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下一代移動(dòng)通信體系之跨層資源配置分析

時(shí)間:2022-11-21 12:37:15 通信工程畢業(yè)論文 我要投稿
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下一代移動(dòng)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(lái)傳遞和交換消息:人和人之問(wèn)的談話,是利用聲音來(lái)傳遞和交換消息;古時(shí)候用的 “消息樹(shù)”、“烽火臺(tái)”和現(xiàn)代仍使用的“信號(hào)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(yǔ)言、文字、數(shù)據(jù)、圖像、符號(hào)等等。隨著社會(huì)的發(fā)展,信息的種類(lèi)越來(lái)越多,人們對(duì)傳遞信息的要求和手段也越來(lái)越高。在通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,信息的傳遞是通過(guò)信號(hào)來(lái)進(jìn)行的,如:紅綠燈信號(hào)、狼煙、電壓、電流信號(hào)等,信號(hào)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(wú)線電波通信的神奇,移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)始了不斷創(chuàng)新的發(fā)展歷程。一直到70年代貝爾實(shí)驗(yàn)室首次提出了先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)(AMPS),建成了蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng),大大提高了系統(tǒng)容量,移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展走進(jìn)了日新月異的時(shí)代[1]。移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展有兩個(gè)原因:一是蜂窩網(wǎng)概念的提出,真正解決了公用移動(dòng)通信系統(tǒng)要求容量大與無(wú)線頻譜資源有限之間的矛質(zhì),使得移動(dòng)通信系統(tǒng)真正意義上實(shí)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(dòng)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(lái)的內(nèi)容主要從下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線資源管理要求出發(fā),引出了下一代移動(dòng)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(xiàn);并對(duì)全文的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概述。

  1.1課題研究背景

  移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和移動(dòng)通信用戶需求的不斷發(fā)展,使得越來(lái)越多的移動(dòng)系統(tǒng)解決方案不斷涌現(xiàn)。同時(shí)人們對(duì)移動(dòng)通信服務(wù)的不斷依賴,也加劇了各個(gè)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商,設(shè)備商之間的競(jìng)爭(zhēng)。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(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景、與現(xiàn)有各個(gè)系統(tǒng)的演進(jìn)和互通關(guān)系等方面對(duì)LTE技術(shù)做了詳細(xì)的描述[2]。與之前移動(dòng)通信系統(tǒng)相比,LTE具有如下技術(shù)特點(diǎn):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(shí)現(xiàn),同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制,保證實(shí)時(shí)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(duì)”與“非成對(duì)”的頻譜部署,保證網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)的靈活性[5]。

  LTE相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化接近于完成之時(shí),3GPP開(kāi)始了 LTE-Advanced項(xiàng)目,主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):扁平化的網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì),針對(duì)室內(nèi)和熱點(diǎn)游牧場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化,有效支持新頻段和大帶寬應(yīng)用,大幅提升峰值速率,改進(jìn)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(yù)算的角度來(lái)看,LTE-Advanced目標(biāo)中所要求的高速數(shù)據(jù)速率需要很高的信道SINR,而這個(gè)SINR在傳統(tǒng)的廣域蜂窩網(wǎng)絡(luò)中是+可能達(dá)到的,因此LTE-Advanced主要強(qiáng)調(diào)了從LTE的平滑演進(jìn),不再進(jìn)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(duì)無(wú)線資源進(jìn)行更加高效、動(dòng)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(wèn)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(shí)現(xiàn)真正意義上的基站間協(xié)調(diào)[6]。LTE- Advanced中使用光纖對(duì)X2接口進(jìn)行升級(jí)后,就可以利用這個(gè)增強(qiáng)的高速X2接口進(jìn)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(jiàn)采用RoF光纖,X2接口甚至可以從一個(gè)單純的控制面接口擴(kuò)展為一個(gè)用戶面/控制面綜合接口,實(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線資源分配

  無(wú)線通信系統(tǒng)都是資源相對(duì)受限的系統(tǒng),例如頻率,功率,吋隙等,面對(duì)多樣化、復(fù)雜化的用戶需求,高速多變的業(yè)務(wù)類(lèi)型,以及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)能耗的嚴(yán)格約束,移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中急需解決的問(wèn)題是如何更充分合理地使用有限的無(wú)線資源,保證用戶的數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)中無(wú)線資源分配的概念十分廣泛,它既可以是系統(tǒng)時(shí)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(gè)子頻帶上發(fā)射功率的分配。無(wú)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(wú)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(wú)線資源分配策略,快速、動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定的調(diào)整無(wú)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(shí)減小使用復(fù)雜管理方式帶來(lái)的負(fù)面效果,如信令負(fù)荷、功率消耗和通信負(fù)載等[3]。

  第二章跨層勢(shì)博弈理論及模型

  孔子對(duì)他的弟子講:工欲善其事,必先利其器,意思是說(shuō)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(zhǔn)備工作非常重要。同樣,對(duì)于下一代移動(dòng)通信中的跨層資源分配,有針對(duì)性的理論框架設(shè)計(jì),能夠使得跨層資源分配模型的設(shè)計(jì)工作事半功倍。第一章中提到過(guò),為了滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)自優(yōu)化的要求,下一代移動(dòng)通信中的跨層資源分配,一方面需要降低跨層設(shè)計(jì)帶來(lái)的額外計(jì)算和時(shí)間損耗,構(gòu)建低復(fù)雜度的算法模型;另一方面跨層優(yōu)化器需要能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整多個(gè)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(gè)要求,本論文設(shè)計(jì)了跨層勢(shì)博弈理論模型,將一個(gè)跨層資源分配問(wèn)題映射為一個(gè)勢(shì)博棄過(guò)程,即可以保證算法尋優(yōu)過(guò)程的快速收斂,還實(shí)現(xiàn)了分布式的問(wèn)題求解,提高了算法的可擴(kuò)展性。一般地,如果一個(gè)策略博棄服從一個(gè)勢(shì)函數(shù),我們就說(shuō)它是一個(gè)勢(shì)博棄。勢(shì)函數(shù)可以理解為是參與者之間差異的衡量,或者說(shuō)等價(jià)于向納什均衡的偏移。勢(shì)博弈有一些很好的屬性,在某些條件下,所有的勢(shì)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(xué)習(xí)過(guò)程都收斂于一個(gè)納什均衡。換句話說(shuō),從任意一個(gè)狀態(tài)出發(fā),按照一定準(zhǔn)則,經(jīng)過(guò)有限步驟,參與者最終都能夠到達(dá)一個(gè)均衡狀態(tài)⑴[2][3]。

  本章主要研究了跨層勢(shì)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(shì)博弈理論,給出了勢(shì)博棄的定義和分類(lèi),并分析了幾類(lèi)勢(shì)博弈之間的關(guān)系;針對(duì)實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的完全勢(shì)博弈進(jìn)行了分類(lèi),并對(duì)每種類(lèi)型的勢(shì)博弈都給出了相應(yīng)的構(gòu)建勢(shì)函數(shù)的方法;分析了勢(shì)博弈迭代過(guò)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(shì)博弈的有限遞增屬性,并利用收斂的準(zhǔn)則和時(shí)序保證了迭代過(guò)程的快速收斂;證明了勢(shì)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(biāo);舉例說(shuō)明了勢(shì)博弈在移動(dòng)通信中的應(yīng)用;最后在前文內(nèi)容的基礎(chǔ)上給出了跨層勢(shì)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(tái)建模..................... 65-84

  3.1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置 ..................... 66-68

  3.2 業(yè)務(wù)級(jí)仿真設(shè)計(jì)與建模 ..................... 68-70

  3.3 系統(tǒng)級(jí)仿真設(shè)計(jì)與建模 ..................... 70-76

  3.4 鏈路級(jí)仿真設(shè)計(jì)與建模 ..................... 76-79

  3.5 仿真平臺(tái)性能驗(yàn)證..................... 79-82

  3.6 本章小結(jié)..................... 82-83

  3.7 參考文獻(xiàn)..................... 83-84

  第四章 信道自適應(yīng)的自優(yōu)化跨層資源分配..................... 84-117

  4.1 下一代移動(dòng)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(yīng)視頻跨層資源..................... 90-98

  4.4 分布式自適應(yīng)視頻跨層資源分配..................... 98-104

  4.5 QoS驅(qū)動(dòng)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(xiàn)..................... 112-117

  第五章 主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xiàn)..................... 142-146

  結(jié)論

  移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展給現(xiàn)代人的日常生活帶來(lái)了巨大變革,形形色色的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),比如LTE、無(wú)線傳感網(wǎng)、無(wú)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(jī)無(wú)線上網(wǎng),大到“感知中國(guó)”、“智慧地球”等,無(wú)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(dòng)通信為代表的無(wú)線通信系統(tǒng)都是資源受限的系統(tǒng),高效、穩(wěn)定的無(wú)線資源管理對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的意義十分重大。面對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)多樣化、復(fù)雜化的用戶需求,高速多變的業(yè)務(wù)類(lèi)型,以及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)能耗和帶寬的嚴(yán)格約束,移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中急需解決的問(wèn)題是如何更充分合理的使用有限的無(wú)線資源,保證用戶的數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載時(shí)用戶的服務(wù)質(zhì)量以及系統(tǒng)的低能耗。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)模糊了嚴(yán)格的層間界限,將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)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(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化?鐚釉O(shè)計(jì)里多個(gè)層的聯(lián)合優(yōu)化利用了協(xié)議里多個(gè)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(dòng)通信中的跨層資源分配問(wèn)題,分別從理論建模和算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面研究了該問(wèn)題。一方面,利用勢(shì)博棄理論納什均衡的存在性和唯一性,以及勢(shì)博棄迭代過(guò)程的快速收斂,提出了跨層勢(shì)博棄理論框架,通過(guò)博弈參與者分布式的策略選擇,就可以達(dá)到最優(yōu)的跨層資源分配;另一方面,根據(jù)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中SON的設(shè)計(jì)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(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層的參數(shù),達(dá)到最優(yōu)跨層資源分配的目的,接下來(lái),通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整eNB在各個(gè)子信道上的發(fā)射功率值,主動(dòng)的改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境,實(shí)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(yàn)證本文提出算法的性能和復(fù)雜度,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了下一代移動(dòng)通信的跨層仿真平臺(tái)。本論文的主要工作可以總結(jié)如下:

  1、跨層勢(shì)博棄理論建模。本論文結(jié)合博棄論中的勢(shì)博弈理論和跨層優(yōu)化理論,通過(guò)元素映射和勢(shì)函數(shù)構(gòu)建,建立了跨層勢(shì)博棄的理論框架,保證了跨層優(yōu)化過(guò)程能夠收斂于一個(gè)最優(yōu)狀態(tài),并且保證了快速的收斂。研究了跨層勢(shì)博棄的理論模型,針對(duì)實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的完全勢(shì)博弈進(jìn)行了分類(lèi),并對(duì)每種類(lèi)型的勢(shì)博弈都給出了相應(yīng)的構(gòu)建勢(shì)函數(shù)的方法;分析了勢(shì)博弈迭代過(guò)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(zhǔn)則和時(shí)序;證明了勢(shì)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(biāo)。

  2、跨層資源分配仿真平臺(tái)建模與實(shí)現(xiàn)。從靜態(tài)的角度研系統(tǒng)仿真的相關(guān)內(nèi)容和問(wèn)題,搭建了下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)級(jí)仿真平臺(tái)。這里所用的靜態(tài)仿真是根據(jù)蒙特卡洛方法思想來(lái)完成的,包括對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的多次獨(dú)立采樣,其中每一次采樣稱為一次“快照”,進(jìn)行多次采樣后,獲得系統(tǒng)多個(gè)瞬間的狀態(tài),統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的性能。利用該仿真平臺(tái),可以對(duì)研究中的新技術(shù)和新算法進(jìn)行方便、快速、直觀的驗(yàn)證和評(píng)估,縮短了新技術(shù)開(kāi)發(fā)的成本和周期。

  3、移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)信道自適應(yīng)的跨層資源分配策略設(shè)計(jì)。面向下一代移動(dòng)通信中的視頻跨層優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入研究,同時(shí)提取鏈路層、物理層和應(yīng)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(shí)延限制等指標(biāo),研究下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)下行視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)傳輸場(chǎng)景,首先根據(jù)視頻內(nèi)容的特點(diǎn)和模糊屬性,提出了基于模糊多目標(biāo)決策的跨層調(diào)度模型;接下來(lái)針對(duì)視頻業(yè)務(wù)跨層資源分配算法復(fù)雜度高的問(wèn)題,提出了跨層勢(shì)博弈資源分配模型,實(shí)現(xiàn)了分布式的求解框架,降低了算法時(shí)間復(fù)雜度,提高了算法的可擴(kuò)展性;此外,提出了梯度投影的博弈收斂準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了博弈迭代過(guò)程的并行收斂,保證了收斂的速度。

  4、主動(dòng)式跨層干擾協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)。研究考慮物理層、鏈路層、應(yīng)用層的跨層設(shè)計(jì)模型,通過(guò)調(diào)整物理層的參數(shù),協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾,達(dá)到主動(dòng)改善業(yè)務(wù)傳輸信道質(zhì)量的目的,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(yàn)。首先分析了下一代移動(dòng)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(lái)從三個(gè)方面,逐層遞進(jìn)的對(duì)主動(dòng)式的跨層資源分配策略進(jìn)行描述。

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衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的論文(通用7篇)07-26

無(wú)線通信技術(shù)及在電力通信專(zhuān)網(wǎng)中的運(yùn)用分析論文04-11

教育教學(xué)中現(xiàn)代即時(shí)通信的利弊分析12-20

Meta分析論文發(fā)表之寫(xiě)作思路與流程11-10

關(guān)于通信工程傳輸技術(shù)的應(yīng)用分析(精選8篇)07-26

第三代移動(dòng)通信技術(shù)及其應(yīng)用論文04-29

論審計(jì)方法體系05-17

淺談智能移動(dòng)電話與移動(dòng)智能網(wǎng)的發(fā)展08-08