高效无线网络中面向服务质量保障的资源优化策略研究

发布时间：2021-03-11 18:15

  近几十年来,无线通信的各方面技术飞速发展。先进的信道编码、多天线、功率分配、接入协议、路由协议等技术的发展使得无线通信网络的速率和质量不断得到提高。然而在无线通信网络飞速发展的同时,人们对于业务的速率与质量的要求也不断提升,从对传输速率要求较低的文本和图片传输业务(如电子邮件收发、文字聊天、网页浏览等)到对传输速率和服务质量要求很高的业务(如视频电话、流媒体视频下载、在线点播等)。另一方面,为了减少无线通信网络能耗进而提高网络的效率以及减少环境污染,需要开发具有高功率效率的无线通信网络。为了满足高频谱效率、高功率效率的需求,近几年来诞生了一些高效的无线通信网络架构,如全双工网络(Full-Duplex Networks)、虚拟多天线网络(Virtual Multiple-Input Multiple-Output Networks)、终端直通网(Device-to-Device Networks)、飞蜂窝网络(Femtocell Networks)、无线节能网络(Spectrum and Energy Efficiency Networks)等。然而,在提供高频谱效率、高功率效率的同时,如何在这些高效的无线通信网络中保障业务的服务质量需求仍然未得到较好解决。由于不同的无线业务对服务质量的要求不同,如何保障无线网络的服务质量是一个极具挑战的问题。无线信道特有的衰落特性是制约信道容量及服务质量的主要原因。由于信道的参数是随着时间、频率、空间不断变化的,因此,在实际的无线通信系统中无法确定性的保障服务质量,但统计意义下的服务质量保障被广泛的用来描述服务质量,其中最重要的一个衡量标准就是时延服务质量保障。资源优化是提高无线通信网络频谱和功率效率并保障时延服务质量的一种有效途径。根据业务时延服务质量需求的不同进而合理的分配功率、时隙、频带宽度等无线资源,可以在保障时延服务质量的前提下最大化频谱和/或功率效率。本文分别以面向服务质量保障的无线全双工网络、终端直通网络、虚拟多天线网络和无线节能网络为主要研究对象,较为系统地研究了在保障时延服务质量的前提下,如何在这四种高效网络中利用动态资源分配策略最大化频谱效率和/或功率效率。本论文的主要创新点包括:1.研究了无线全双工网络中的面向服务质量保障资源分配机制。在认识到任何一个无线全双工网络都是由若干无线全双工双向链路和无线全双工单向链路组成的基础上,分别提出了适用于无线全双工双向链路和无线全双工单向链路的面向服务质量保障最优功率分配方案,为无线全双工网络面向服务质量保障机制提供了一个崭新的视角。具体如下:1)针对无线全双工双向链路。通过分析自干扰与本地发射功率相关与否,本文建立了两种无线全双工双向链路模型 自干扰与本地发射功率相关模型和自干扰与本地发射功率不相关模型。分别在这两种模型下,通过将信息论理论与统计服务质量保障机制相结合,提出了最大化链路有效容量的功率分配策略。本文提出的功率分配机制可以有效地满足无线全双工双向链路对各种时延服务质量的需求。与在无线双向链路上使用面向服务质量保障的半双工传输相比,面向服务质量保障的全双工传输可以获得更大的有效容量。2)针对无线全双工单向链路。通过引入自干扰消除系数来刻画全双工节点的干扰抑制/消除性能,在此基础上,研究了适用于无线全双工单向链路的服务质量保障机制,提出了针对无线全双工单向链路的面向服务质量保障最优功率分配方案,从而最大化无线全双工单向链路的有效容量。在认识到单向链路可为中继链路的基础上,本文也将无线全双工单向链路的最优功率分配方案得到的有效容量与无线半双工中继链路的最优功率分配方案得到的有效容量进行了对比。本文提出的最优资源分配机制可以满足无线全双工网络中不同时延服务质量的需求。此外,即使自干扰被完全消除,无线全双工单向链路可获得的最大有效容量也不是半双工中继链路可获得的最大有效容量的两倍。相比于只使用全双工或半双工传输,使用无线全双工和半双工混合传输可以在单向链路中获得更大的有效容量。2.研究了面向服务质量保障的终端直通(Device-to-Device,D2D)网络。通过在两个相邻的移动设备之间建立直传链路,终端直通通信可以有效地增加终端直通通信与蜂窝通信混合网络的吞吐量,传统的终端直通通信方案主要围绕如何最大化终端直通通信与蜂窝通信混合网络的吞吐量,但却未考虑通信中的时延服务质量保障。为了克服该问题,本文分别针对以下两种D2D通信模式提出了面向服务质量保障的最优功率分配方案:1)共信道模式,该模型中终端直通通信和蜂窝通信共享相同的时频资源;2)正交信道模式,该模型中时频资源被划分给终端直通通信和蜂窝通信。在终端直通通信与蜂窝通信混合网络中使用这两种面向服务质量保障的功率分配方案,可以分别得到共信道模式和正交信道模式下给定任意时延服务质量要求约束条件下网络的最大有效容量。提出的面向服务质量保障的功率分配方案可适用于各种时延服务质量需求不同的网络场景。3.研究了面向服务质量保障的虚拟多输入多输出(Virtual Multiple-Input Multiple-Output,V-MIMO)网络。通过促使多个移动用户在相同的子信道上同时发送信号,虚拟多输入多输出(V-MIMO)技术可以获得类似于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术的频谱效率。传统的V-MIMO网络以最大化分组移动用户的吞吐量为目标,但忽略了服务质量保障。针对这一问题,本文分别研究了基于用户非协作和用户协作的无线V-MIMO网络面向服务质量保障机制,提出了面向服务质量保障的协作V-MIMO和非协作V-MIMO最优功率分配方案,从而最大化无线V-MIMO网络的有效容量。对于基于用户非协作的V-MIMO传输,同一组的移动用户经过相同的子信道独立地发送信号,但在现有的移动用户来看,他们自己单独地占有信道。因此,为获得最大的有效容量,现有的移动用户使用保障服务质量的单用户功率分配方案。通过将非协作V-MIMO传输最优化问题转化为严格的凸优化问题并求解,得到了保障服务质量的最优功率分配方案,该方案对于新增加的用户而言可以获得最大的有效容量;对于基于协作的V-MIMO传输,同一分组的移动用户可以协作发送信号,本文提出了保障服务质量的协作功率分配方案,该方案同时适用于现有用户和新增加的用户。本文提出的面向服务质量保障的非协作/协作V-MIMO功率分配方案可以获得比不考虑服务质量需求的功率分配方案大的有效容量,如果分组用户中使用协作方案,无线网络V-MIMO的有效容量可进一步增加。4.研究了无线节能网络中面向服务质量保障的频谱和功率效率联合优化问题。建立了联合优化有效频谱效率(Effective Spectrum Efficiency,ESE)和有效功率效率(Effective Power Efficiency,EPE)的框架,从而在不同的统计服务质量需求下支持无线网络中的实时业务。本文推导了在统计服务质量保障机制下有效频谱效率和有效功率效率的关系。基于这一关系,得到了互利(Mutual Beneficial,MB)区域和竞争(Contention Based,CB)区域。在互利区域,提出了一种利用平均发射功率控制来获得有效频谱效率和有效功率效率联合优化的新策略。在竞争区域,提出了基于无线中继的策略来联合优化有效频谱效率和有效功率效率。对于互利(MB)区域和竞争(CB)区域,提出了动态发射功率控制策略以及基于MIMO的策略来联合最大化有效频谱效率和有效功率效率。


本文编号：1772336