无线异构网络中的用户接入控制和资源分配机制研究

发布时间：2019-11-17 18:58

【摘要】：近年来,随着移动通信产业的高速发展,智能手机等终端设备的数目呈现出爆炸式的增长。与此同时,多媒体应用大量涌现,用户对各类业务、服务等的需求也在不断攀升。这些现象对现有蜂窝通信系统提出了严峻的考验。为了应对快速增长的流量,支持多种多样业务的服务质量(Quality of Service,QoS)需求,移动运营商们在已有蜂窝网络中部署多类型基站,并引入无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)来提升系统性能。这种由多类型基站和多种网络协议所构成的网络架构被称为无线异构网络。在移动通信网络中,用户接入控制和资源分配是保证用户业务的QoS需求和提升系统性能的关键。随着网络架构的升级,传统的用户接入控制和资源分配机制也需要进行进一步研究,以适应无线异构网络架构。相比于仅由宏基站组成的蜂窝网络,无线异构网络带来许多新的挑战,包括干扰更加严重、负载分布不均匀、上下行覆盖不对称、上下行业务量不对称、接入网络类型多样化等。此外,由于多样性业务的不断出现,用户通常具有差异化的QoS需求。如何在无线异构网络环境下,通过高效可靠的用户接入控制和资源分配机制,保证用户的QoS需求以及提升系统性能,是一个值得深入研究的问题。因此,本文针对无线异构网络的两类典型场景:异构蜂窝网络和蜂窝-WLAN融合网络,对用户接入控制和资源分配机制进行了系统深入的研究。本文主要工作和贡献如下:1)研究异构蜂窝网络中支持多样性业务类型的资源分配问题,为异构蜂窝网络设计了动态TDD(Time Division Duplex,TDD)传输协议,并结合该传输协议设计出保证用户业务流服务质量的资源分配方案。用户业务的多样性体现在差异化的QoS需求上。在异构蜂窝网络中,不均匀的负载分布和多样性业务会带来小区内流量需求的上、下行不对称性。这种不对称性在热点区域部署的小小区中表现的尤为明显。动态TDD模式可以应对这种上、下行流量需求的不对称性,但是无法解决对多样性业务的支持,且带来的副作用是严重的宏微基站之间的跨链路干扰问题。为了缓解这种跨链路干扰,保证多样性业务的QoS需求,并提高资源利用率,本文将跨链路干扰缓解机制和多样性业务流的资源分配方案的设计有效结合在一起。首先,本文为TDD异构蜂窝网络设计出一种新的传输协议作为干扰缓解机制。在此基础上,引入效用函数来表征用户业务的差异化QoS需求,并将用户业务流的资源分配问题建模成网络效用最大化问题。基于优化理论,利用两层分解方法对该问题进行求解,并设计了多项式复杂度的求解算法。仿真验证了相比于已有研究,所提出的结合跨链路干扰缓解的资源分配方案,不仅提升了上、下行尽力服务业务流的平均吞吐量,而且可以有效降低soft QoS业务流的中断概率。2)研究蜂窝-WLAN融合网络中的用户接入控制问题,提出用户上行蜂窝优先接入机制,并得出基于WLAN可行状态集合的业务流接入条件。为了应对移动通信流量的增长,移动运营商通过部署WLAN来卸载蜂窝网的流量。蜂窝网络和WLAN构成了蜂窝-WLAN异构融合网络。在WLAN中,WLAN接入点(Access Point,AP)和用户设备通过竞争方式访问信道,且在竞争信道的优先级上没有差别。由于固有上、下行竞争信道的不对称性,WLAN中主要的竞争来源于上行流的数据传输。随着蜂窝网中的上行流量不断被卸载到WLAN中,竞争越激烈,这将显著降低WLAN的信道利用率和系统吞吐量。为了保证各类业务的吞吐量需求,并降低WLAN中的竞争和冲突,本文设计出一种最大化WLAN信道利用率和系统吞吐量的接入控制策略,即用户上行蜂窝优先接入策略。本文利用排队理论对WLAN中数据帧传输进行建模,推导出在给定WLAN状态下各类业务流的平均吞吐量,以及WLAN的可行状态集合。进一步的,基于WLAN可行状态集合,得出各类业务流接入条件。最后,通过仿真实验,验证了理论分析的精确性;此外,相比于WLAN优先接入机制,所提机制在不影响蜂窝网络下行吞吐量的前提下,可以提升WLAN的信道利用率,以及融合网络整体下行吞吐量。3)研究蜂窝-WLAN融合网络中吞吐量和功耗感知的接入控制问题,提出了基于势博弈模型的用户接入控制机制。在蜂窝-WLAN融合网络中,影响用户体验的不仅有其可达吞吐量,还有其功率消耗等。从系统角度考虑,WLAN将上行流量迁移到蜂窝网中可以获得最大化的信道利用率和系统吞吐量。但是从用户角度考虑,上行流量的迁移将带来功耗的提升。因此在此场景下,系统吞吐量和用户功耗之间存在折中关系。如果在对用户上行数据流进行迁移时,忽略用户功耗,将会对用户的体验造成影响。基于上述事实,本文在设计用户上行接入控制策略时,同时考虑到用户的吞吐量和功耗对其性能的影响。本文利用排队理论对WLAN中的数据帧传输进行建模,并引入效用函数表征用户的满意程度,进一步将用户上行接入控制问题建模成博弈问题,并通过博弈理论寻找该问题的解,即纳什均衡点。最后通过仿真仿真评估所提出的接入控制机制对系统性能的影响,验证了所提接入控制机制相比于WLAN优先接入机制,可以有效提升所有用户的下行可达吞吐量。
【图文】：

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２）选址、维护困难。宏基站通常需占用较大面积土地，且具有较高发率。在人口密集的城市地区，由于电磁辐射污染、城市土地使用代贵等会使得站点位置的选择变得越来越困难；此外，随着宏基站数增加，网络的规划、优化和基站的建设、维护都成为运营商的挑战３）难以保证室内覆盖和热点区域的ＱｏＳ。移动数据流量具有聚集特性统计数据显示，２／３左右的语音业务以及９０％以上的数据业务产生内场景（如办公室、住宅等）和人口密集的热点场景（如商场、车站对于室内场景，由于穿墙的损耗较大，室内用户和宏基站之间的信量较差，室内用户的吞吐量难以得到保证；对于热点区域，宏基站载可能过重，导致用户的ＱｏＳ需求得不到保障。逡逑由于通过部署更多数目的宏基站对蜂窝网络进行密集化操作存在以上缺点，ＬＴＥ－Ａ系统通过在宏蜂窝网络中部署低功率节点，用来卸载热点区域基站的负载、提高系统容量、提升小区边缘用户的服务质量和增强室内覆盖些低功率节点还具有部署简单、维护成本低等优点。这种在宏蜂窝中部署低节点所构成的网络被称为异构蜂窝网络。图１．１是一个ＬＴＥ－Ａ异构蜂窝网络示意图。下面将以ＬＴＥ－Ａ为例，对异构蜂窝网络架构进行简单介绍。逡逑

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逑图１．２邋３ＧＰＰ－ＷＬＡＮ融合机制演进［３１丨逡逑３ＧＰＰ自Ｒｅｌｅａｓｅ邋８以来持续对蜂窝和ＷＬＡＮ的网络融合进行研宄，图１．２逡逑给出了邋３ＧＰＰ网络和ＷＬＡＮ融合机制演进的示意图。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋８提出了基于逡逑接入网发现和选择功能（Ａｃｃｅｓｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ邋ａｎｄ邋Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，逡逑ＡＮＤＳＦ）邋［３２］的接入网选择机制。此机制下，用户在蜂窝－ＷＬＡＮ融合网络中，由逡逑蜂窝网运营商给出的策略辅助进行切换决策。运营商的策略存储在部署于核心网逡逑的ＡＮＤＳＦ实体。在此机制下，，用户只允许接入一个网络，或同时使用两个网络逡逑接口，但是服务不同应用。３ＧＰＰ进一步的提出利用接入网信息对基于ＡＮＤＳＦ逡逑的策略进行补充，如图１．２中间子图所示。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋１２提出了蜂窝网和逡逑ＷＬＡＮ的无线互操作（ｒａｄｉｏ邋ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ）邋［３３］。在无线互操作下，一个应用可以逡逑同时使用两个网络接口进行数据传输，用户的流量可以根据接入网参数、蜂窝和逡逑７逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5

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