论文部分内容阅读
随着视频分享网络、在线游戏、社交网络等通信业务迅速崛起,为满足局部通信业务的高实时性及高速率需求,学者和工程师提出了蜂窝与终端直通(Device-to-Device,D2D)融合网络,从而提高了网络频谱利用率和能量效率、降低了传输时延并减轻了蜂窝网络的通信负载。然而,伴随着终端直通通信的应用,蜂窝与终端直通(D2D)融合网络面临着严峻的资源竞争难题。以蜂窝与终端直通(D2D)融合网络为研究场景,依据吞吐量为主要指标,本文首先针对频谱资源专用模式研究了单小区正交性融合网络的最优联合资源管理方法。其次,针对频谱资源复用模式研究了多小区多能源融合网络中联合干扰消除和干扰抑制的资源管理方法。进一步,考虑未来无线通信网络的密集化趋势,为了降低资源管理方法的时间复杂度和信令交互开销,研究了大规模多小区融合网络的分布式资源管理方法。具体地,本文的主要研究内容和成果如下:1.研究单小区正交性蜂窝与终端直通(D2D)融合网络的联合资源管理。考虑信道衰落的随机性、业务到达的动态性以及控制变量的耦合性,基于李雅普诺夫优化理论(Lyapunov optimization)、对偶优化理论(Dual optimization)和椭圆搜索法(Ellipsoid search),提出了一种多项式级别时间复杂度(Polynomial time complexity)的联合业务流量控制、通信模式选择、正交信道分配和功率控制的最优资源管理方法(DTMR)。业务流量控制均衡网络总吞吐量和排队时延,通信模式选择充分利用终端直通通信的近域增益,而正交信道分配和功率控制提升蜂窝用户和D2D终端的性能。DTMR方法能够在保障用户吞吐量需求的约束下最大化正交性融合网络的总吞吐量。其次,通过对通信模式选择和正交信道分配中二进制变量的解耦和,本文还提出了一种快速的启发式资源管理方法。再次,本文理论地分析了采用DTMR资源管理方法时网络总吞吐量的下界。仿真结果验证了DTMR资源管理方法在吞吐量性能指标上的优越性。2.研究多小区多能源蜂窝与终端直通(D2D)融合网络在频谱资源复用模式下的电能均衡及资源管理。考虑动态的业务到达、时变的信道衰落、震荡的能源采集和多种能源消耗,通过业务流量控制均衡网络总吞吐量和排队时延,并联合串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)和功率控制来协调蜂窝用户和D2D终端在复用信道上的同层干扰和跨层干扰。基于李雅普诺夫优化理论和连续性凸优化方法(Sequential convex programming),提出了一种较低时间复杂度的联合资源管理方法(LSPSCA),在保障串行干扰消除可行性、队列稳定性、能量守恒、能源储存容量等约束的条件下,尝试着最大化网络总吞吐量。LSPSCA资源管理方法通过保持可再生能源队列的稳定性来均衡可再生能源的采集、消耗和储存,并保障有限能源储存容量的需求。基于串行干扰消除的功率控制采用两步式算法结构。首先,依据串行干扰消除的增益与剥离的干扰信号强度之间的关系提出了一种低复杂度的串行干扰消除调度方法。随后,将串行干扰消除的可行性条件转换为一系列关于信道衰落状态和发射功率的线性约束,并利用功率控制问题中目标函数的“凸函数减凸函数”形式来设计连续性凸近似搜索方法,使得LSPSCA资源管理方法能够在较低时间复杂度的情况下获得局部最优解。本文仿真结果验证了业务流量控制在网络总吞吐量和排队时延之间的均衡关系,以及联合串行干扰消除和功率控制的增益。3.研究大规模多小区蜂窝与终端直通(D2D)融合网络在频谱资源复用模式下的分布式资源管理。采用独立的泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)建模蜂窝基站、蜂窝用户和D2D发送终端的位置。依据部分频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)方案和信道衰落的统计特性,利用随机几何理论推导蜂窝用户的SINR覆盖概率(Coverage probability)的解析式。在分布式的资源管理机制下,本文将蜂窝用户的SINR覆盖概率需求等价地转换为关于D2D发送终端的发射功率在时间平均上的约束,量化了D2D终端对蜂窝用户上行通信的性能影响,并定义了每一个D2D发送终端的个体干扰阈值(Individual Interference Budget,IIB)。该D2D个体干扰阈值是关于蜂窝基站及D2D终端密度、蜂窝用户需求、蜂窝中心小区范围、信道模型等网络参数的函数。依据D2D发送终端的个体干扰阈值,考虑时变的信道衰落和动态的D2D业务到达,利用李雅普诺夫优化理论,本文提出了基于干扰预估的分布式联合业务流量控制和功率控制方法(DIDA),以及四种简单可行的D2D接收终端的平均聚合干扰预估方法。DIDA方法使得D2D终端独自地最大化其吞吐量效用函数,并且所有D2D终端联合地保障大规模多小区融合网络中蜂窝用户在时间平均上的SINR覆盖概率需求。本文还理论地分析了D2D终端的性能界,并证明了,无论D2D接收终端的聚合干扰预估是否准确,DIDA资源管理方法始终能够保障蜂窝用户的SINR覆盖概率。仿真结果表明,动态的D2D接收终端的平均聚合干扰预估方法更适用于大规模多小区融合网络的分布式资源管理。相对于其他对比方法,基于干扰预估的DIDA资源管理方法能够取得显著的吞吐量性能增益。