无线通信系统中面向队列稳定性的通信与计算资源分配

发布时间：2020-05-27 00:15

【摘要】：随着多元化无线业务的迅猛发展,对更高速率和更强计算能力的无线通信系统的渴求也日益迫切。然而,无线通信系统中通信和计算资源是极为稀缺的,如何高效地利用有限的资源,继而为用户提供更加可靠、稳定的服务是当前面临的巨大挑战。不能满足用户的超高带宽、超低时延需求,很容易造成数据队列溢出与数据丢失,从而导致数据服务错误率激增,系统稳定性严重下降,甚至服务中断。所以,无线通信系统的队列稳定性是极为关键的,应当充分予以考量并提供相应的保障机制。本文分别从提高传输能力、减少传输内容以及将业务本地化三个方面为无线通信系统的队列稳定性提供保障,并进一步优化用户时延。具体工作包括:1、通过频谱聚合技术为用户提供超宽带的数据传输服务。本研究针对频谱聚合系统建立数据包队列模型,在保证队列稳定性的基础上,设计了信道与功率联合分配算法,并闭式分析系统平均数据包队列长度。本研究考虑了受限的频谱聚合能力、频谱聚合电路能耗、队列长度估计、信道估计等非理想因素。在同构频谱聚合系统中,设计了具有时延约束的能量有效调度算法,并给出系统平均功率和平均时延的闭式折中关系;在异构频谱聚合系统中,构建理论框架充分挖掘干扰控制对异构频谱聚合的本质影响,并提出了闭式的修正注水功率分配方案。提出的方案综合考虑了用户间干扰、信道条件以及队列长度等因素的影响,在保障队列稳定性的同时提高频谱聚合系统性能。分析结果显示,平均功率和平均时延呈线性折中;频谱聚和技术可以显著提高传输能力,并降低总能耗。2、通过协作多播中继技术支持海量高速数据传输。本研究在协作多播中继系统中建立双跳协作多播中继模型,综合考虑系统传输效率、用户公平性以及队列稳定性等目标,研究协作多播中继系统的信道分配与中继节点选择算法,并将多播技术与可伸缩视频编码技术相结合,从而显著减少传输内容。对于该多目标优化问题,设计了字典序最优的联合信道分配与中继节点选择算法,并从几何角度建立渐近等价分析结构,证明了算法的解具有帕累托最优性与唯一性;为了保证队列稳定性,本研究建立数据包队列模型,通过采用李雅普诺夫优化和强化学习,提出了一种低开销的多播中继选择方案,并分析了业务场景和中继数目等系统参数对算法性能的影响。分析结果显示,协作多播中继技术可以显著减少传输内容,并改善传输条件,继而从多维度提升系统性能。3、通过移动边缘计算与内容边缘存储技术在离用户更近的网络边缘提供计算与存储服务。为了提升用户计算服务质量,本研究在移动边缘计算系统中建立数据包与计算双队列模型,设计了基于队列稳定性的联合通信与计算资源分配算法,并给出系统平均队列长度的上界。在此基础上,考虑用户和移动边缘计算服务器的存储空间受限,对离散时间受控随机游走过程进行稳态分析,闭式得到了系统时延性能;为了提升用户数据服务质量,本研究在节点存储系统中建立了包含请求队列和数据队列子系统的双队列系统,并且设计了请求、数据队列之间的动态映射,以在本地提取全网中的数据需求和网络拥塞信息。通过随机网络效用最大化的方法,设计了一种低开销的分布式转发与存储算法。分析结果显示,通过与移动设备建立更紧密相连的计算与存储能力,可以显著改善用户的计算与传输条件,减少传输内容,从而有效降低通信时延。
【图文】：

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本文旨在研究无线通信系统中基于队列稳定性的通信与计算资源分配算法，并在系统逡逑稳定性的基础上进一步优化时延、能耗等关键系统参数，设计最优网络资源配置策略。主逡逑要研究内容的结构安排如图１－１所示。为了应对由于无线网络接入用户数目持续增长，以逡逑及在无线网络中为用户提供的业务种类日益增多，造成相应的数据量和计算量呈指数型爆逡逑炸式增长这一巨大挑战，本文从提高传输能力，减少数据量，，以及将业务本地化三个方面逡逑展开研究。其中第二章通过频谱聚合技术提高网络设备传输能力，研究系统能耗、系统稳逡逑定性以及用户时延之间的折中关系。第三章通过协作多播中继技术减少数据传输量，考虑逡逑中继选择策略对系统稳定性的影响。第四章通过移动边缘计算与内容边缘存储技术将业务逡逑本地化，考虑计算和存储调度策略对系统稳定性以及用户时延的影响。从而共同构成无线逡逑通信系统中基于队列稳定性的通信与计算资源分配的研究。具体内容如下：逡逑第二章研究通过频谱聚合技术为用户提供超宽带的数据传输服务。尽管频谱聚合可以逡逑将分散的频谱，以及频谱碎片聚合为完整的、信道容量足够大的频谱，从而充分利用频谱逡逑异质性，实现系统层面的频率选择性分集，提高设备传输能力。但是共享使用频谱可能对逡逑系统稳定性以及用户时延带来潜在的影响。为从理论上分析频谱聚合技术对系统能耗与用逡逑户时延的影响

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２．１．１．２频谱聚合电路模型逡逑尽管频谱聚合可以通过不同的电路实现［７５，７６］，但是其共同特征之一是由同一用户聚合逡逑的信道可以共享一部分电路模块。考虑到频谱聚合电路的具体结构，如图２－１所示，本文逡逑将频谱聚合电路划分为两部分：逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

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