【摘要】：近年來,隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,智能手機等終端設備的數(shù)目呈現(xiàn)出爆炸式的增長。與此同時,多媒體應用大量涌現(xiàn),用戶對各類業(yè)務、服務等的需求也在不斷攀升。這些現(xiàn)象對現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)提出了嚴峻的考驗。為了應對快速增長的流量,支持多種多樣業(yè)務的服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS)需求,移動運營商們在已有蜂窩網(wǎng)絡中部署多類型基站,并引入無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)來提升系統(tǒng)性能。這種由多類型基站和多種網(wǎng)絡協(xié)議所構成的網(wǎng)絡架構被稱為無線異構網(wǎng)絡。在移動通信網(wǎng)絡中,用戶接入控制和資源分配是保證用戶業(yè)務的QoS需求和提升系統(tǒng)性能的關鍵。隨著網(wǎng)絡架構的升級,傳統(tǒng)的用戶接入控制和資源分配機制也需要進行進一步研究,以適應無線異構網(wǎng)絡架構。相比于僅由宏基站組成的蜂窩網(wǎng)絡,無線異構網(wǎng)絡帶來許多新的挑戰(zhàn),包括干擾更加嚴重、負載分布不均勻、上下行覆蓋不對稱、上下行業(yè)務量不對稱、接入網(wǎng)絡類型多樣化等。此外,由于多樣性業(yè)務的不斷出現(xiàn),用戶通常具有差異化的QoS需求。如何在無線異構網(wǎng)絡環(huán)境下,通過高效可靠的用戶接入控制和資源分配機制,保證用戶的QoS需求以及提升系統(tǒng)性能,是一個值得深入研究的問題。因此,本文針對無線異構網(wǎng)絡的兩類典型場景:異構蜂窩網(wǎng)絡和蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡,對用戶接入控制和資源分配機制進行了系統(tǒng)深入的研究。本文主要工作和貢獻如下:1)研究異構蜂窩網(wǎng)絡中支持多樣性業(yè)務類型的資源分配問題,為異構蜂窩網(wǎng)絡設計了動態(tài)TDD(Time Division Duplex,TDD)傳輸協(xié)議,并結合該傳輸協(xié)議設計出保證用戶業(yè)務流服務質(zhì)量的資源分配方案。用戶業(yè)務的多樣性體現(xiàn)在差異化的QoS需求上。在異構蜂窩網(wǎng)絡中,不均勻的負載分布和多樣性業(yè)務會帶來小區(qū)內(nèi)流量需求的上、下行不對稱性。這種不對稱性在熱點區(qū)域部署的小小區(qū)中表現(xiàn)的尤為明顯。動態(tài)TDD模式可以應對這種上、下行流量需求的不對稱性,但是無法解決對多樣性業(yè)務的支持,且?guī)淼母弊饔檬菄乐氐暮晡⒒局g的跨鏈路干擾問題。為了緩解這種跨鏈路干擾,保證多樣性業(yè)務的QoS需求,并提高資源利用率,本文將跨鏈路干擾緩解機制和多樣性業(yè)務流的資源分配方案的設計有效結合在一起。首先,本文為TDD異構蜂窩網(wǎng)絡設計出一種新的傳輸協(xié)議作為干擾緩解機制。在此基礎上,引入效用函數(shù)來表征用戶業(yè)務的差異化QoS需求,并將用戶業(yè)務流的資源分配問題建模成網(wǎng)絡效用最大化問題。基于優(yōu)化理論,利用兩層分解方法對該問題進行求解,并設計了多項式復雜度的求解算法。仿真驗證了相比于已有研究,所提出的結合跨鏈路干擾緩解的資源分配方案,不僅提升了上、下行盡力服務業(yè)務流的平均吞吐量,而且可以有效降低soft QoS業(yè)務流的中斷概率。2)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡中的用戶接入控制問題,提出用戶上行蜂窩優(yōu)先接入機制,并得出基于WLAN可行狀態(tài)集合的業(yè)務流接入條件。為了應對移動通信流量的增長,移動運營商通過部署WLAN來卸載蜂窩網(wǎng)的流量。蜂窩網(wǎng)絡和WLAN構成了蜂窩-WLAN異構融合網(wǎng)絡。在WLAN中,WLAN接入點(Access Point,AP)和用戶設備通過競爭方式訪問信道,且在競爭信道的優(yōu)先級上沒有差別。由于固有上、下行競爭信道的不對稱性,WLAN中主要的競爭來源于上行流的數(shù)據(jù)傳輸。隨著蜂窩網(wǎng)中的上行流量不斷被卸載到WLAN中,競爭越激烈,這將顯著降低WLAN的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。為了保證各類業(yè)務的吞吐量需求,并降低WLAN中的競爭和沖突,本文設計出一種最大化WLAN信道利用率和系統(tǒng)吞吐量的接入控制策略,即用戶上行蜂窩優(yōu)先接入策略。本文利用排隊理論對WLAN中數(shù)據(jù)幀傳輸進行建模,推導出在給定WLAN狀態(tài)下各類業(yè)務流的平均吞吐量,以及WLAN的可行狀態(tài)集合。進一步的,基于WLAN可行狀態(tài)集合,得出各類業(yè)務流接入條件。最后,通過仿真實驗,驗證了理論分析的精確性;此外,相比于WLAN優(yōu)先接入機制,所提機制在不影響蜂窩網(wǎng)絡下行吞吐量的前提下,可以提升WLAN的信道利用率,以及融合網(wǎng)絡整體下行吞吐量。3)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡中吞吐量和功耗感知的接入控制問題,提出了基于勢博弈模型的用戶接入控制機制。在蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡中,影響用戶體驗的不僅有其可達吞吐量,還有其功率消耗等。從系統(tǒng)角度考慮,WLAN將上行流量遷移到蜂窩網(wǎng)中可以獲得最大化的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。但是從用戶角度考慮,上行流量的遷移將帶來功耗的提升。因此在此場景下,系統(tǒng)吞吐量和用戶功耗之間存在折中關系。如果在對用戶上行數(shù)據(jù)流進行遷移時,忽略用戶功耗,將會對用戶的體驗造成影響�；谏鲜鍪聦�,本文在設計用戶上行接入控制策略時,同時考慮到用戶的吞吐量和功耗對其性能的影響。本文利用排隊理論對WLAN中的數(shù)據(jù)幀傳輸進行建模,并引入效用函數(shù)表征用戶的滿意程度,進一步將用戶上行接入控制問題建模成博弈問題,并通過博弈理論尋找該問題的解,即納什均衡點。最后通過仿真仿真評估所提出的接入控制機制對系統(tǒng)性能的影響,驗證了所提接入控制機制相比于WLAN優(yōu)先接入機制,可以有效提升所有用戶的下行可達吞吐量。
【圖文】：

２）選址、維護困難。宏基站通常需占用較大面積土地，且具有較高發(fā)率。在人口密集的城市地區(qū)，由于電磁輻射污染、城市土地使用代貴等會使得站點位置的選擇變得越來越困難；此外，隨著宏基站數(shù)增加，網(wǎng)絡的規(guī)劃、優(yōu)化和基站的建設、維護都成為運營商的挑戰(zhàn)３）難以保證室內(nèi)覆蓋和熱點區(qū)域的ＱｏＳ。移動數(shù)據(jù)流量具有聚集特性統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，２／３左右的語音業(yè)務以及９０％以上的數(shù)據(jù)業(yè)務產(chǎn)生內(nèi)場景（如辦公室、住宅等）和人口密集的熱點場景（如商場、車站對于室內(nèi)場景，由于穿墻的損耗較大，室內(nèi)用戶和宏基站之間的信量較差，室內(nèi)用戶的吞吐量難以得到保證；對于熱點區(qū)域，宏基站載可能過重，導致用戶的ＱｏＳ需求得不到保障。逡逑由于通過部署更多數(shù)目的宏基站對蜂窩網(wǎng)絡進行密集化操作存在以上缺點，ＬＴＥ－Ａ系統(tǒng)通過在宏蜂窩網(wǎng)絡中部署低功率節(jié)點，用來卸載熱點區(qū)域基站的負載、提高系統(tǒng)容量、提升小區(qū)邊緣用戶的服務質(zhì)量和增強室內(nèi)覆蓋些低功率節(jié)點還具有部署簡單、維護成本低等優(yōu)點。這種在宏蜂窩中部署低節(jié)點所構成的網(wǎng)絡被稱為異構蜂窩網(wǎng)絡。圖１．１是一個ＬＴＥ－Ａ異構蜂窩網(wǎng)絡示意圖。下面將以ＬＴＥ－Ａ為例，對異構蜂窩網(wǎng)絡架構進行簡單介紹。逡逑

逑圖１．２邋３ＧＰＰ－ＷＬＡＮ融合機制演進［３１丨逡逑３ＧＰＰ自Ｒｅｌｅａｓｅ邋８以來持續(xù)對蜂窩和ＷＬＡＮ的網(wǎng)絡融合進行研宄，圖１．２逡逑給出了邋３ＧＰＰ網(wǎng)絡和ＷＬＡＮ融合機制演進的示意圖。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋８提出了基于逡逑接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能（Ａｃｃｅｓｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ邋ａｎｄ邋Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，逡逑ＡＮＤＳＦ）邋［３２］的接入網(wǎng)選擇機制。此機制下，用戶在蜂窩－ＷＬＡＮ融合網(wǎng)絡中，由逡逑蜂窩網(wǎng)運營商給出的策略輔助進行切換決策。運營商的策略存儲在部署于核心網(wǎng)逡逑的ＡＮＤＳＦ實體。在此機制下，，用戶只允許接入一個網(wǎng)絡，或同時使用兩個網(wǎng)絡逡逑接口，但是服務不同應用。３ＧＰＰ進一步的提出利用接入網(wǎng)信息對基于ＡＮＤＳＦ逡逑的策略進行補充，如圖１．２中間子圖所示。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋１２提出了蜂窩網(wǎng)和逡逑ＷＬＡＮ的無線互操作（ｒａｄｉｏ邋ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ）邋［３３］。在無線互操作下，一個應用可以逡逑同時使用兩個網(wǎng)絡接口進行數(shù)據(jù)傳輸，用戶的流量可以根據(jù)接入網(wǎng)參數(shù)、蜂窩和逡逑７逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【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：2562441