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下一代移動通信體系之跨層資源配置分析
第一章緒論
從信息論的角度講，通信是指信息的傳遞和交換。如打電話，它是利用電話線路來傳遞和交換消息：人和人之問的談話，是利用聲音來傳遞和交換消息;古時候用的 “消息樹”、“烽火臺”和現(xiàn)代仍使用的“信號燈”等則是利用光的方式傳遞消息。通信的目的是傳遞信息，信息具有不同的形式，例如：語言、文字、數(shù)據(jù)、圖像、符號等等。隨著社會的發(fā)展，信息的種類越來越多，人們對傳遞信息的要求和手段也越來越高。在通信的實現(xiàn)過程中，信息的傳遞是通過信號來進行的，如：紅綠燈信號、狼煙、電壓、電流信號等，信號是信息傳遞的載體。通信技術(shù)的發(fā)展歷史，伴隨著信息傳遞載體的不斷變革，自從馬可尼第一次向世人展示了無線電波通信的神奇，移動通信技術(shù)開始了不斷創(chuàng)新的發(fā)展歷程。一直到70年代貝爾實驗室首次提出了先進移動電話系統(tǒng)(AMPS),建成了蜂窩移動通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量，移動通信技術(shù)的發(fā)展走進了日新月異的時代[1]。移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展有兩個原因：一是蜂窩網(wǎng)概念的提出，真正解決了公用移動通信系統(tǒng)要求容量大與無線頻譜資源有限之間的矛質(zhì)，使得移動通信系統(tǒng)真正意義上實用化、公眾化;二是大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器技術(shù)的日趨成熟，為大型通信網(wǎng)的控制和管理提供了技術(shù)手段，也為移動通信系統(tǒng)從模擬蜂窩網(wǎng)發(fā)展到數(shù)字蜂窩網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本章接下來的內(nèi)容主要從下一代移動通信系統(tǒng)的無線資源管理要求出發(fā)，引出了下一代移動通信系統(tǒng)中跨層資源分配的概念;介紹了本論文的主要內(nèi)容及貢獻;并對全文的組織結(jié)構(gòu)進行了概述。
1.1課題研究背景
移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和移動通信用戶需求的不斷發(fā)展，使得越來越多的移動系統(tǒng)解決方案不斷涌現(xiàn)。同時人們對移動通信服務(wù)的不斷依賴，也加劇了各個移動運營商，設(shè)備商之間的競爭。為了滿足不斷渴望得到新型業(yè)務(wù)的用戶需求，3GPP在2004年年底啟動了長期演進(LTE)技術(shù)的標準化工作，從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、系統(tǒng)性能要求、業(yè)務(wù)支持能力.網(wǎng)絡(luò)的部署場景、與現(xiàn)有各個系統(tǒng)的演進和互通關(guān)系等方面對LTE技術(shù)做了詳細的描述[2]。與之前移動通信系統(tǒng)相比，LTE具有如下技術(shù)特點：支持最大帶寬為20MHz，采用了 OFDM技術(shù)，全面提高傳輸速率和頻譜利用率;系統(tǒng)的整體架構(gòu)基于分組交換實現(xiàn)，同時通過系統(tǒng)設(shè)計和嚴格的QoS機制，保證實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量系統(tǒng)支持多種帶寬，除了 20MHz的最大帶寬外，還能夠支持1.5MHz、3MHz. 5MHz. lOMHz和15MHz等系統(tǒng)帶寬，以及“成對”與“非成對”的頻譜部署，保證網(wǎng)絡(luò)部署時的靈活性[5]。
LTE相關(guān)技術(shù)標準化接近于完成之時，3GPP開始了 LTE-Advanced項目，主要有以下幾個特點：扁平化的網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計，針對室內(nèi)和熱點游牧場景進行優(yōu)化，有效支持新頻段和大帶寬應用，大幅提升峰值速率，改進頻譜效率，支持網(wǎng)絡(luò)的自優(yōu)化和自配置，有效降低網(wǎng)絡(luò)的成本和功耗_]。從3G到LTE涌現(xiàn)出了大量的新技術(shù)，蜂窩小區(qū)的鏈路容量己經(jīng)逼近丫香農(nóng)限，從雄純的鏈路預算的角度來看，LTE-Advanced目標中所要求的高速數(shù)據(jù)速率需要很高的信道SINR，而這個SINR在傳統(tǒng)的廣域蜂窩網(wǎng)絡(luò)中是+可能達到的，因此LTE-Advanced主要強調(diào)了從LTE的平滑演進，不再進行大規(guī)模的技術(shù)革新，而是在LTE已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對無線資源進行更加高效、動態(tài)的管理和網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化。LTE-Advanced中的主要技術(shù)包括多頻段協(xié)同與頻譜整合、中繼技術(shù)、分布式天線和小區(qū)間協(xié)作技術(shù)[8]，本論文主要討論基于小區(qū)間協(xié)作技術(shù)的跨層資源分配問題。
LTE系統(tǒng)支持相鄰eNode B之間的Mesh連接，但用于連接的X2接口的能2力比較弱，它的傳輸延遲大于20ms,因此很難實現(xiàn)真正意義上的基站間協(xié)調(diào)[6]。LTE- Advanced中使用光纖對X2接口進行升級后，就可以利用這個增強的高速X2接口進行快速的基站間的合作與協(xié)調(diào)，從而獲得協(xié)同發(fā)送/接收增益[9]。如見采用RoF光纖，X2接口甚至可以從一個單純的控制面接口擴展為一個用戶面/控制面綜合接口，實現(xiàn)和分布式天線系統(tǒng)相似的數(shù)據(jù)聯(lián)合發(fā)送和接收，LTE-Advanced下的基站間協(xié)同如圖1-1所示。
1.2下一代移動通信系統(tǒng)中的無線資源分配
無線通信系統(tǒng)都是資源相對受限的系統(tǒng)，例如頻率，功率，吋隙等，面對多樣化、復雜化的用戶需求，高速多變的業(yè)務(wù)類型，以及整個系統(tǒng)對能耗的嚴格約束，移動通信系統(tǒng)發(fā)展過程中急需解決的問題是如何更充分合理地使用有限的無線資源，保證用戶的數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)高負載時用戶的服務(wù)質(zhì)量以及系統(tǒng)的低能耗。下一代基于 OFDMA的移動通信系統(tǒng)中無線資源分配的概念十分廣泛，它既可以是系統(tǒng)時頻資源的調(diào)度，也可以是調(diào)制編碼方式的選擇，還可以是用戶業(yè)務(wù)速率的選擇或者小區(qū)中每個子頻帶上發(fā)射功率的分配。無線資源分配的核心就是在有限資源的條件下，為用戶提供更好、多樣化的服務(wù)質(zhì)量，特別是在無線信道質(zhì)量較差、小區(qū)間干擾變化劇烈的情況下，采用合理的無線資源分配策略，快速、動態(tài)、穩(wěn)定的調(diào)整無線傳輸參數(shù)和分配網(wǎng)絡(luò)中的可用資源，最大限度地提高用戶服務(wù)質(zhì)量，同時減小使用復雜管理方式帶來的負面效果，如信令負荷、功率消耗和通信負載等[3]。
第二章跨層勢博弈理論及模型
孔子對他的弟子講：工欲善其事，必先利其器，意思是說工匠想要把自己的工作做好，一定要先使工具鋒利，喻指要做好一件事，準備工作非常重要。同樣，對于下一代移動通信中的跨層資源分配，有針對性的理論框架設(shè)計，能夠使得跨層資源分配模型的設(shè)計工作事半功倍。第一章中提到過，為了滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計自優(yōu)化的要求，下一代移動通信中的跨層資源分配，一方面需要降低跨層設(shè)計帶來的額外計算和時間損耗，構(gòu)建低復雜度的算法模型;另一方面跨層優(yōu)化器需要能夠動態(tài)調(diào)整多個網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)，這就需要優(yōu)化算法能夠快速的收斂到最優(yōu)解。根據(jù)這兩個要求，本論文設(shè)計了跨層勢博弈理論模型，將一個跨層資源分配問題映射為一個勢博棄過程，即可以保證算法尋優(yōu)過程的快速收斂，還實現(xiàn)了分布式的問題求解，提高了算法的可擴展性。一般地，如果一個策略博棄服從一個勢函數(shù)，我們就說它是一個勢博棄。勢函數(shù)可以理解為是參與者之間差異的衡量，或者說等價于向納什均衡的偏移。勢博弈有一些很好的屬性，在某些條件下，所有的勢博奔都存在純策略的納什均衡;在一些不是很茍刻的條件下，參與者的學習過程都收斂于一個納什均衡。換句話說，從任意一個狀態(tài)出發(fā)，按照一定準則，經(jīng)過有限步驟，參與者最終都能夠到達一個均衡狀態(tài)⑴[2][3]。
本章主要研究了跨層勢博弈的理論模型，介紹了博弈論中的發(fā)展歷史以及一些基本概念，引出了勢博弈理論，給出了勢博棄的定義和分類，并分析了幾類勢博弈之間的關(guān)系;針對實際中應用最廣泛的完全勢博弈進行了分類，并對每種類型的勢博弈都給出了相應的構(gòu)建勢函數(shù)的方法;分析了勢博弈迭代過程的收斂性，介紹了納什均衡的存在性和唯一性需要滿足的條件，證明了勢博弈的有限遞增屬性，并利用收斂的準則和時序保證了迭代過程的快速收斂;證明了勢博弈均衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，分析了均衡狀態(tài)的最優(yōu)性，并給出了衡量博棄最優(yōu)性的指標;舉例說明了勢博弈在移動通信中的應用;最后在前文內(nèi)容的基礎(chǔ)上給出了跨層勢博弈模型的建模方法和步驟。
第三章 跨層資源分配仿真平臺建模..................... 65-84
3.1 仿真平臺結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置 ..................... 66-68
3.2 業(yè)務(wù)級仿真設(shè)計與建模 ..................... 68-70
3.3 系統(tǒng)級仿真設(shè)計與建模 ..................... 70-76
3.4 鏈路級仿真設(shè)計與建模 ..................... 76-79
3.5 仿真平臺性能驗證..................... 79-82
3.6 本章小結(jié)..................... 82-83
3.7 參考文獻..................... 83-84
第四章 信道自適應的自優(yōu)化跨層資源分配..................... 84-117
4.1 下一代移動通信中的SON技術(shù)..................... 85-88
4.2 視頻流業(yè)務(wù)跨層資源分配模型 ..................... 88-90
4.3 基于模糊決策的自適應視頻跨層資源..................... 90-98
4.4 分布式自適應視頻跨層資源分配..................... 98-104
4.5 QoS驅(qū)動的視頻跨層資源分配 ..................... 104-112
4.6 本章小結(jié)..................... 112
4.7 參考文獻..................... 112-117
第五章 主動式跨層資源分配策略研究..................... 117-146
5.1 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)模型 ..................... 118-120
5.2 多小區(qū)協(xié)同動態(tài)功率分配..................... 120-126
5.3 分布式多小區(qū)節(jié)能 ..................... 126-132
5.4 主動式跨層干擾協(xié)調(diào)..................... 132-141
5.5 本章小結(jié) ..................... 141-142
5.6 參考文獻..................... 142-146
結(jié)論
移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展給現(xiàn)代人的日常生活帶來了巨大變革，形形色色的無線網(wǎng)絡(luò)，比如LTE、無線傳感網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、Zigbee等都己經(jīng)成為了人們生活密不可分的組成部分，小到打電話、手機無線上網(wǎng)，大到“感知中國”、“智慧地球”等，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到了人們生活的方方面面。然而，以移動通信為代表的無線通信系統(tǒng)都是資源受限的系統(tǒng)，高效、穩(wěn)定的無線資源管理對無線通信系統(tǒng)的意義十分重大。面對下一代移動通信系統(tǒng)多樣化、復雜化的用戶需求，高速多變的業(yè)務(wù)類型，以及整個系統(tǒng)對能耗和帶寬的嚴格約束，移動通信系統(tǒng)發(fā)展過程中急需解決的問題是如何更充分合理的使用有限的無線資源，保證用戶的數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)高負載時用戶的服務(wù)質(zhì)量以及系統(tǒng)的低能耗。無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計模糊了嚴格的層間界限，將分散在網(wǎng)絡(luò)各個子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合。所有層間可以交互信息，使得協(xié)議棧能夠以合作的方式適應特定應用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化�？鐚釉O(shè)計里多個層的聯(lián)合優(yōu)化利用了協(xié)議里多個層間的合作，可以獲得多協(xié)議層的分集增益，大大提升網(wǎng)絡(luò)的性能。本文圍繞下一代移動通信中的跨層資源分配問題，分別從理論建模和算法設(shè)計兩個方面研究了該問題。一方面，利用勢博棄理論納什均衡的存在性和唯一性，以及勢博棄迭代過程的快速收斂，提出了跨層勢博棄理論框架，通過博弈參與者分布式的策略選擇，就可以達到最優(yōu)的跨層資源分配;另一方面，根據(jù)下一代移動通信系統(tǒng)中SON的設(shè)計理念，利用小區(qū)間協(xié)同技術(shù)，首先提出了能夠根據(jù)信道條件的不斷變化，自適應的動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)各個層的參數(shù)，達到最優(yōu)跨層資源分配的目的，接下來，通過動態(tài)調(diào)整eNB在各個子信道上的發(fā)射功率值，主動的改善無線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，實現(xiàn)抑制小區(qū)間干擾，降低功耗，提高吞吐量的目的。此外，為了驗證本文提出算法的性能和復雜度，設(shè)計并實現(xiàn)了下一代移動通信的跨層仿真平臺。本論文的主要工作可以總結(jié)如下：
1、跨層勢博棄理論建模。本論文結(jié)合博棄論中的勢博弈理論和跨層優(yōu)化理論，通過元素映射和勢函數(shù)構(gòu)建，建立了跨層勢博棄的理論框架，保證了跨層優(yōu)化過程能夠收斂于一個最優(yōu)狀態(tài)，并且保證了快速的收斂。研究了跨層勢博棄的理論模型，針對實際中應用最廣泛的完全勢博弈進行了分類，并對每種類型的勢博弈都給出了相應的構(gòu)建勢函數(shù)的方法;分析了勢博弈迭代過程的收斂性、納什均衡的存在性和唯一性、有限遞增屬性以及收斂的準則和時序;證明了勢博弈均衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和最優(yōu)性，并給出了衡量博弈最優(yōu)性的指標。
2、跨層資源分配仿真平臺建模與實現(xiàn)。從靜態(tài)的角度研宄系統(tǒng)仿真的相關(guān)內(nèi)容和問題，搭建了下一代移動通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)級仿真平臺。這里所用的靜態(tài)仿真是根據(jù)蒙特卡洛方法思想來完成的，包括對下一代移動通信系統(tǒng)的多次獨立采樣，其中每一次采樣稱為一次“快照”，進行多次采樣后，獲得系統(tǒng)多個瞬間的狀態(tài)，統(tǒng)計系統(tǒng)的性能。利用該仿真平臺，可以對研究中的新技術(shù)和新算法進行方便、快速、直觀的驗證和評估，縮短了新技術(shù)開發(fā)的成本和周期。
3、移動視頻業(yè)務(wù)信道自適應的跨層資源分配策略設(shè)計。面向下一代移動通信中的視頻跨層優(yōu)化技術(shù)進行深入研究，同時提取鏈路層、物理層和應用層的參數(shù)，包括視頻源編碼速率、分組丟失率以及視頻時延限制等指標，研究下一代移動通信系統(tǒng)下行視頻點播業(yè)務(wù)傳輸場景，首先根據(jù)視頻內(nèi)容的特點和模糊屬性，提出了基于模糊多目標決策的跨層調(diào)度模型;接下來針對視頻業(yè)務(wù)跨層資源分配算法復雜度高的問題，提出了跨層勢博弈資源分配模型，實現(xiàn)了分布式的求解框架，降低了算法時間復雜度，提高了算法的可擴展性;此外，提出了梯度投影的博弈收斂準則，實現(xiàn)了博弈迭代過程的并行收斂，保證了收斂的速度。
4、主動式跨層干擾協(xié)調(diào)方案設(shè)計。研究考慮物理層、鏈路層、應用層的跨層設(shè)計模型，通過調(diào)整物理層的參數(shù)，協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾，達到主動改善業(yè)務(wù)傳輸信道質(zhì)量的目的，實現(xiàn)主動式的跨層資源分配策略，抑制小區(qū)間干擾，降低網(wǎng)絡(luò)總體功耗，改善小區(qū)中用戶特別是小區(qū)邊緣用戶的吞吐量，從而提供更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，為用戶提供更好地業(yè)務(wù)體驗。首先分析了下一代移動通信系統(tǒng)中的小區(qū)間干擾，并建立了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)模型，接下來從三個方面，逐層遞進的對主動式的跨層資源分配策略進行描述。
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