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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、數據、圖像、符號等等。隨著社會的發展，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。通信技術的發展歷史，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，移動通信技術開始了不斷創新的發展歷程。一直到70年代貝爾實驗室首次提出了先進移動電話系統(AMPS),建成了蜂窩移動通信網，大大提高了系統容量，移動通信技術的發展走進了日新月異的時代[1]。移動通信技術的迅速發展有兩個原因：一是蜂窩網概念的提出，真正解決了公用移動通信系統要求容量大與無線頻譜資源有限之間的矛質，使得移動通信系統真正意義上實用化、公眾化;二是大規模集成電路技術的發展和微處理器技術的日趨成熟，為大型通信網的控制和管理提供了技術手段，也為移動通信系統從模擬蜂窩網發展到數字蜂窩網提供了技術基礎。本章接下來的內容主要從下一代移動通信系統的無線資源管理要求出發，引出了下一代移動通信系統中跨層資源分配的概念;介紹了本論文的主要內容及貢獻;并對全文的組織結構進行了概述。
1.1課題研究背景
移動通信技術的迅猛發展和移動通信用戶需求的不斷發展，使得越來越多的移動系統解決方案不斷涌現。同時人們對移動通信服務的不斷依賴，也加劇了各個移動運營商，設備商之間的競爭。為了滿足不斷渴望得到新型業務的用戶需求，3GPP在2004年年底啟動了長期演進(LTE)技術的標準化工作，從網絡構架、系統性能要求、業務支持能力.網絡的部署場景、與現有各個系統的演進和互通關系等方面對LTE技術做了詳細的描述[2]。與之前移動通信系統相比，LTE具有如下技術特點：支持最大帶寬為20MHz，采用了 OFDM技術，全面提高傳輸速率和頻譜利用率;系統的整體架構基于分組交換實現，同時通過系統設計和嚴格的QoS機制，保證實時業務的服務質量系統支持多種帶寬，除了 20MHz的最大帶寬外，還能夠支持1.5MHz、3MHz. 5MHz. lOMHz和15MHz等系統帶寬，以及“成對”與“非成對”的頻譜部署，保證網絡部署時的靈活性[5]。
LTE相關技術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：扁平化的網絡體系設計，針對室內和熱點游牧場景進行優化，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，支持網絡的自優化和自配置，有效降低網絡的成本和功耗_]。從3G到LTE涌現出了大量的新技術，蜂窩小區的鏈路容量己經逼近丫香農限，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據速率需要很高的信道SINR，而這個SINR在傳統的廣域蜂窩網絡中是+可能達到的，因此LTE-Advanced主要強調了從LTE的平滑演進，不再進行大規模的技術革新，而是在LTE已有技術的基礎上，對無線資源進行更加高效、動態的管理和網絡層的優化。LTE-Advanced中的主要技術包括多頻段協同與頻譜整合、中繼技術、分布式天線和小區間協作技術[8]，本論文主要討論基于小區間協作技術的跨層資源分配問題。
LTE系統支持相鄰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,因此很難實現真正意義上的基站間協調[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調，從而獲得協同發送/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，實現和分布式天線系統相似的數據聯合發送和接收，LTE-Advanced下的基站間協同如圖1-1所示。
1.2下一代移動通信系統中的無線資源分配
無線通信系統都是資源相對受限的系統，例如頻率，功率，吋隙等，面對多樣化、復雜化的用戶需求，高速多變的業務類型，以及整個系統對能耗的嚴格約束，移動通信系統發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，保證用戶的數據速率、網絡高負載時用戶的服務質量以及系統的低能耗。下一代基于 OFDMA的移動通信系統中無線資源分配的概念十分廣泛，它既可以是系統時頻資源的調度，也可以是調制編碼方式的選擇，還可以是用戶業務速率的選擇或者小區中每個子頻帶上發射功率的分配。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、多樣化的服務質量，特別是在無線信道質量較差、小區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、穩定的調整無線傳輸參數和分配網絡中的可用資源，最大限度地提高用戶服務質量，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計，能夠使得跨層資源分配模型的設計工作事半功倍。第一章中提到過，為了滿足網絡設計自優化的要求，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計帶來的額外計算和時間損耗，構建低復雜度的算法模型;另一方面跨層優化器需要能夠動態調整多個網絡層的參數，這就需要優化算法能夠快速的收斂到最優解。根據這兩個要求，本論文設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過程的快速收斂，還實現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，我們就說它是一個勢博棄。勢函數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，從任意一個狀態出發，按照一定準則，經過有限步驟，參與者最終都能夠到達一個均衡狀態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建勢函數的方法;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的穩定性，分析了均衡狀態的最優性，并給出了衡量博棄最優性的指標;舉例說明了勢博弈在移動通信中的應用;最后在前文內容的基礎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 仿真平臺結構及相關參數設置 ..................... 66-68
3.2 業務級仿真設計與建模 ..................... 68-70
3.3 系統級仿真設計與建模 ..................... 70-76
3.4 鏈路級仿真設計與建模 ..................... 76-79
3.5 仿真平臺性能驗證..................... 79-82
3.6 本章小結..................... 82-83
3.7 參考文獻..................... 83-84
第四章 信道自適應的自優化跨層資源分配..................... 84-117
4.1 下一代移動通信中的SON技術..................... 85-88
4.2 視頻流業務跨層資源分配模型 ..................... 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驅動的視頻跨層資源分配 ..................... 104-112
4.6 本章小結..................... 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 小區間干擾協調模型 ..................... 118-120
5.2 多小區協同動態功率分配..................... 120-126
5.3 分布式多小區節能 ..................... 126-132
5.4 主動式跨層干擾協調..................... 132-141
5.5 本章小結 ..................... 141-142
5.6 參考文獻..................... 142-146
結論
移動通信技術的飛速發展給現代人的日常生活帶來了巨大變革，形形色色的無線網絡，比如LTE、無線傳感網、無線局域網、Zigbee等都己經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，大到“感知中國”、“智慧地球”等，無線網絡已經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都是資源受限的系統，高效、穩定的無線資源管理對無線通信系統的意義十分重大。面對下一代移動通信系統多樣化、復雜化的用戶需求，高速多變的業務類型，以及整個系統對能耗和帶寬的嚴格約束，移動通信系統發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，保證用戶的數據速率、網絡高負載時用戶的服務質量以及系統的低能耗。無線網絡的跨層設計模糊了嚴格的層間界限，將分散在網絡各個子層的特性參數協調融合。所有層間可以交互信息，使得協議棧能夠以合作的方式適應特定應用所需的QoS和網絡狀況的變化。跨層設計里多個層的聯合優化利用了協議里多個層間的合作，可以獲得多協議層的分集增益，大大提升網絡的性能。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，就可以達到最優的跨層資源分配;另一方面，根據下一代移動通信系統中SON的設計理念，利用小區間協同技術，首先提出了能夠根據信道條件的不斷變化，自適應的動態調整網絡各個層的參數，達到最優跨層資源分配的目的，接下來，通過動態調整eNB在各個子信道上的發射功率值，主動的改善無線網絡傳輸環境，實現抑制小區間干擾，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，設計并實現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如下：
1、跨層勢博棄理論建模。本論文結合博棄論中的勢博弈理論和跨層優化理論，通過元素映射和勢函數構建，建立了跨層勢博棄的理論框架，保證了跨層優化過程能夠收斂于一個最優狀態，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建勢函數的方法;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的穩定性和最優性，并給出了衡量博弈最優性的指標。
2、跨層資源分配仿真平臺建模與實現。從靜態的角度研宄系統仿真的相關內容和問題，搭建了下一代移動通信系統業務級仿真平臺。這里所用的靜態仿真是根據蒙特卡洛方法思想來完成的，包括對下一代移動通信系統的多次獨立采樣，其中每一次采樣稱為一次“快照”，進行多次采樣后，獲得系統多個瞬間的狀態，統計系統的性能。利用該仿真平臺，可以對研究中的新技術和新算法進行方便、快速、直觀的驗證和評估，縮短了新技術開發的成本和周期。
3、移動視頻業務信道自適應的跨層資源分配策略設計。面向下一代移動通信中的視頻跨層優化技術進行深入研究，同時提取鏈路層、物理層和應用層的參數，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下行視頻點播業務傳輸場景，首先根據視頻內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度模型;接下來針對視頻業務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、主動式跨層干擾協調方案設計。研究考慮物理層、鏈路層、應用層的跨層設計模型，通過調整物理層的參數，協調小區間干擾，達到主動改善業務傳輸信道質量的目的，實現主動式的跨層資源分配策略，抑制小區間干擾，降低網絡總體功耗，改善小區中用戶特別是小區邊緣用戶的吞吐量，從而提供更好的業務質量，為用戶提供更好地業務體驗。首先分析了下一代移動通信系統中的小區間干擾，并建立了小區間干擾協調模型，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。
參考文獻
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