异构蜂窝网络资源优化研究
发布时间：2020-07-17 00:27
【摘要】：随着工业4.0、车联网等业务的迅猛发展,传统的蜂窝网络难以满足未来海量化、多样化、绿色化的网络用户连接需求。异构蜂窝网络在宏蜂窝下部署大量微蜂窝和中继节点构成多层网络架构,不但缩短数据传输链路,从而减少了基站和终端的能耗,而且通过频谱空间复用提高了系统的容量和频谱效率,但是增加了基站数量和网络的部署成本,导致能源消耗和运营商的电力支出运营成本剧增。另外,在异构网络微蜂窝中部署毫米波大规模多输入输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线系统实现数据并行传输能满足室内用户的高速率数据需求,但需要大量的射频链路来驱动天线阵列,增加了硬件实现复杂度、成本和能耗。本文以资源分配为主要手段对异构蜂窝网络容量、能耗和成本进行优化,利用图论、拍卖理论以及多目标优化算法对上下行无线资源分配、网络中继部署与传输调度、毫米波大规模多天线传输技术以及基站能源管理等问题进行了深入研究并提出了一系列优化的解决方案和算法。本文的主要工作和创新点如下:1、针对双层异构蜂窝网络容量和能耗的联合优化问题,提出基于多目标遗传优化算法的异频组网双层异构蜂窝网络上下行资源分配策略。在下行数据传输中设计基于拍卖理论的动态频谱共享策略,采取能量换取频谱补偿的激励机制设计效用函数,基于第二代非支配排序遗传算法(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)均衡宏蜂窝和飞蜂窝的效用;在上行数据传输中设计基于NSGA-Ⅱ和多目标Memetic算法(Multi-Obj ective Memetic Algorithm,MOMA)实现联合用户关联、信道和功率的分配来均衡系统的能量效率和频谱效率。实验结果表明所提出的动态频谱共享策略和多目标优化的资源分配方案能分别均衡异构网络间的效用和系统整体的频谱效率、能量效率。2、针对异构中继蜂窝网络部署成本优化和混合数据传输的容量优化问题,分别提出异构蜂窝网络绿色中继位置与数目同时优化部署算法及协作数据传输调度优化策略。设计了基于对偶规划方法的分布式1.61近似算法来最小化网络部署成本以及基于图论和半定规划方法的车与车/车与路边单元(Vehicle to Vehicle/Vehicle to RSU,V2V/V2R)协作数据传输调度和信道分配策略。实验结果表明分布式1.61近似优化算法在复杂度和部署总成本上更优,而协作数据传输调度算法充分利用异构网络的多信道特性,在服务容量上比单信道下基于数据广播的非可靠转发(Irresponsible Forwarding,IF)算法和协作数据分发(Cooperative Data Dissemination,CDD)算法更优。3、针对异构网络微蜂窝大规模毫米波单用户多输入输出天线系统中给定用户速率需求下收发端混合预编码的联合优化设计问题,提出了基于天线阵列响应矩阵奇异值分解和基于稀疏重构多目标优化的混合预编码策略。首先设计射频链路数可变的混合预编码策略,依据速率需求选取收发端的射频链路数并从右奇异向量矩阵中寻找与全数字预编码矩阵相关性最大的基向量来构成混合预编码矩阵;然后在此基础上采用NSGA-Ⅱ和自适应局部搜索(Adaptive Local Search based on NSGA-Ⅱ,ALSN)多目标优化算法联合优化收发端射频链路数目和混合预编码矩阵来均衡系统的能量效率和频谱效率。实验结果表明,基于奇异值分解的算法避免了正交匹配搜索(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法复杂的迭代循环搜索过程,而基于多目标优化的算法避免了采取遍历来找寻最优链路数组合的策略,且在相同射频链路数条件下比OMP算法性能更优。4、针对异构蜂窝网络中大规模部署基站带来的能耗和电力支出剧增的问题,在可再生能源、电网混合能源供电的多模基站中提出了在线能源优化调度策略。首先构造基站模型和队列模型,然后利用最小化条件李雅普诺夫漂移和罚函数加权来构造队列稳定和电力支出均衡的目标函数,最后转换成线性规划问题求解。实验结果表明该方法在无需预测数据任务到来、可再生能源产出和实时电价的情况下就能得到能源在线调度优化,与不使用可再生能源和无调度策略的情况相比在电力支出上分别降低了68.63%和31.64%。
【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】：
ＩＳＭ频段拥挤严重，ＴＶ频段大量空闲，因此，为解决日益匮乏的频谱和通信逡逑需求的矛盾，大量的频谱空洞被国际标准组织提出来用于数据通信，如ＩＥＥＥ邋８０２．２２，逡逑８０２．１１ａｈ等［１４］。认知无线电原理如图１－２所示，包含了频谱感知、频谱分析和频谱决逡逑策。认知网络己经得到了学术界和产业界的广泛关注，如德国Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ大学的Ｆ．Ｋ．逡逑Ｊｏｎｄｒａｌ教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Ｂｅｒｋｅｌｅｙ分校的Ｒ．邋Ｗ．邋Ｂｒｏｄｅｒｓｅｎ教逡逑授的研究组开发的ＣＯＶＵＳ系统、美国Ｇｅｏｒｇｉａ理工学院宽带和无线网络实验室Ｉａｎ逡逑Ｆ．邋Ａｋｙｉｌｄｉｚ教授等人提出ＯＣＲＡ项目、美国军方ＤＡＲＰＡ的ＸＧ项目、欧盟的Ｅ２Ｒ项逡逑目等。在这些项目的推动下，ＣＲ技术在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构逡逑和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。ＣＲ技术逡逑能充分利用空闲的频谱资源，减少了数据传输时间，提高了频谱利用率，但增加了逡逑频谱感知时间和能耗，还需要通过功率控制来避免对系统授权用户的干扰。逡逑一＿革射％ｆ＿？无线环境逦一频谱激励一■＾逡逑频逦频逡逑谱逦谱逡逑决逦广＇逦１邋感逡逑策逦邋邋邋知逡逑＊信道容一逦频谱分析（频谱信`ゅ义贤迹保插迦现尴叩缭硎疽馔煎义希看蠊婺＃停桑停襄义希停桑停霞际跻压惴河τ糜冢矗清澹蹋裕藕停蹋裕牛林校ü诨静嗖渴鸲喔煜呤靛义舷质莸牟⑿写洌岣叻旨鲆婧透从迷鲆妫佣岣呦低车模樱藕腿萘俊Ａ硗猓义希停桑停霞际趸箍梢约跎偈荽涫奔洹Ｎ航饣静渴鹈芏群推灯鬃试簇逊Φ难沽
本文编号：2758721
【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】：
ＩＳＭ频段拥挤严重，ＴＶ频段大量空闲，因此，为解决日益匮乏的频谱和通信逡逑需求的矛盾，大量的频谱空洞被国际标准组织提出来用于数据通信，如ＩＥＥＥ邋８０２．２２，逡逑８０２．１１ａｈ等［１４］。认知无线电原理如图１－２所示，包含了频谱感知、频谱分析和频谱决逡逑策。认知网络己经得到了学术界和产业界的广泛关注，如德国Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ大学的Ｆ．Ｋ．逡逑Ｊｏｎｄｒａｌ教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Ｂｅｒｋｅｌｅｙ分校的Ｒ．邋Ｗ．邋Ｂｒｏｄｅｒｓｅｎ教逡逑授的研究组开发的ＣＯＶＵＳ系统、美国Ｇｅｏｒｇｉａ理工学院宽带和无线网络实验室Ｉａｎ逡逑Ｆ．邋Ａｋｙｉｌｄｉｚ教授等人提出ＯＣＲＡ项目、美国军方ＤＡＲＰＡ的ＸＧ项目、欧盟的Ｅ２Ｒ项逡逑目等。在这些项目的推动下，ＣＲ技术在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构逡逑和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。ＣＲ技术逡逑能充分利用空闲的频谱资源，减少了数据传输时间，提高了频谱利用率，但增加了逡逑频谱感知时间和能耗，还需要通过功率控制来避免对系统授权用户的干扰。逡逑一＿革射％ｆ＿？无线环境逦一频谱激励一■＾逡逑频逦频逡逑谱逦谱逡逑决逦广＇逦１邋感逡逑策逦邋邋邋知逡逑＊信道容一逦频谱分析（频谱信`ゅ义贤迹保插迦现尴叩缭硎疽馔煎义希看蠊婺＃停桑停襄义希停桑停霞际跻压惴河τ糜冢矗清澹蹋裕藕停蹋裕牛林校ü诨静嗖渴鸲喔煜呤靛义舷质莸牟⑿写洌岣叻旨鲆婧透从迷鲆妫佣岣呦低车模樱藕腿萘俊Ａ硗猓义希停桑停霞际趸箍梢约跎偈荽涫奔洹Ｎ航饣静渴鹈芏群推灯鬃试簇逊Φ难沽
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