论文部分内容阅读
随着智能设备和各种高级多媒体应用的迅速普及,消费者对未来蜂窝无线通信的速率、时延、可靠性等需求已大大增加。国际电信联盟无线电通信组（International Mobile Telecommunications Union-Radio Communications Sector,ITU-R）已经为第五代移动通信（The 5th Generation,5G）制定了 10 Gbit/s的峰值速率要求。为了满足这一要求,人们越来越寄希望于将毫米波频段用于5G通信系统。与目前工作在微波频段上的通信系统相比,毫米波频段可以提供广阔的频谱资源,因而可以满足未来对超高速率的需求。尽管毫米波蜂窝通信具有巨大的潜力,但它仍然面临着诸多关键技术挑战,主要包括:（1）毫米波蜂窝网络的组网难题;（2）多频段毫米波异构网络的用户关联和资源分配难题;（3）多连接毫米波网络的用户关联难题;（4）毫米波增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband,eMBB）和超可靠低延时通信（Ultra-Reliable Low Latency Communications,URLLC）的协调共存难题;（5）毫米波移动宽带可靠低延时通信（Mobile Broadband Reliable Low Latency Communications,MBRLLC）和eMBB的协调共存难题。本论文针对上述问题进行了深入研究,旨在建立一个全面的、自上而下的毫米波通信网络的资源管理体系。首先,本文为毫米波超密集网络（Ultra-Dense Network,UDN）提出了一种新颖的基于软件定义网络（Software-Defined Network,SDN）的分层网络架构。为了降低管理复杂度和信令开销成本,该架构采取了半分布式的调度策略。基于此架构,本文提出了动态局部管理,移动性管理和用户中心式设计等三项关键技术,进一步提升毫米波UDN的性能表现。仿真结果表明,相比传统网络架构,本文所提网络架构在计算复杂度、负载均衡和能耗方面表现出了优势。其次,针对不同频段毫米波的不同传输特性,本文研究了多频段毫米波异构网络中的联合用户关联和资源分配问题。根据用户是否可以同时在多个毫米波频段上传输,考虑了两种不同的接入方案:单频段接入方案和多频段接入方案。对于单频段接入方案,首先推导出了最佳时隙分配的闭式表达式,然后提出了联合用户关联和功率分配的迭代算法。对于多频段接入方案,提出了基于马尔科夫近似框架的次优算法。分析结果表明,尽管多频段接入方案允许一个用户在多个频段上进行传输,但任意两个用户所接入的频段最多只能有一个是相同的。最后,数值结果表明,多频段接入方案的性能普遍优于单频段接入方案,尤其是在轻载情况下多频段接入方案的增益更加明显。再次,本文提出了一种基于机器学习的毫米波网络用户关联算法,该算法不需要信道状态信息（Channel Information State,CSI）,同时支持用户多连接。具体来说,我们首先将毫米波用户关联问题建模为一个多标签分类问题,然后通过高效的多标签分类算法将其转化为一系列的单标签分类问题。为了进一步降低对训练样本量的要求,我们利用概率图模型来表示用户关联场景,并采用新颖的特征提取方法从地理位置信息和拓扑信息中获取合适的特征。仿真结果表明,所提出的方法只需少量的训练样本,且不需要CSI,就能获得良好的性能。接着,本文提出了一种新颖的毫米波URLLC和eMBB协调共存方案,其中URLLC用户可以复用eMBB用户的频谱资源以提高系统频谱效率。利用排队论和矩阵几何理论,本文推导出了考虑多连接和阻碍效应的毫米波URLLC传输的时延和可靠性的表达式。基于此,本文设计了资源管理算法,在保证URLLC用户时延和可靠性要求的前提下,最大化eMBB用户的吞吐量。仿真结果表明,与传统的正交式协调共存方案相比,本文所提方案能有效地提高eMBB用户的数据传输速率。最后,本文介绍了第六代移动通信（The 6th Generation,6G）中一种新的业务形式——MBRLLC,并利用毫米波通信来实现MBRLLC在速率、稳定性和时延方面的要求。本文首先提出了一种新颖的MBRLLC和eMBB的协调共存方案,该方案在同一个时间尺度上对MBRLLC和eMBB用户进行调度。接着,提出了一个资源管理问题,以在满足MBRLLC用户QoS的条件下最大化eMBB用户的吞吐量。为了求解该问题,本文将其分为两个子问题,即MBRLLC用户的关联问题和eMBB用户的关联问题。对前者,首先推导出了 MBRLLC用户的多连接策略的设计准则,并据此提出了基于匹配理论的MBRLLC用户的关联算法。对后者,利用改进的匈牙利算法求得了最优解。仿真结果表明,所提方案可以在增加满足QoS条件的MBRLLC用户数的同时提升eMBB用户的吞吐量。本论文的探索和研究成果为设计更复杂的毫米波通信系统提供了理论基础,也为未来毫米波蜂窝通信系统的实际部署和商用提供了一定的理论支撑和有效的技术方案。