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下一代移动通信体系之跨层资源配置分析
第一章绪论
从信息论的角度讲，通信是指信息的传递和交换。如打电话，它是利用电话线路来传递和交换消息：人和人之问的谈话，是利用声音来传递和交换消息;古时候用的 “消息树”、“烽火台”和现代仍使用的“信号灯”等则是利用光的方式传递消息。通信的目的是传递信息，信息具有不同的形式，例如：语言、文字、数据、图像、符号等等。随着社会的发展，信息的种类越来越多，人们对传递信息的要求和手段也越来越高。在通信的实现过程中，信息的传递是通过信号来进行的，如：红绿灯信号、狼烟、电压、电流信号等，信号是信息传递的载体。通信技术的发展历史，伴随着信息传递载体的不断变革，自从马可尼第一次向世人展示了无线电波通信的神奇，移动通信技术开始了不断创新的发展历程。一直到70年代贝尔实验室首次提出了先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝移动通信网，大大提高了系统容量，移动通信技术的发展走进了日新月异的时代[1]。移动通信技术的迅速发展有两个原因：一是蜂窝网概念的提出，真正解决了公用移动通信系统要求容量大与无线频谱资源有限之间的矛质，使得移动通信系统真正意义上实用化、公众化;二是大规模集成电路技术的发展和微处理器技术的日趋成熟，为大型通信网的控制和管理提供了技术手段，也为移动通信系统从模拟蜂窝网发展到数字蜂窝网提供了技术基础。本章接下来的内容主要从下一代移动通信系统的无线资源管理要求出发，引出了下一代移动通信系统中跨层资源分配的概念;介绍了本论文的主要内容及贡献;并对全文的组织结构进行了概述。
1.1课题研究背景
移动通信技术的迅猛发展和移动通信用户需求的不断发展，使得越来越多的移动系统解决方案不断涌现。同时人们对移动通信服务的不断依赖，也加剧了各个移动运营商，设备商之间的竞争。为了满足不断渴望得到新型业务的用户需求，3GPP在2004年年底启动了长期演进(LTE)技术的标准化工作，从网络构架、系统性能要求、业务支持能力.网络的部署场景、与现有各个系统的演进和互通关系等方面对LTE技术做了详细的描述[2]。与之前移动通信系统相比，LTE具有如下技术特点：支持最大带宽为20MHz，采用了 OFDM技术，全面提高传输速率和频谱利用率;系统的整体架构基于分组交换实现，同时通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务的服务质量系统支持多种带宽，除了 20MHz的最大带宽外，还能够支持1.5MHz、3MHz. 5MHz. lOMHz和15MHz等系统带宽，以及“成对”与“非成对”的频谱部署，保证网络部署时的灵活性[5]。
LTE相关技术标准化接近于完成之时，3GPP开始了 LTE-Advanced项目，主要有以下几个特点：扁平化的网络体系设计，针对室内和热点游牧场景进行优化，有效支持新频段和大带宽应用，大幅提升峰值速率，改进频谱效率，支持网络的自优化和自配置，有效降低网络的成本和功耗_]。从3G到LTE涌现出了大量的新技术，蜂窝小区的链路容量己经逼近丫香农限，从雄纯的链路预算的角度來看，LTE-Advanced目标中所要求的高速数据速率需要很高的信道SINR，而这个SINR在传统的广域蜂窝网络中是+可能达到的，因此LTE-Advanced主要强调了从LTE的平滑演进，不再进行大规模的技术革新，而是在LTE已有技术的基础上，对无线资源进行更加高效、动态的管理和网络层的优化。LTE-Advanced中的主要技术包括多频段协同与频谱整合、中继技术、分布式天线和小区间协作技术[8]，本论文主要讨论基于小区间协作技术的跨层资源分配问题。
LTE系统支持相邻eNode B之间的Mesh连接，但用于连接的X2接口的能2力比较弱，它的传输延迟大于20ms,因此很难实现真正意义上的基站间协调[6]。LTE- Advanced中使用光纤对X2接口进行升级后，就可以利用这个增强的高速X2接口进行快速的基站间的合作与协调，从而获得协同发送/接收增益[9]。如见采用RoF光纤，X2接口甚至可以从一个单纯的控制面接口扩展为一个用户面/控制面综合接口，实现和分布式天线系统相似的数据联合发送和接收，LTE-Advanced下的基站间协同如图1-1所示。
1.2下一代移动通信系统中的无线资源分配
无线通信系统都是资源相对受限的系统，例如频率，功率，吋隙等，面对多样化、复杂化的用户需求，高速多变的业务类型，以及整个系统对能耗的严格约束，移动通信系统发展过程中急需解决的问题是如何更充分合理地使用有限的无线资源，保证用户的数据速率、网络高负载时用户的服务质量以及系统的低能耗。下一代基于 OFDMA的移动通信系统中无线资源分配的概念十分广泛，它既可以是系统时频资源的调度，也可以是调制编码方式的选择，还可以是用户业务速率的选择或者小区中每个子频带上发射功率的分配。无线资源分配的核心就是在有限资源的条件下，为用户提供更好、多样化的服务质量，特别是在无线信道质量较差、小区间干扰变化剧烈的情况下，采用合理的无线资源分配策略，快速、动态、稳定的调整无线传输参数和分配网络中的可用资源，最大限度地提高用户服务质量，同时减小使用复杂管理方式带来的负面效果，如信令负荷、功率消耗和通信负载等[3]。
第二章跨层势博弈理论及模型
孔子对他的弟子讲：工欲善其事，必先利其器，意思是说工匠想要把自己的工作做好，一定要先使工具锋利，喻指要做好一件事，准备工作非常重要。同样，对于下一代移动通信中的跨层资源分配，有针对性的理论框架设计，能够使得跨层资源分配模型的设计工作事半功倍。第一章中提到过，为了满足网络设计自优化的要求，下一代移动通信中的跨层资源分配，一方面需要降低跨层设计带来的额外计算和时间损耗，构建低复杂度的算法模型;另一方面跨层优化器需要能够动态调整多个网络层的参数，这就需要优化算法能够快速的收敛到最优解。根据这两个要求，本论文设计了跨层势博弈理论模型，将一个跨层资源分配问题映射为一个势博弃过程，即可以保证算法寻优过程的快速收敛，还实现了分布式的问题求解，提高了算法的可扩展性。一般地，如果一个策略博弃服从一个势函数，我们就说它是一个势博弃。势函数可以理解为是参与者之间差异的衡量，或者说等价于向纳什均衡的偏移。势博弈有一些很好的属性，在某些条件下，所有的势博奔都存在纯策略的纳什均衡;在一些不是很苟刻的条件下，参与者的学习过程都收敛于一个纳什均衡。换句话说，从任意一个状态出发，按照一定准则，经过有限步骤，参与者最终都能够到达一个均衡状态⑴[2][3]。
本章主要研究了跨层势博弈的理论模型，介绍了博弈论中的发展历史以及一些基本概念，引出了势博弈理论，给出了势博弃的定义和分类，并分析了几类势博弈之间的关系;针对实际中应用最广泛的完全势博弈进行了分类，并对每种类型的势博弈都给出了相应的构建势函数的方法;分析了势博弈迭代过程的收敛性，介绍了纳什均衡的存在性和唯一性需要满足的条件，证明了势博弈的有限递增属性，并利用收敛的准则和时序保证了迭代过程的快速收敛;证明了势博弈均衡状态的稳定性，分析了均衡状态的最优性，并给出了衡量博弃最优性的指标;举例说明了势博弈在移动通信中的应用;最后在前文内容的基础上给出了跨层势博弈模型的建模方法和步骤。
第三章 跨层资源分配仿真平台建模..................... 65-84
3.1 仿真平台结构及相关参数设置 ..................... 66-68
3.2 业务级仿真设计与建模 ..................... 68-70
3.3 系统级仿真设计与建模 ..................... 70-76
3.4 链路级仿真设计与建模 ..................... 76-79
3.5 仿真平台性能验证..................... 79-82
3.6 本章小结..................... 82-83
3.7 参考文献..................... 83-84
第四章 信道自适应的自优化跨层资源分配..................... 84-117
4.1 下一代移动通信中的SON技术..................... 85-88
4.2 视频流业务跨层资源分配模型 ..................... 88-90
4.3 基于模糊决策的自适应视频跨层资源..................... 90-98
4.4 分布式自适应视频跨层资源分配..................... 98-104
4.5 QoS驱动的视频跨层资源分配 ..................... 104-112
4.6 本章小结..................... 112
4.7 参考文献..................... 112-117
第五章 主动式跨层资源分配策略研究..................... 117-146
5.1 小区间干扰协调模型 ..................... 118-120
5.2 多小区协同动态功率分配..................... 120-126
5.3 分布式多小区节能 ..................... 126-132
5.4 主动式跨层干扰协调..................... 132-141
5.5 本章小结 ..................... 141-142
5.6 参考文献..................... 142-146
结论
移动通信技术的飞速发展给现代人的日常生活带来了巨大变革，形形色色的无线网络，比如LTE、无线传感网、无线局域网、Zigbee等都己经成为了人们生活密不可分的组成部分，小到打电话、手机无线上网，大到“感知中国”、“智慧地球”等，无线网络已经渗透到了人们生活的方方面面。然而，以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统，高效、稳定的无线资源管理对无线通信系统的意义十分重大。面对下一代移动通信系统多样化、复杂化的用户需求，高速多变的业务类型，以及整个系统对能耗和带宽的严格约束，移动通信系统发展过程中急需解决的问题是如何更充分合理的使用有限的无线资源，保证用户的数据速率、网络高负载时用户的服务质量以及系统的低能耗。无线网络的跨层设计模糊了严格的层间界限，将分散在网络各个子层的特性参数协调融合。所有层间可以交互信息，使得协议栈能够以合作的方式适应特定应用所需的QoS和网络状况的变化。跨层设计里多个层的联合优化利用了协议里多个层间的合作，可以获得多协议层的分集增益，大大提升网络的性能。本文围绕下一代移动通信中的跨层资源分配问题，分别从理论建模和算法设计两个方面研究了该问题。一方面，利用势博弃理论纳什均衡的存在性和唯一性，以及势博弃迭代过程的快速收敛，提出了跨层势博弃理论框架，通过博弈参与者分布式的策略选择，就可以达到最优的跨层资源分配;另一方面，根据下一代移动通信系统中SON的设计理念，利用小区间协同技术，首先提出了能够根据信道条件的不断变化，自适应的动态调整网络各个层的参数，达到最优跨层资源分配的目的，接下来，通过动态调整eNB在各个子信道上的发射功率值，主动的改善无线网络传输环境，实现抑制小区间干扰，降低功耗，提高吞吐量的目的。此外，为了验证本文提出算法的性能和复杂度，设计并实现了下一代移动通信的跨层仿真平台。本论文的主要工作可以总结如下：
1、跨层势博弃理论建模。本论文结合博弃论中的势博弈理论和跨层优化理论，通过元素映射和势函数构建，建立了跨层势博弃的理论框架，保证了跨层优化过程能够收敛于一个最优状态，并且保证了快速的收敛。研究了跨层势博弃的理论模型，针对实际中应用最广泛的完全势博弈进行了分类，并对每种类型的势博弈都给出了相应的构建势函数的方法;分析了势博弈迭代过程的收敛性、纳什均衡的存在性和唯一性、有限递增属性以及收敛的准则和时序;证明了势博弈均衡状态的稳定性和最优性，并给出了衡量博弈最优性的指标。
2、跨层资源分配仿真平台建模与实现。从静态的角度研宄系统仿真的相关内容和问题，搭建了下一代移动通信系统业务级仿真平台。这里所用的静态仿真是根据蒙特卡洛方法思想来完成的，包括对下一代移动通信系统的多次独立采样，其中每一次采样称为一次“快照”，进行多次采样后，获得系统多个瞬间的状态，统计系统的性能。利用该仿真平台，可以对研究中的新技术和新算法进行方便、快速、直观的验证和评估，缩短了新技术开发的成本和周期。
3、移动视频业务信道自适应的跨层资源分配策略设计。面向下一代移动通信中的视频跨层优化技术进行深入研究，同时提取链路层、物理层和应用层的参数，包括视频源编码速率、分组丢失率以及视频时延限制等指标，研究下一代移动通信系统下行视频点播业务传输场景，首先根据视频内容的特点和模糊属性，提出了基于模糊多目标决策的跨层调度模型;接下来针对视频业务跨层资源分配算法复杂度高的问题，提出了跨层势博弈资源分配模型，实现了分布式的求解框架，降低了算法时间复杂度，提高了算法的可扩展性;此外，提出了梯度投影的博弈收敛准则，实现了博弈迭代过程的并行收敛，保证了收敛的速度。
4、主动式跨层干扰协调方案设计。研究考虑物理层、链路层、应用层的跨层设计模型，通过调整物理层的参数，协调小区间干扰，达到主动改善业务传输信道质量的目的，实现主动式的跨层资源分配策略，抑制小区间干扰，降低网络总体功耗，改善小区中用户特别是小区边缘用户的吞吐量，从而提供更好的业务质量，为用户提供更好地业务体验。首先分析了下一代移动通信系统中的小区间干扰，并建立了小区间干扰协调模型，接下来从三个方面，逐层递进的对主动式的跨层资源分配策略进行描述。
参考文献
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