無線移動通信系統(tǒng)中由于無線資源的稀缺決定了資源分配在系統(tǒng)性能方面的重要性,伴隨移動通信網(wǎng)路的飛速發(fā)展和業(yè)務需求的爆炸式增長,有限的無線資源與多媒體業(yè)務不斷提高的服務質量(Qo S,Quality of Service)需求之間的矛盾日益尖銳,迫切需要既能提高網(wǎng)絡整體性能又可以支持高質量多媒體業(yè)務的無線資源分配策略,使得資源分配的研究成為移動通信系統(tǒng)的熱點核心問題之一。多載波通信技術因其能在多徑衰落環(huán)境中高速傳輸數(shù)據(jù)且具有較高的頻譜利用率而備受關注,正交頻分復用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術作為多載波通信技術的代表,因其具有抗頻率選擇性衰落和高速數(shù)據(jù)傳輸而被應用到無線通信的很多領域。其中,長期演進(LTE,Long Term Evolution)/LTE-Advanced系統(tǒng)作為多載波通信系統(tǒng)最具代表性的標準化系統(tǒng),通過采用多天線(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技術、多點協(xié)作(Co MP,Coordinated Multiple Point Transmission/Reception)傳輸、終端直通(D2D,Device-to-Device)通信等多種關鍵技術,期望給用戶提供更為廣泛優(yōu)質的通信服務,如更高的數(shù)據(jù)速率,更大的系統(tǒng)容量,更好的網(wǎng)絡覆蓋。針對多載波通信系統(tǒng)中多用戶、多業(yè)務的動態(tài)資源分配問題,本文逐步研究了資源分配過程中的動態(tài)資源調度分配算法、跨層優(yōu)化分配算法以及下行功率分配算法,并基于LTE-Advanced系統(tǒng)對于Qo S保障、資源利用率以及公平性等系統(tǒng)性能進行了仿真分析,具體的工作如下:首先,針對LTE-Advanced系統(tǒng)中對于不同業(yè)務類型的服務質量(QoS)所帶來的無線動態(tài)資源調度需求,目前很多研究僅在特定場景下討論了系統(tǒng)的最優(yōu)性能,本文提出了一種更具有普適性的自適應雙模式資源調度算法。本算法通過對傳輸時延,用戶優(yōu)先級和系統(tǒng)性能折中權重因子三個參數(shù)的配置,使得所引入的調度機制能夠適用于不同的系統(tǒng)性能目標,降低了個體業(yè)務Qo S保障對于系統(tǒng)資源利用率以及公平性的影響,簡化了滿足不同系統(tǒng)性能需求的模式切換過程復雜度�；贚TE-Advanced場景的仿真分析表明了本文所提算法能夠有效地依據(jù)各業(yè)務的Qo S等級標識(QCI,Qo S Class Identifier)等級保障其時延預算,同時在Qo S保障、系統(tǒng)資源利用率以及公平性間獲得良好的折中,并依據(jù)不同的應用場景和系統(tǒng)性能目標進行調整,從而具有更廣泛的應用空間。其次,針對LTE-Advanced系統(tǒng)網(wǎng)絡中存在的彈性業(yè)務對無線傳輸速率的需求,本文提出了一種基于跨層策略的資源分配算法,該算法根據(jù)網(wǎng)絡中速率可控的彈性業(yè)務需求及資源狀況,自適應地調整業(yè)務速率從而提高系統(tǒng)性能。本算法采用跨層優(yōu)化策略,以最大化系統(tǒng)中彈性業(yè)務流的效用和為目標,對應用層、MAC層和物理層進行聯(lián)合優(yōu)化。應用分步求解理論,將跨層優(yōu)化算法的目標函數(shù)分解為速率控制問題以及子載波資源分配問題進行分別求解,其中對于速率控制問題可以由凸優(yōu)化方法進行迭代求解;而子載波資源分配問題則通過拉格朗日變換求解。基于LTE-Advanced場景的仿真分析表明,所提基于跨層的優(yōu)化算法不僅可以實現(xiàn)對彈性用戶的速率控制,而且通過與其他兩種跨層優(yōu)化算法的仿真比較都具有很好的系統(tǒng)性能指標。最后,針對更加復雜的多用戶以及各種業(yè)務Qo S需求同時存在的情況,本文提出了一種基于遺傳算法的下行鏈路功率優(yōu)化分配算法,用以盡可能地兼顧各類業(yè)務的Qo S需求及公平性要求,采用最大化系統(tǒng)效用模型研究下行鏈路功率分配問題。通過建立效用函數(shù),將系統(tǒng)中抽象的下行鏈路功率資源轉化成直觀的數(shù)值化指標,并將最大化系統(tǒng)效用和函數(shù)作為研究問題的系統(tǒng)優(yōu)化目標,運用智能計算中的遺傳算法對功率分配模型進行分析求解�；贚TE-Advanced場景的仿真分析表明,無論是在只保證Qo S用戶的服務需求條件下,還是系統(tǒng)中Qo S用戶和盡力而為(BE,Best Effort)用戶同時需要滿足服務的條件下,本算法都能獲得明顯的系統(tǒng)吞吐量與總效用性能,能夠保證在LTE-Advanced系統(tǒng)出現(xiàn)多種復雜業(yè)務需求同時存在時,同樣具有系統(tǒng)性能優(yōu)勢。本文所提出的動態(tài)資源調度、跨層優(yōu)化和下行功率分配算法逐步討論了多載波通信系統(tǒng)中的無線資源分配問題,并論述了算法對于系統(tǒng)資源利用率、公平性以及Qo S保障等性能的提升。本文針對多載波系統(tǒng)所提出的資源分配算法雖然其仿真驗證的過程是在LTE-Advanced系統(tǒng)場景下,但是該算法主要是討論多載波系統(tǒng)在不同業(yè)務需求下的資源分配問題,有潛在的可能為多載波通信系統(tǒng)在諸如5G等方面的未來應用提供一定的理論基礎。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2114114