新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中基于干擾協(xié)調(diào)的資源分配.pdf

1、在以O(shè)FDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技術(shù)為核心的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異構(gòu)化已成為研究的熱點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，LTE-Advanced就已將異構(gòu)網(wǎng)納入其新特性中。通過在宏蜂窩覆蓋下部署一些低功率節(jié)點(diǎn)，如中繼、femto，可以增加容量、擴(kuò)大覆蓋，但同時(shí)也帶來了一些重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。尤其是新引入的低功率節(jié)點(diǎn)會(huì)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

2、中競(jìng)爭(zhēng)無線資源，并在傳統(tǒng)的宏小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一些新的小區(qū)，使網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出復(fù)雜的干擾環(huán)境，可能會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，甚至使異構(gòu)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)無法體現(xiàn)。因此，干擾管理研究在具有異構(gòu)特性的新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中顯得尤為重要。本文針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)研究了宏小區(qū)中分別存在中繼節(jié)點(diǎn)和femto基站所呈現(xiàn)的干擾情形，提出了新的干擾分析模型及方法，設(shè)計(jì)了基于凸優(yōu)化、博弈理論的多種干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，為干擾受限條件下的無線網(wǎng)絡(luò)資源分配提供了新的有效解決途徑。

3、　　本文首先通過分析中繼網(wǎng)絡(luò)的干擾情形，制定了劃分干擾級(jí)別的一般規(guī)則，并提出了一個(gè)整體干擾協(xié)調(diào)策略。該策略根據(jù)不同負(fù)載情況采用不同算法進(jìn)行資源分配，增加了資源使用的靈活性。通過在實(shí)際信道模型中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，表明該策略通過進(jìn)行小區(qū)內(nèi)/小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)，能夠有效提高系統(tǒng)吞吐量、提高系統(tǒng)的頻譜效率并增加調(diào)度的用戶數(shù)量。同時(shí)該方法沒有復(fù)雜的理論模型，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單并且實(shí)用，為干擾受限條件下的資源分配提供了有效的解決途徑。
　　同時(shí)，由于無線

4、網(wǎng)絡(luò)中的干擾主要來源于用戶之間對(duì)于有限資源的競(jìng)爭(zhēng)，如果不建立相應(yīng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，用戶會(huì)從自身的利益出發(fā)占用更多的資源，而不考慮對(duì)其他用戶所造成的影響?；诖耍槍?duì)干擾協(xié)調(diào)問題采用非合作博弈模型來建模，設(shè)計(jì)了一個(gè)干擾協(xié)調(diào)博弈框架。在該框架中，將用戶的效用定義為自身受到的干擾和產(chǎn)生的干擾總和，通過為單個(gè)用戶選擇最優(yōu)分配策略來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體收益的最大化。而且在資源分配時(shí)，考慮了用戶的信號(hào)強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)為了減少干擾而過分犧牲用戶速率的情形。同時(shí)為了降

5、低求解難度，將原博弈框架分解為兩個(gè)子博弈，并設(shè)計(jì)了預(yù)處理算法，使得博弈能夠經(jīng)過少量迭代得到資源分配的均衡，呈現(xiàn)出跟理論分析一致的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，相比于不進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)的機(jī)制，該方法能夠有效減少干擾并提高系統(tǒng)吞吐量。
　　研究干擾協(xié)調(diào)的主要目的之一是要增加用戶的速率，然而中繼節(jié)點(diǎn)的引入使得目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸從單跳變?yōu)榱藘商那樾?，用戶速率還會(huì)受限于中繼節(jié)點(diǎn)回程（backhaul）鏈路的吞吐量。因此本文基于Stackelberg模型

6、設(shè)計(jì)了一個(gè)兩階段博弈算法進(jìn)行資源分配，通過充分考慮回程鏈路與接入（access）鏈路之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)了兩跳鏈路之間的吞吐量平衡。相比于平均分配或者在兩跳鏈路中分別進(jìn)行最優(yōu)功率分配的機(jī)制而言，該算法解決了兩跳鏈路存在的瓶頸問題，提高了系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)該方法不僅可以用于本文所述場(chǎng)景，也能夠用于解決小區(qū)間負(fù)載不平衡等問題。
　　與中繼節(jié)點(diǎn)不同，femto基站的部署帶來了一個(gè)非常突出的問題，即盲區(qū)問題。在下行傳輸環(huán)境下，位于宏小區(qū)

7、邊緣的宏用戶會(huì)受到來自附近femto基站的強(qiáng)烈干擾。因此，針對(duì)這些受到強(qiáng)干擾的用戶，本文通過為其選擇接入點(diǎn)來達(dá)到減少干擾的目的。在開放模式下，設(shè)計(jì)了基于圖論的強(qiáng)干擾避免算法和基于完全信息博弈的干擾協(xié)調(diào)算法。前者在資源充足的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)干擾避免。而后者通過用戶間的博弈，能夠?qū)崿F(xiàn)更一般情形下的用戶接入點(diǎn)選擇。在混合接入模式下，設(shè)計(jì)了基于雙方叫價(jià)拍賣博弈的干擾協(xié)調(diào)算法，通過對(duì)接入權(quán)限的拍賣，促使femto基站愿意預(yù)留部分資源來接入非授權(quán)用