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面向具有统计QoS保障的无线网络容量域分析和资源分配

杨健  
【摘要】:未来无线通信网络不仅能够支持高业务负载,而且可以为终端用户提供多样化服务。不同的业务对服务质量要求有所不同,如何保障无线网络的服务质量是一个极具挑战的课题。无线信道容量随时间、频率、功率、带宽不断变化,导致实际无线通信系统无法始终提供确定的服务质量保障。因此,时间平均速率要求、队列平均时延要求等统计服务质量要求已经成为衡量终端用户服务水平的重要指标。同时,在通信资源受限的无线网络中,资源优化是一种提高无线通信网络容量域和能量效率并保障统计服务质量的有效途径。基于此,本文主要研究具有统计服务质量保障的无线网络容量域,以及无线网络为终端用户提供统计服务质量保障的高效资源分配机制。总的来说,本论文的主要贡献罗列如下。1.研究了存在随机数据到达和统计服务质量要求的无线网络容量域问题。通过结合有效容量和有效带宽的概念并利用扩散逼近理论,设计了一种用于分析无线网络容量域的通用理论框架。继而,基于所提的通用理论框架,在信道状态信息已知和未知两种情况下,分析了点到点通信系统的容量域,并给出了对应的容量域表达式。结果表明统计服务质量通过随机到达过程的二阶统计量影响容量域的大小。此外,通过理论分析和数学推导,证明了以下结论:具有服务质量保障的容量域小于队列稳定容量域;如果系统可以忍受无限长的队列时延,则可以仅用随机到达过程的一阶统计量描述容量域;队列长度超过给定门限的概率随着门限长度的递增成指数衰减。最后,通过仿真验证了以上理论分析。2.研究了无线供电通信系统中的队列平均时延保障问题。以最小化时间平均功率消耗和提供数据队列平均时延保障为目标,提出了一个在线跨层的功率和时间分配算法。随后,证明了该在线算法可以适用无线信道和数据到达先验分布信息未知的场景。继而,利用李雅普诺夫优化理论和凸优化理论,证明了所提算法可以实现功率开销和队列平均时延的折中,而且这种折中关系可以量化为[O(1/V),O(V)]。此外,为系统设计提供了一种平衡功率开销和队列平均时延的方法。最后,仿真结果验证了理论分析的正确性,并证实了所提算法不仅可以保障队列平均时延,而且可以降低系统的平均功率消耗。3.研究了混合供电的正交频分多址小区网络中的最小时间平均速率保障问题。通过联合考虑可再生能源控制、功率分配和子载波分配,提出了一个次优的在线资源分配算法以最小化平均电网能量消耗。此外,利用对偶分解理论、原始问题分解理论、凸优化理论和李雅普诺夫优化理论,证明了以下结论:所提次优算法的复杂度是子载波个数和用户个数的线性函数;当基站装备的可充电电池容量趋于无穷大时,所提次优算法的性能可以无限接近最优算法的性能。随后,提出了一种实现该次优算法的系统架构,并分析了相应的实现开销(如信令开销、存储开销等)。最后,通过仿真验证了理论分析结果,并证实了所提次优算法可以显著地降低电网能量开销。


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