单小区下行OFDMA场景下研究了时隙和子信道分配问题,其以短期和长期Jain指标为约束,以最大化系统吞吐量为目标。由于该问题是离散的NP难问题,采用了松弛、优化、取整的方法,并从理论上证明了该问题的松弛取整具有较小的误差。此外,还深入探讨了短期和长期公平之间的关系,指出短期公平不一定能保证长期公平,它是否成立取决于公平性的定义以及从短期性能参数获得长期性能参数所使用的平均方法。4、异构蜂窝网络中由基站覆盖范围不同引发的负载不均衡现象和宏基站对小基站所服务的用户产生较大干扰的现象导致了网络内用户的不公平问题,因此我们联合优化了用户关联、小区间干扰协调、功率控制以及小区内资源分配以实现全网用户的比例公平,其中小区间干扰协调通过间歇性静默宏基站来实现,也称为资源分割。由于所建立问题是多维变量组合非凸优化,提出了基于坐标轮换法的迭代算法,其中在每一次迭代中首先联合优化资源分割、用户关联及小区内资源分配,然后进行功率分配优化。仿真结果表明所提算法显著改善了用户的公平性,提升了系统效率。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.5

【相似文献】