蜂窩網(wǎng)絡中的用戶公平性保障技術研究.pdf

1、隨著人類無線通信業(yè)務需求的增長，蜂窩通信系統(tǒng)相繼經(jīng)歷了從第一代到第四代的演進，歷史證明蜂窩網(wǎng)絡始終都扮演著為人們提供隨時隨地無線通信服務的最重要角色。目前業(yè)界針對第五代移動通信系統(tǒng)的研究也已拉開序幕。無線通信的5W目標要求所有人都可以進行所需要的通信，因此我們必須要保障蜂窩網(wǎng)絡用戶的公平性，以使得所有用戶都受到公平的待遇。在無線網(wǎng)絡中，這種待遇包括用戶的吞吐量、時延、阻塞率等性能。
　　全網(wǎng)用戶的公平性包含兩層含義，即小區(qū)內(nèi)用戶的

2、公平和小區(qū)間用戶的公平，其中小區(qū)間用戶的不公平問題通常是指由網(wǎng)絡中業(yè)務的不均勻分布引起的熱點小區(qū)阻塞率過高以及吞吐量性能降低等問題，而小區(qū)內(nèi)用戶不公平通常由不合理的時隙和信道分配引起。此外，由于系統(tǒng)效率和用戶公平之間此消彼長的關系，用戶公平性保障也需要兼顧系統(tǒng)效率。因此，如何通過高效的負載均衡技術提升小區(qū)間用戶公平性，如何設計小區(qū)內(nèi)資源分配機制保障小區(qū)內(nèi)用戶公平，以及如何聯(lián)合兩者高效地折中系統(tǒng)效率和用戶公平是蜂窩網(wǎng)絡公平性保障的關鍵問題

3、。本文將圍繞小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間用戶公平性保障問題展開研究：首先以宏蜂窩網(wǎng)絡的負載均衡問題為切入點來保障小區(qū)間用戶公平，繼而基于α公平和Jain指標保障了小區(qū)內(nèi)用戶公平，最后在異構蜂窩網(wǎng)絡中通過多資源的聯(lián)合調(diào)度從小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)兩個維度研究了用戶公平性保障問題。具體內(nèi)容如下：
　　1、傳統(tǒng)的基于小區(qū)選擇的負載均衡技術僅考慮兩小區(qū)協(xié)作，這會導致熱點小區(qū)阻塞率過高，從而引起小區(qū)間用戶不公平的問題。針對該問題，提出了基于小區(qū)協(xié)作鏈的多小區(qū)協(xié)作負

4、載均衡方法，該方法盡可能充分利用網(wǎng)絡中的空閑資源，從而提升了網(wǎng)絡資源利用率，降低了熱點小區(qū)及系統(tǒng)的阻塞率。為了降低協(xié)作開銷，我們考慮了最小級數(shù)小區(qū)協(xié)作鏈選擇問題，并將其建模為圖論中的最短路徑問題，從而基于BF算法提出了有效的負載均衡算法。此外，還證明了所提算法可以獲得最低的系統(tǒng)阻塞率，并利用多維馬氏鏈分析了系統(tǒng)阻塞率的下界。仿真結果表明基于小區(qū)協(xié)作鏈的負載均衡方法可以明顯降低熱點小區(qū)以及系統(tǒng)的阻塞率，改善網(wǎng)絡用戶的公平性。
　　2

5、、針對具有一定公平性要求的效率公平折中問題，在單小區(qū)慢衰落信道場景下從Jain指標的角度詳細研究了α公平對效率和公平的折中。通過求解α公平對應的α效用最大化問題，得到了系統(tǒng)效率和Jain指標的表達式，進而得出Jain指標隨α增加單調(diào)遞增而系統(tǒng)效率隨α增加單調(diào)遞減的結論。根據(jù)這些結論，繼而設計了快速收斂算法來選擇α以獲得系統(tǒng)所需要的效率或Jain指標。此外，還在基于軟頻率復用的宏蜂窩網(wǎng)絡場景中，聯(lián)合用戶關聯(lián)和小區(qū)內(nèi)調(diào)度優(yōu)化實現(xiàn)了全網(wǎng)用戶的

6、α公平。
　　3、針對具有短期和長期公平性需求的效率公平折中問題，在單小區(qū)下行OFDMA場景下研究了時隙和子信道分配問題，其以短期和長期Jain指標為約束，以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標。由于該問題是離散的NP難問題，采用了松弛、優(yōu)化、取整的方法，并從理論上證明了該問題的松弛取整具有較小的誤差。此外，還深入探討了短期和長期公平之間的關系，指出短期公平不一定能保證長期公平，它是否成立取決于公平性的定義以及從短期性能參數(shù)獲得長期性能參數(shù)所使

7、用的平均方法。
　　4、異構蜂窩網(wǎng)絡中由基站覆蓋范圍不同引發(fā)的負載不均衡現(xiàn)象和宏基站對小基站所服務的用戶產(chǎn)生較大干擾的現(xiàn)象導致了網(wǎng)絡內(nèi)用戶的不公平問題，因此我們聯(lián)合優(yōu)化了用戶關聯(lián)、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、功率控制以及小區(qū)內(nèi)資源分配以實現(xiàn)全網(wǎng)用戶的比例公平，其中小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)通過間歇性靜默宏基站來實現(xiàn)，也稱為資源分割。由于所建立問題是多維變量組合非凸優(yōu)化，提出了基于坐標輪換法的迭代算法，其中在每一次迭代中首先聯(lián)合優(yōu)化資源分割、用戶關聯(lián)及小區(qū)