基于图论的异构蜂窝网络干扰和资源管理研究

发布时间：2020-08-10 19:33

【摘要】：随着互联网技术的迅猛发展,各类无线通信业务出现爆炸式的增长,这不断地对无线网络容量提出新的挑战。第三代合作伙伴项目(3GPP)在LTE长期演进规范(LTE-A)中提出,在宏蜂窝中部署包括微蜂窝,微微蜂窝,家庭基站及中继节点在内的各种低功率节点,以形成异构蜂窝网络,从而通过增大频谱复用以增加无线网络的吞吐量。然而,由于频谱共享与地域重叠,干扰资源管理成为了异构蜂窝网络中亟待解决的问题。首先,网络中的干扰导致了多类业务之间的相互耦合的资源分配,这对区分业务特征的资源管理提出了新的挑战。其次,干扰的累积性与不对称性导致了复用资源单元上不同的速率,所以用较低的复杂度较准确的获得干扰对速率的影响是进行有效公平资源分配的关键问题。再次,干扰对齐等多种传输模式的出现增大了干扰管理的复杂性,进一步提高了资源管控的难度。因此,本文将围绕异构蜂窝网络中的干扰资源管理问题展开研究。本文以在干扰管理下增大频谱复用为切入点,首先研究了异构蜂窝网络中的多业务资源分配问题,其次研究了干扰控制下的用户公平资源分配问题,最后研究了联合干扰对齐的资源分配问题。在国家自然科学基金重点项目“无线网络的干扰管理与容量研究”(61231008),国家973重点基础研究发展计划课题“智能的动态网络资源管理模型与控制机制研究”(2009CB320404),“高等学校创新引智计划基金资助项目”(B08038),“国家重点实验室专项基金”(ISN1002005,ISN090305),长江学者和创新团队发展计划(IRT0852)的共同资助下,本文对异构蜂窝网络中的干扰资源管理问题进行了深入的研究,具体内容如下:1、研究了基于分层冲突图的联合干扰避免的多业务资源分配算法。为了在干扰消除的基础上增大资源的复用以提高资源效率,根据用户的最小接收信干噪比门限,算法将网络细致的划分为每个基站所对应的干扰区域,根据被干扰用户是否位于基站的干扰区域来确定资源分配时是否需要避免资源的冲突复用。一方面,方案保障了宏小区中的恒定比特率业务的最低要求。另一方面,为了区分网络中的多类业务,在优先为恒定比特率业务分配的前提下,尽力改善非实时业务的性能。综合以上考虑,将上述资源分配问题建模为一个多目标优化问题。为了实现在干扰实时变化的实际系统中对问题进行求解,本章提出了一个基于分层冲突图的低复杂度算法。仿真结果证明,与已有算法相比,所提出算法不仅在保障宏小区的业务满意率的基础上改善了家庭基站业务的满意率,并且在多业务的场景下,可以提高实时性业务的满意率和改善非实时性业务的服务质量。2、研究了基于干扰受限冲突图的用户公平资源分配策略。为了提高资源利用率,策略中在对干扰进行限制的条件下允许多条链路复用资源。首先,将资源分配问题建模为物理干扰模型下的用户公平分配最优化问题。其次,为了以较低的复杂度较准确的获得干扰对速率的影响,本章提出一个基于干扰受限冲突图的低复杂度解法,其中,干扰受限冲突图的构造过程中考虑了干扰的累积性和不对称性对速率带来的影响。这种设计有益于得到接近于物理干扰模型最优解的次优解。仿真结果说明所提出的策略可以有效地改善用户公平性。3、研究了基于转化冲突图的联合干扰对齐的资源分配策略。为了有效地消除干扰和提升网络性能,本部分研究以最大化家庭基站网络中满意用户数目为目标,提出联合干扰对齐的最优化资源分配问题。对于一个家庭基站网络,入选的干扰对齐组合内部的干扰是通过将干扰对齐到干扰子空间来进行消除的,而其他的干扰是通过子信道分配来进行消除的。为了求解该问题,提出一个低复杂度的基于转化冲突图的三阶段求解方案。首先,确定从干扰图到转化冲突图的转化规则,此规则既考虑了干扰对齐对组合自由度的提升,又考虑了干扰对齐对参与用户额外信号维度的占用。其次,基于对网络拓扑的分析,给出一个增加网络中满意用户数的可行干扰对齐组合的选择准则。最后,基于构造的转化冲突图与可行干扰对齐组合的选择结果,提出一个使用改进的最大K可染色子图问题算法的子信道分配策略。仿真证明,所提出的算法不仅能够在小规模网络中得到近似解,而且可以在密集部署场景中有效地改善用户的满意率。4、研究了联合干扰对齐的用户公平资源分配策略。针对异构蜂窝网络中用户能否参与干扰对齐带来的消除干扰的能力差异的问题,本部分研究中提出一个基于转化冲突图的联合干扰对齐的用户公平资源分配问题。为了以较低的复杂度进行求解该问题,本部分提出一个基于图论的策略。方案中提出改善用户公平性的可行干扰对齐组合选择准则,并对相关性质进行了证明。仿真结果证明,所提出策略不仅可以在小规模网络中近似最优解,而且在大规模网络中可以改善用户的公平性。
【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】：2015
【分类号】：TN929.5

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本文编号：2788510