無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中能效優(yōu)先的功率分配和用戶接入研究.pdf

1、隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)頻譜資源有限和移動(dòng)數(shù)據(jù)流量井噴式增長(zhǎng)帶來(lái)的問(wèn)題,層疊覆蓋式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)應(yīng)運(yùn)而生。這種架構(gòu)可以有效解決現(xiàn)今移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量難題。各種小型基站技術(shù)的誕生和新的組網(wǎng)模式更是為運(yùn)營(yíng)商提供了低成本、可擴(kuò)展和可盈利的無(wú)線移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。小型基站指代的是包括微基站、微微基站和毫微微基站在內(nèi)的一類體積重量小、發(fā)射功率低、傳輸靈活和熱點(diǎn)覆蓋的基站。毫微微基站(F

2、emto Base Station, FBS)又名家庭基站,作為解決室內(nèi)高業(yè)務(wù)量需求而提出的用于第3代通信系統(tǒng)的技術(shù),得到學(xué)術(shù)界廣泛的研究。毫微微小區(qū)(femto cell)由于其較為成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì),率先得到大規(guī)模部署。其發(fā)展如今,已經(jīng)不限于室內(nèi)覆蓋,對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)、企業(yè)客戶甚至城區(qū)網(wǎng)絡(luò)的接入和吞吐量的提升都有涉及。但是由于毫微微基站與宏基站共享頻譜,其在組網(wǎng),如干擾、切換和維護(hù)等方面仍然存在許多不穩(wěn)定和不確定技術(shù)問(wèn)題。毫微微基站在部署上具

3、有隨機(jī)性,更多的時(shí)候用于補(bǔ)熱點(diǎn)和補(bǔ)盲點(diǎn)。如果大規(guī)模部署,站點(diǎn)和設(shè)備的維護(hù)面臨風(fēng)險(xiǎn)。其與宏基站共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的干擾協(xié)調(diào)和功率控制問(wèn)題尚需深入研究。
　　另一方面,伴隨著移動(dòng)蜂窩通信高增長(zhǎng)業(yè)務(wù),高能量消耗成本和高二氧化碳排放量,也給移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了壓力。當(dāng)今世界,綠色通信的主題被大范圍的討論起來(lái),綠色環(huán)保,節(jié)能減排的理念不斷地被強(qiáng)調(diào)。能量效率已經(jīng)成為了未來(lái)綠色節(jié)能通信的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在一個(gè)典型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,基站端的能耗占

4、據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的60％-80％。為了提高整個(gè)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率,提高基站端的能量效率顯得更為重要。
　　本文針對(duì)無(wú)線異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的綠色通信需求,研究了宏基站與毫微微基站層疊覆蓋的兩層網(wǎng)絡(luò)下的系統(tǒng)能效優(yōu)化問(wèn)題。在考慮能量效率和用戶信號(hào)質(zhì)量的情況下,一方面可以通過(guò)調(diào)整基站的發(fā)射功率來(lái)調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的能量效率,另一方面,在系統(tǒng)總功率固定的情況下,調(diào)整用戶的接入方式,以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)也能提高系統(tǒng)能效?；谝陨峡紤],本文的主要

5、成果如下:
　　1)根據(jù)femto網(wǎng)絡(luò)的具體特點(diǎn),通過(guò)分析系統(tǒng)能效的梯度公式,提出了分布式有交互的能效優(yōu)先的功率控制的具體實(shí)現(xiàn)方法,基于分布式梯度值交互,能有效地追蹤系統(tǒng)能效隨著功率值改變的變化情況,交互的信息量少,有效提升了系統(tǒng)能效,彌補(bǔ)對(duì)能效優(yōu)先的功率控制研究的不足。
　　2)運(yùn)用非合作博弈理論的思想,宏基站和femto基站分別自私地解決自身的能效最優(yōu)問(wèn)題,把其他發(fā)送基站的干擾作為噪聲求解一個(gè)能效優(yōu)先的注水問(wèn)題,根據(jù)其他

6、基站的功率帶來(lái)的干擾做出自身的最優(yōu)功率分配。各個(gè)發(fā)送基站采用改進(jìn)的能效優(yōu)先的注水算法尋找最有利自身能效提高的功率分配策略,多次更新迭代功率配置以達(dá)到博弈均衡。仿真結(jié)果顯示,本算法不僅提高吞吐量還兼顧到系統(tǒng)能量效率的提高,真正實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)先的通信。
　　3)研究混合接入模式下,基于打包拍賣模型的femto網(wǎng)絡(luò)的用戶接入機(jī)制,設(shè)計(jì)出讓femto簽約用戶和運(yùn)營(yíng)商經(jīng)濟(jì)雙贏的接入架構(gòu)。把混合接入的過(guò)程建立成一個(gè)前向多物品拍賣過(guò)程,并且采用打包

7、捆綁拍賣的思想,即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(WSP)把一個(gè)或者多個(gè)希望接入femtocell的用戶打包拍賣接入到贏家femtocell中。通過(guò)引入混合接入拍賣,宏用戶的吞吐量得到了顯著提高。與單物品拍賣相比,多物品拍賣對(duì)WSP來(lái)說(shuō)更加有利。因?yàn)槎辔锲放馁u更加靈活并且增加了競(jìng)拍價(jià)格的多樣性。使得更多的FBS可以參與到競(jìng)拍的過(guò)程中來(lái),通過(guò)引入競(jìng)拍對(duì)手,最終拍賣的價(jià)格更加有利于WSP。
　　本文通過(guò)分析建立系統(tǒng)能效模型,設(shè)計(jì)了基于凸優(yōu)化理論、博弈