OFDMA中继系统的无线资源管理策略研究

论文摘要

未来无线通信系统存在两对主要矛盾:增长的业务需求与紧张的无线资源间的矛盾以及无处不在的覆盖需求与复杂的无线环境间的矛盾。由于OFDMA技术具有高频谱效率并能抗多径干扰,中继技术能够扩大覆盖范围并提高链路可靠性,是缓解上述矛盾的有效手段。因此,OFDMA和中继技术已经作为下一代无线通信网络的核心技术,被写入了IEEE 802.16j和3GPP LTE-Advanced等标准化协议中。本文针对OFDMA中继系统关键问题之一的无线资源管理问题开展研究。首先对无线资源管理对于未来OFDMA中继系统的重要性进行了论述,之后分析了OFDMA中继网络相对于传统无中继网络在资源管理方面的差异性,以此作为论文研究的出发点。通过对问题的分析及对已有工作的总结,本文凝练出OFDMA中继系统无线资源管理方面目前仍待解决的四个方面问题,针对上述问题提供创新性的解决方案构成了本文的主体内容。针对对用户公平性考虑较少且不够完备的问题,本文提出了保证用户比例公平性的资源管理策略。通过对问题进行建模,将比例公平目标下的中继选择、子载波分配以及功率分配问题在数学上抽象为联合优化问题。为进行有效求解,先对整数待优化变量进行连续性放松,并证明了放松后问题的对偶差额为零。之后采用对偶分解的方法,将优化问题分解为主问题和子问题分别求解,针对子问题采用KKT条件求解,对主问题采用次梯度方法进行迭代求解。最终可以得到原问题的近似最优解,并由此得到保证比例公平性的资源管理策略。针对保障多业务的用户满意度问题,本文提出了区分业务的资源管理策略。用户对不同类业务具有不同的满意度特性,采用效用函数来刻画用户满意度,并考察实际系统中具有代表性的两类业务:会话类业务和背景类业务。资源管理的目标为保证会话类业务用户效用函数值为1时最大化背景类业务用户的总效用。利用凸优化理论,采用拉格朗日对偶方法可以获得优化问题的近似最优解。为降低复杂度,本文根据最优求解得到的结论进一步提出了低复杂度的启发式资源管理算法。针对保证队列稳定性的问题,本文提出了联合队列和信道信息的资源管理策略。已有研究一般假设队列一直有数据发送,但实际系统中用户业务的到达具有随机性,保证队列的稳定对于系统性能具有重要意义。由此,资源管理的目标是最大化系统吞吐量的同时保证用户队列的稳定。不同于已有研究的是,进行资源分配的目标函数不仅是信道状态的函数,还是用户队列状态的函数。将上述目标下的子载波配对、载波对在链路的分配及功率分配问题进行联合建模,之后在对偶域求解功率及载波对分配问题,并采用匈牙利法求解子载波配对问题。通过分步求解-迭代更新的方法可以使问题收敛到近似最优解。针对弹性业务的速率控制问题,本文提出了跨层资源管理策略。当网络中存在速率可控的弹性业务时,根据网络的资源状况自适应地调整业务速率可以提高系统性能。然而,如何将速率控制与资源分配相结合是具有挑战性的问题。由此,本文采用跨层思想,对应用层、MAC层和物理层进行联合优化,目标为最大化系统中弹性业务流的效用和。采用分解理论,将原问题分解为应用层的速率控制子问题和MAC/物理层的资源分配子问题分别求解,二者间通过“价格因子”相互关联。采用两层迭代的方法可以使原问题最终收敛到近似最优解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 无线通信系统面临的矛盾
• 1.2 OFDMA 中继系统的发展
• 1.2.1 中继理论基础
• 1.2.2 中继的应用与演进
• 1.2.3 OFDMA 中继系统的技术挑战
• 1.3 本文的贡献和结构
• 1.3.1 本文的研究内容和主要贡献
• 1.3.2 本文的组织结构
• 第2章 OFDMA 中继系统无线资源管理问题
• 2.1 系统模型
• 2.1.1 信道模型
• 2.1.2 多用户OFDM 系统
• 2.1.3 OFDMA 中继系统模型
• 2.2 中继与非中继OFDMA 网络资源管理差异
• 2.2.1 中继选择/小区内路由
• 2.2.2 分组调度
• 2.2.3 分布式定义与负载均衡
• 2.2.4 同信道干扰
• 2.3 问题的研究现状
• 2.3.1 问题概述
• 2.3.2 问题分类
• 2.3.3 最大化系统吞吐量问题研究
• 2.3.4 用户公平性问题研究
• 2.4 小结
• 第3章 OFDMA 中继网络保证比例公平性的资源管理策略
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型与问题描述
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 问题描述
• 3.3 问题分析与求解
• 3.3.1 凸优化与分解理论
• 3.3.2 本章问题求解
• 3.4 算法设计
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.5.1 仿真参量设置
• 3.5.2 结果与分析
• 3.6 小结
• 第4章 OFDMA 中继网络中区分业务的资源管理策略
• 4.1 引言
• 4.2 业务的满意度评价机制
• 4.3 系统模型与问题建模
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 问题建模
• 4.4 优化问题求解
• 4.4.1 问题转化
• 4.4.2 对偶域求解
• 4.5 启发式资源管理算法
• 4.5.1 会话类用户资源分配
• 4.5.2 背景类用户资源分配
• 4.5.3 算法总结
• 4.6 仿真结果与分析
• 4.7 小结
• 第5章 OFDMA 中继网络中联合队列和信道信息的资源管理策略
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型
• 5.2.1 网络模型
• 5.2.2 队列模型
• 5.3 问题建模
• 5.4 问题求解与算法设计
• 5.4.1 问题转化
• 5.4.2 对偶问题
• 5.4.3 对偶问题求解
• 5.4.4 算法设计
• 5.5 仿真结果与分析
• 5.6 小结
• 第6章 OFDMA 中继网络中的跨层资源管理策略
• 6.1 引言
• 6.2 跨层优化简介
• 6.3 系统模型与问题建模
• 6.3.1 系统模型
• 6.3.2 问题建模
• 6.4 问题求解与算法设计
• 6.4.1 原问题分解
• 6.4.2 速率控制子问题求解
• 6.4.3 资源分配子问题求解
• 6.4.4 算法设计
• 6.5 仿真结果与分析
• 6.6 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 7.2.1 信道信息不完整的资源管理
• 7.2.2 分布式资源管理
• 7.2.3 多小区资源管理
• 7.2.4 多类型中继节点共存的资源管理
• 参考文献
• 在读期间的研究成果
• 在读期间参与的项目
• 致谢