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(wù)需求的爆炸式增長,有限的無線資源與多媒體業(yè)務(wù)不斷提高的服務(wù)質(zhì)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(luò)整體性能又可以支持高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)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(diǎn)核心問題之一。多載波通信技術(shù)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(guān)注,正交頻分復(fù)用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)作為多載波通信技術(shù)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(yīng)用到無線通信的很多領(lǐng)域。其中,長期演進(jìn)(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(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng),通過采用多天線(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)、多點(diǎn)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(guān)鍵技術(shù),期望給用戶提供更為廣泛優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù),如更高的數(shù)據(jù)速率,更大的系統(tǒng)容量,更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。針對多載波通信系統(tǒng)中多用戶、多業(yè)務(wù)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(diào)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(jìn)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(wù)類型的服務(wù)質(zhì)量(QoS)所帶來的無線動態(tài)資源調(diào)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(yīng)雙模式資源調(diào)度算法。本算法通過對傳輸時(shí)延,用戶優(yōu)先級和系統(tǒng)性能折中權(quán)重因子三個(gè)參數(shù)的配置,使得所引入的調(diào)度機(jī)制能夠適用于不同的系統(tǒng)性能目標(biāo),降低了個(gè)體業(yè)務(wù)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(fù)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(wù)的Qo S等級標(biāo)識(QCI,Qo S Class Identifier)等級保障其時(shí)延預(yù)算,同時(shí)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(yīng)用場景和系統(tǒng)性能目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,從而具有更廣泛的應(yīng)用空間。其次,針對LTE-Advanced系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的彈性業(yè)務(wù)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(luò)中速率可控的彈性業(yè)務(wù)需求及資源狀況,自適應(yīng)地調(diào)整業(yè)務(wù)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(wù)流的效用和為目標(biāo),對應(yīng)用層、MAC層和物理層進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。應(yīng)用分步求解理論,將跨層優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)分解為速率控制問題以及子載波資源分配問題進(jìn)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(jìn)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(shí)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(biāo)。最后,針對更加復(fù)雜的多用戶以及各種業(yè)務(wù)Qo S需求同時(shí)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(wù)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(zhuǎn)化成直觀的數(shù)值化指標(biāo),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(biāo),運(yùn)用智能計(jì)算中的遺傳算法對功率分配模型進(jìn)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(wù)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(shí)需要滿足服務(wù)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(fù)雜業(yè)務(wù)需求同時(shí)存在時(shí),同樣具有系統(tǒng)性能優(yōu)勢。本文所提出的動態(tài)資源調(diào)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(yàn)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(wù)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(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2114114