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《北京邮电大学》 2012年
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LTE及Macrocell/Femtocell双层网络无线资源管理的研究

刘淑慧  
【摘要】:本文研究了长期演进(Long Term Evolution, LTE)网络及宏蜂窝/家庭基站(Macrocell/Femtocell)双层网络中先进的无线资源管理(Radio Resource Management, RRM)技术。论文主要内容分为两部分:LTE网络无线资源管理算法的研究及Macrocell/Femtocell双层网络无线资源管理的研究。对于LTE网络主要的RRM算法的研究包括:基于LTE时分双工(Time Division Duplexing, TDD)系统的混合业务场景下非理想赋形天线及调度算法的研究;基于LTE系统,考虑小区间干扰(Inter-Cell Interference, ICI),利用博弈论提出系统动态资源分配方案;基于LTE上行系统,把上行干扰限制功率控制方案和软频率复用(Soft Frequency Reuse, SFR)相结合,提出有效的分布式资源分配方案。对于Macrocell/Femtocell双层网络主要RRM算法的研究包括:Macrocell/Femtocell双层网络架构中干扰分析及分布式资源分配的研究,基于博弈论理论,提出一种子信道和功率分配相互迭代的算法; Macrocell/Femtocell双层网络架构中垂直切换的研究,提出一种考虑Femtocell接入类型、用户速率、网络当前运行状况、网络运营成本等因素的优化方案。 LTE网络的演进发展及双层网络能够相互协调为用户提供满意服务,不仅需要系统架构升级优化,更需要RRM算法的不断创新和升级。RRM算法是关系到整个网络性能的关键因素。本文首先介绍了LTE系统的基本知识,包括正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)和天线多输入多输出(Multiple InputMultiple Output, MIMO)等关键技术,进一步介绍了系统的帧结构、无线资源分配特点(小区间干扰、动态子信道分配、分布式网络架构等)。另外介绍了Femtocell的基本知识,包括引入背景、网络基本架构、接入方式等。接下来详细阐述了系统级移动通信仿真平台的构建,包括场景选择、模块设计、仿真流程梳理、不同系统仿真平台的差异等。然后分别对LTE网络和Macrocell/Femtocell双层网络无线资源管理算法进行研究和性能评估,分别较好的解决了一些热点难点问题,如LTE网络中的小区间干扰、资源分配和Macrocell/Femtocell双层网络中的层间干扰、垂直切换等问题。 本文的研究点主要包括以下几个部分: 首先,LTE系统采用正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA),较码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)系统多了一维频域资源,论文给出一种时频域跨层调度算法,灵活的使用频率资源,获得了频域分集增益。 其次,随着用户对业务种类需求的增加,且要求系统保证不同业务的服务质量(Quality of Service, QoS),需要讨论在混合业务场景下LTE调度算法的性能。论文选取文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)和视频业务作为典型的混合业务场景,提出一种自适应紧急门限调度器来改善系统吞吐量,且保证多种业务的QoS需求。仿真表明新提出的算法不仅能够保证实时业务的QoS,还能够保证整个系统的性能不会受到很大影响。 第三,LTE系统中,小区间如何有效的分配资源(功率、子信道等)来抑制小区间干扰,得到好的系统性能和用户体验是研究的一个热点。论文在此部分中,首先利用博弈论理论,来分别给出了LTE上行系统和下行系统分布式无线资源分配算法。其中,小区间干扰协调(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)模型化为非合作博弈,纳什均衡的存在性证明了文中分布式资源分配方案的收敛性。并且根据博弈论提供的得到均衡态的方式,提出两种分布式资源分配定时方案:串行和并行定时方案。这种方案结合软频率复用且利用不同移动用户的位置信息,达到改善系统性能的目的。 第四,提出一种SFR和上行干扰限制功率控制方案相结合的分布式资源分配方案,来有效利用频率资源和功率资源,消除小区间干扰。这种方案适用于小区内和小区间负载不均衡情况,根据负载状况,动态调整算法参数,达到良好系统性能。自适应算法大大降低了最优资源分配复杂度,小区间仅需要较少的信令来协调。最后新方案把多小区资源分配方案分解成分布式单小区问题,算法简单灵活,更加适合实际应用。 第五,随着Femtocell的引入,一方面解决了室内覆盖和业务需求,另一方面也带来了很多挑战。首先是双层网络架构的存在,会引入新的跨层干扰,另外Femtocell布置的非计划性和数目众多的特性,要求科研工作者寻找一种分布式资源分配方案来对功率、频率资源进行合理分配,避免跨层干扰和大量的信令交互,获得好的性能。在本文中,首先分析了双层网络架构中干扰问题,然后利用博弈论提出一种功率和子载波分配的一种迭代过程,最后达到一个性能好的均衡点。最后提出一个宏蜂窝链路保证方案,用于在系统很拥挤的情况下,即承载的用户数目较大时,保证用于移动支撑性网络的宏蜂窝网络中用户服务质量。仿真结果表明新的分布式资源分配算法可以很好的解决Macrocell/Femtocell双层网络架构下资源分配,且算法具有低复杂度。 第六,主要对异构网络的移动性管理进行研究,选取的模型是Macrocell/Femtocell双层网络场景。综合多方面考虑,本章把切换决策问题抽象成:在一个Macrocell/Femtocell双层架构网络下,其中Femtocell是混合接入方式,网络如何决定哪些用户应该发起切换请求;通过优化设计好的目标函数,如何为这些切换候选用户找到合适的连接点?本文提出一个新的垂直切换方案来解决这个问题。分为两步:一是考虑多种实际的因素,如:信号接收强度、用户类型、速率等来挑选需要发起切换的候选用户,避免没有必要的切换;二是考虑到整个网络情况,优化目标函数。具体来讲,设计的目标函数可以包含运营商所关心的网络性能多种因素。在本篇论文中,把网络接入点负载的均衡性和业务成本的最小化作为混合的优化目标。此方案能够综合考虑运营商关注的多个因素,且能达到性能最优,具有很好的操作性和扩展性。仿真表明,新提出的算法与传统算法相比,能够更好的解决上面的切换决策问题。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN929.5

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