異構網絡中負載均衡和資源分配策略研究.pdf

1、移動智能終端爆發(fā)式的增長以及與互聯網的快速融合帶來了無線數據流量的迅猛增長。與此同時，現有的移動數據業(yè)務呈現出不均勻分布的特點，例如現在超過50％的語音業(yè)務和70％的數據業(yè)務都發(fā)生在室內。因此，提高室內/熱點的通信速率和服務質量成為通信技術的發(fā)展要求。異構網絡(HetNet)技術通過在宏蜂窩網絡層中布放大量低功率節(jié)點(LPN)，提供室內/熱點覆蓋以及高服務速率，緩解現有蜂窩網絡面臨的移動數據業(yè)務爆炸性增長問題。然而HetNet技術也面臨

2、著新的挑戰(zhàn)，包括負載不均衡、小區(qū)間干擾，以及潛在的高能耗等問題。面對上述的挑戰(zhàn)，本文從負載均衡和資源分配的角度出發(fā)，針對如何進一步提高HetNet吞吐量性能、降低基站端能耗以及降低終端能耗三個方面，通過設計合理的優(yōu)化目標并采用優(yōu)化理論等方法，提出了相應的解決方案。
　　首先，由于頻譜資源的稀缺性，在HetNet中采用同頻部署是一種比較好的選擇。為了體現HetNet技術的小區(qū)分裂增益，需要針對HetNet中不同層之間基站發(fā)射功率的差

3、異性，研究新的用戶歸屬方式將部分用戶強制接入LPN以平衡基站間負載。然而由于同頻復用，拓展用戶會受到宏基站強烈的小區(qū)間干擾，又會導致吞吐量的降低，而需要進一步研究相應的干擾協(xié)調策略?？紤]到負載均衡與干擾協(xié)調方案之間相互耦合相互影響，區(qū)別于傳統(tǒng)研究中將兩者分開獨立優(yōu)化設計，本文聯合設計了負載均衡與基于空白子幀(ABgF)的干擾協(xié)調策略。本文建立了基于網絡效用（該效用同時考慮了系統(tǒng)吞吐量和公平性）最大化的聯合負載均衡和干擾協(xié)調的多變量非凸優(yōu)

4、化問題，通過推導得出ABSF子幀比例與負載均衡之間的閉式關系式:ABSF子幀比例為拓展區(qū)域用戶數與總用戶數之間的比值。利用該關系式，將原聯合多變量優(yōu)化問題等效為單變量負載均衡問題。針對單純的負載均衡問題，本文采用貪婪算法提出了基于邊際效用的用戶歸屬方案，并以此確定ABSF子幀比例。更進一步，基于上述討論中負載均衡的啟示，本文將其拓展到實際應用場景，通過簡化和近似，提出了基于網絡負載的偏置值設置和ABSF圖樣設計方案。
　　其次，本

5、文基于網絡負載在時間上和空間上的波動性，設計了相應的負載均衡和資源分配策略以實現基站端節(jié)能。本文建立了基于系統(tǒng)能效最大的聯合負載均衡和基站開/關策略的多變量非凸優(yōu)化問題。當固定基站開/關圖樣的時候，系統(tǒng)能效最大化問題等效為一個單純的負載均衡問題，在多接入場景下（即用戶可以同時接入多個基站服務），該優(yōu)化問題為凸優(yōu)化問題而可以采用內點法得到最優(yōu)解作為負載均衡策略性能上限，而在單接入場景下，本文通過將原最大化問題轉化為最大-最小化問題，提出基

6、于速率偏置因子的用戶歸屬方案以及相應的資源分配策略。針對基站開/關問題，本文基于最優(yōu)的負載均衡策略得出系統(tǒng)能效與關閉基站數之間的關系:系統(tǒng)能效隨基站關閉數的增加呈下降或者先上升后下降的關系?；谏鲜鲫P系，本文提出了一種低復雜度的基站開/關遍歷算法，相比于傳統(tǒng)的遍歷算法，所提算法在保證最優(yōu)性的同時大大降低了復雜度。更進一步，基于KKT條件，本文提出了一種次優(yōu)的基站開/關算法，該算法在保證系統(tǒng)性能基本不下降的情況下進一步降低了復雜度（線性復

7、雜度）。
　　最后，針對HetNet中由于不同層基站的發(fā)射功率不同而造成的上、下行不對稱性，可以采用上、下行分離的用戶歸屬技術，對于上行用戶，提高終端的續(xù)航能力是一個亟待解決的問題?？紤]到實際業(yè)務模型（例如視頻業(yè)務以及語音業(yè)務）的突發(fā)特性及時延敏感特性，區(qū)別于現有研究中僅針對物理層性能度量的優(yōu)化，本文考慮了業(yè)務的動態(tài)特性，針對如何在保證用戶時延性能的基礎上最小化終端能耗，設計了相應的負載均衡和功率控制方案。與此同時，本文還考慮了非

8、理想線路功耗對功率控制方案的影響。本文建立了時延限制下的能耗最小化問題。在固定用戶歸屬的情況下，本文研究了上行用戶功率控制策略，在offiine場景（用戶到達信息在數據傳輸前已知）下，通過對卡羅需-庫恩-塔克條件(KKT)的應用給出用戶上行功率控制的啟示:對于單個用戶而言，如果當前時刻將此前所有到達的包傳輸完成，那么該時刻的功率注水水平比下一個時刻低，如果當前時刻剛能傳輸完D個時隙以前到達的包（D為最大時延限制），那么該時刻功率注水水平