异构网络中负载均衡和资源分配策略研究

发布时间：2017-04-16 09:08

  本文关键词：异构网络中负载均衡和资源分配策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：移动智能终端爆发式的增长以及与互联网的快速融合带来了无线数据流量的迅猛增长。与此同时,现有的移动数据业务呈现出不均匀分布的特点,例如现在超过50%的语音业务和70%的数据业务都发生在室内。因此,提高室内/热点的通信速率和服务质量成为通信技术的发展要求。异构网络(HetNet)技术通过在宏蜂窝网络层中布放大量低功率节点(LPN),提供室内/热点覆盖以及高服务速率,缓解现有蜂窝网络面临的移动数据业务爆炸性增长问题。然而HetNet技术也面临着新的挑战,包括负载不均衡、小区间干扰,以及潜在的高能耗等问题。面对上述的挑战,本文从负载均衡和资源分配的角度出发,针对如何进一步提高HetNet吞吐量性能、降低基站端能耗以及降低终端能耗三个方面,通过设计合理的优化目标并采用优化理论等方法,提出了相应的解决方案。 首先,由于频谱资源的稀缺性,在HetNet中采用同频部署是一种比较好的选择。为了体现HetNet技术的小区分裂增益,需要针对HetNet中不同层之间基站发射功率的差异性,研究新的用户归属方式将部分用户强制接入LPN以平衡基站间负载。然而由于同频复用,拓展用户会受到宏基站强烈的小区间干扰,又会导致吞吐量的降低,而需要进一步研究相应的干扰协调策略。考虑到负载均衡与干扰协调方案之间相互耦合相互影响,区别于传统研究中将两者分开独立优化设计,本文联合设计了负载均衡与基于空白子帧(ABSF)的干扰协调策略。本文建立了基于网络效用(该效用同时考虑了系统吞吐量和公平性)最大化的联合负载均衡和干扰协调的多变量非凸优化问题,通过推导得出ABSF子帧比例与负载均衡之间的闭式关系式：ABSF子帧比例为拓展区域用户数与总用户数之间的比值。利用该关系式,将原联合多变量优化问题等效为单变量负载均衡问题。针对单纯的负载均衡问题,本文采用贪婪算法提出了基于边际效用的用户归属方案,并以此确定ABSF子帧比例。更进一步,基于上述讨论中负载均衡的启示,本文将其拓展到实际应用场景,通过简化和近似,提出了基于网络负载的偏置值设置和ABSF图样设计方案。 其次,本文基于网络负载在时间上和空间上的波动性,设计了相应的负载均衡和资源分配策略以实现基站端节能。本文建立了基于系统能效最大的联合负载均衡和基站开/关策略的多变量非凸优化问题。当固定基站开/关图样的时候,系统能效最大化问题等效为一个单纯的负载均衡问题,在多接入场景下(即用户可以同时接入多个基站服务),该优化问题为凸优化问题而可以采用内点法得到最优解作为负载均衡策略性能上限,而在单接入场景下,本文通过将原最大化问题转化为最大-最小化问题,提出基于速率偏置因子的用户归属方案以及相应的资源分配策略。针对基站开/关问题,本文基于最优的负载均衡策略得出系统能效与关闭基站数之间的关系：系统能效随基站关闭数的增加呈下降或者先上升后下降的关系。基于上述关系,本文提出了一种低复杂度的基站开/关遍历算法,相比于传统的遍历算法,所提算法在保证最优性的同时大大降低了复杂度。更进一步,基于KKT条件,本文提出了一种次优的基站开/关算法,该算法在保证系统性能基本不下降的情况下进一步降低了复杂度(线性复杂度)。 最后,针对HetNet中由于不同层基站的发射功率不同而造成的上、下行不对称性,可以采用上、下行分离的用户归属技术,对于上行用户,提高终端的续航能力是一个亟待解决的问题。考虑到实际业务模型(例如视频业务以及语音业务)的突发特性及时延敏感特性,区别于现有研究中仅针对物理层性能度量的优化,本文考虑了业务的动态特性,针对如何在保证用户时延性能的基础上最小化终端能耗,设计了相应的负载均衡和功率控制方案。与此同时,本文还考虑了非理想线路功耗对功率控制方案的影响。本文建立了时延限制下的能耗最小化问题。在固定用户归属的情况下,本文研究了上行用户功率控制策略,在offline场景(用户到达信息在数据传输前已知)下,通过对卡罗需-库恩-塔克条件(KKT)的应用给出用户上行功率控制的启示：对于单个用户而言,如果当前时刻将此前所有到达的包传输完成,那么该时刻的功率注水水平比下一个时刻低,如果当前时刻刚能传输完D个时隙以前到达的包(D为最大时延限制),那么该时刻功率注水水平比下一个时刻高,并以此提出异构网络下相应的用户上行功率控制策略。基于offline场景得到的方案,本文提出了online场景(仅知道当前数据包到达信息)下的用户上行功率控制策略。随后,本文提出了一种基于迭代的用户归属方案,即在每一次迭代中将用户归属到信道最好的基站,并根据目标信干噪比(SINR)调整相应的发射功率。
【关键词】：异构网络 负载均衡 资源管理 干扰协调 节能 空白子帧 基站开/关 功率控制
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 绪论17-31
• 1.1 引言17-19
• 1.2 异构网络概述19-26
• 1.2.1 异构网络组网方式19-21
• 1.2.2 异构网络面临的挑战21-26
• 1.3 本文的研究内容26-31
• 1.3.1 研究内容与贡献26-28
• 1.3.2 本文结构28-31
• 第2章 异构网络建模及相关技术研究31-47
• 2.1 异构网络系统模型31-35
• 2.1.1 基于随机点过程的异构网络模型31-33
• 2.1.2 基于传统蜂窝拓扑的异构网络模型33-35
• 2.2 异构网络负载均衡技术35-38
• 2.2.1 基于小区拓展的负载均衡方案35-37
• 2.2.2 基于效用优化的负载均衡方案37-38
• 2.3 异构网络干扰协调技术38-43
• 2.3.1 时域干扰协调方案38-39
• 2.3.2 频域干扰协调方案39-41
• 2.3.3 空域干扰协调方案41-42
• 2.3.4 功率控制42-43
• 2.4 异构网络节能技术43-46
• 2.4.1 基于资源分配的节能技术44-45
• 2.4.2 基于负载自适应的节能技术45-46
• 2.5 小结46-47
• 第3章 联合负载均衡与干扰协调策略研究47-63
• 3.1 引言47
• 3.2 系统模型47-50
• 3.2.1 问题定义49-50
• 3.3 联合负载均衡和干扰协调方案设计50-54
• 3.4 仿真结果与性能分析54-59
• 3.5 实际应用拓展59-61
• 3.6 小结61-63
• 第4章 基于基站端节能的负载均衡及基站开/关策略63-83
• 4.1 引言63-64
• 4.2 系统模型64-65
• 4.2.1 功率模型65
• 4.2.2 问题定义65
• 4.3 负载均衡和基站开关策略设计65-77
• 4.3.1 固定基站开关下的负载均衡策略66-71
• 4.3.2 基站开关策略71-77
• 4.4 仿真结果与性能分析77-80
• 4.5 小结80-83
• 第5章 基于终端节能的负载均衡及功率控制策略83-115
• 5.1 引言83-84
• 5.2 系统模型84-86
• 5.2.1 功率模型84-85
• 5.2.2 问题定义85-86
• 5.3 基于固定比特数的单用户功率控制策略86-94
• 5.3.1 Offline场景最优功率控制策略87-91
• 5.3.2 Online场景功率控制策略91-94
• 5.4 基于数据包随机到达的单用户功率控制策略94-107
• 5.4.1 Offline场景最优功率控制策略96-103
• 5.4.2 Online场景功率控制策略103-107
• 5.5 多用户负载均衡及功率控制策略107-112
• 5.5.1 固定用户归属下的功率控制策略107-110
• 5.5.2 负载均衡策略110-112
• 5.6 仿真结果与性能分析112-114
• 5.7 小结114-115
• 第6章 总结115-119
• 6.1 进一步的研究方向116-119
• 6.1.1 5G新场景下的负载均衡与资源分配策略研究116-117
• 6.1.2 考虑实现约束条件下的负载均衡策略与资源分配策略研究117
• 6.1.3 联合上、下行的能效优化方法研究117-119
• 参考文献119-131
• 攻读博士学位期间的研究成果131-133
• 攻读博士学位期间的项目经历133-135
• 致谢135

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 秦仁武;陈一心;王高才;易向阳;;基于网络演算的无线传感器网络能效[J];计算机与现代化;2013年10期

2 曹家燕;邱玲;;一种基于有效容量的混合业务资源分配算法[J];中国科学院大学学报;2014年05期

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 杨英;LTE网络自优化方法研究[D];中国科学技术大学;2014年

2 李士超;非完善CSIT下MIMO系统能效优化方法研究[D];中国科学技术大学;2014年

3 任海豹;QoS保障的基站节能机制研究[D];中国科学技术大学;2014年

4 张鹤立;分层异构网络中干扰管理、用户连接及自组织技术研究[D];北京邮电大学;2014年

5 师向群;认知无线网络有效容量及功率控制研究[D];华南理工大学;2014年

6 Ahmedin Mohammed Ahmed;自组织社会网络中的数据管理中间件协议[D];大连理工大学;2014年

7 丰雷;无线接入网的资源分配和负载均衡自主优化机制[D];北京邮电大学;2015年

  本文关键词：异构网络中负载均衡和资源分配策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：310469