C-RAN架構(gòu)下高能效的資源分配相關(guān)問題研究.pdf

1、快速日益增長(zhǎng)的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及大量普及的高速數(shù)據(jù)應(yīng)用，促進(jìn)了無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)從3G到4G到現(xiàn)在5G的演進(jìn)，但同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來了許多新的挑戰(zhàn)，如由站點(diǎn)部署的密集化導(dǎo)致的系統(tǒng)功耗的增加等。而C-RAN(CloudRadio Access Network)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨問題的解決提供了可能。C-RAN是云無線接入網(wǎng)英文名稱的縮寫，其特點(diǎn)在于將傳統(tǒng)基站中的基帶處理單元和前端無線發(fā)射單元從地理位置上分隔開，通

2、過高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)將這兩個(gè)部分相連接，構(gòu)成一種分布式RRH（Remote Radio Head，遠(yuǎn)端射頻頭）結(jié)合集中式BBU（Baseband Unit，基帶處理單元）的架構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)一方面在于大大減少了基站選址建設(shè)部署方面的開銷及空調(diào)等相關(guān)配套設(shè)施的數(shù)量，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本及系統(tǒng)運(yùn)行的能量消耗;另一方面，集中式的處理架構(gòu)也使得一些大規(guī)模的資源分配及干擾協(xié)調(diào)算法在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)成為可能，網(wǎng)絡(luò)性能能夠有效得到提升。而與此同時(shí)，C-RA

3、N全新的系統(tǒng)架構(gòu)也帶來了一些新的技術(shù)層面的挑戰(zhàn)，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)高效的多天線協(xié)作算法及無線資源的聯(lián)合調(diào)度策略以充分利用C-RAN在架構(gòu)上帶來的優(yōu)勢(shì)。在這樣的背景下，本文從C-RAN整體架構(gòu)出發(fā)，以提高系統(tǒng)能效為目標(biāo)，對(duì)其中的資源分配相關(guān)問題進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)的策略。
　　首先是在基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分多址）接入機(jī)制的C-RAN架構(gòu)下進(jìn)行頻率資

4、源分配及干擾協(xié)調(diào)相關(guān)方面的策略設(shè)計(jì)，這部分內(nèi)容構(gòu)成了本文的前兩個(gè)研究點(diǎn)。第一個(gè)研究點(diǎn)是針對(duì)同構(gòu)小區(qū)的小區(qū)部署方式，采用基于部分頻率復(fù)用的策略進(jìn)行頻率資源的分配。這里將小區(qū)劃分為邊緣區(qū)域和中心區(qū)域兩個(gè)部分，對(duì)于邊緣區(qū)域中的業(yè)務(wù)負(fù)載提出了一種新型的基于圖染色的動(dòng)態(tài)頻率資源分配策略，同時(shí)考慮了鄰小區(qū)之間的干擾協(xié)調(diào)。對(duì)與小區(qū)中心區(qū)域的業(yè)務(wù)負(fù)載提出了以減少系統(tǒng)中處于工作模式BBU數(shù)量的資源分配策略，并將其與小區(qū)邊緣的頻率資源分配策略相結(jié)合，得出最

5、終的BBU與RRH的對(duì)應(yīng)資源分配方式。通過仿真和分析驗(yàn)證了所提策略的性能，相對(duì)于現(xiàn)有的較為固定的頻率資源費(fèi)分配方式及傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其能夠有效提升系統(tǒng)頻率資源利用率，并降低系統(tǒng)總功耗，從而實(shí)現(xiàn)較高的能量效率。
　　第二個(gè)研究點(diǎn)針對(duì)采用基于異構(gòu)小區(qū)部署的C-RAN架構(gòu)下的頻率資源分配策略進(jìn)行了研究，主要在研究點(diǎn)一的基礎(chǔ)上，改進(jìn)所提出的圖染色算法，使之適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。并采用系統(tǒng)級(jí)仿真方式，對(duì)所提策略的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)

6、果表明，相對(duì)于現(xiàn)有傳統(tǒng)架構(gòu)下異構(gòu)網(wǎng)頻率資源分配策略，所提策略相比于現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)架構(gòu)下的頻率資源分配策略在能效上有了明顯的提高，同時(shí)在用戶公平性上也有所提高。與第一個(gè)研究點(diǎn)相結(jié)合，這兩方面的研究為現(xiàn)有第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向C-RAN架構(gòu)的演進(jìn)提供了資源分配策略上的依據(jù)及性能上的參考。
　　之后是在基于RRH多天線協(xié)作C-RAN架構(gòu)下RRH和BBU的聯(lián)合資源分配策略的相關(guān)研究，由本文的第三和第四個(gè)研究點(diǎn)所構(gòu)成。其中，第三個(gè)研究點(diǎn)針對(duì)靜

7、態(tài)的用戶業(yè)務(wù)，考慮多個(gè)RRH對(duì)用戶的協(xié)作傳輸，通過波束成形向量的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)用戶之間的干擾抑制和資源分配。同時(shí)結(jié)合BBU自身基帶處理能力限制的約束條件，創(chuàng)新性地將RRH功耗與BBU功耗相結(jié)合構(gòu)造能效效用函數(shù)，并以所提出的系統(tǒng)能效效用函數(shù)的最大化為目標(biāo)構(gòu)造優(yōu)化問題。在求解的過程中，將該問題等價(jià)地分解為波束成形向量的優(yōu)化問題及BBU資源的調(diào)度問題。其中BBU資源的調(diào)度問題被構(gòu)造為一個(gè)裝箱問題，并提出了相應(yīng)的次優(yōu)算法進(jìn)行求解。通過對(duì)兩個(gè)子問題的

8、求解，本文設(shè)計(jì)了該型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下聯(lián)合RRH天線資源和BBU計(jì)算處理資源的資源分配策略，充分利用了BBU架構(gòu)所帶來的優(yōu)勢(shì)。
　　第四個(gè)研究點(diǎn)考慮時(shí)延敏感類用戶業(yè)務(wù)，采用隊(duì)列的方式對(duì)用戶的數(shù)據(jù)到達(dá)和處理傳輸進(jìn)行建模，創(chuàng)新性地從C-RAN整體架構(gòu)出發(fā)，運(yùn)用Lyapunov優(yōu)化方法構(gòu)造結(jié)合用戶業(yè)務(wù)時(shí)延性能和系統(tǒng)能效的聯(lián)合優(yōu)化問題。對(duì)所構(gòu)造的問題進(jìn)行分解，分別得到數(shù)據(jù)許可控制，BBU處理速率控制及RRH到用戶的波束成形向量?jī)?yōu)化三個(gè)子問題。通過

9、對(duì)這三個(gè)子問題的求解得到滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)能效優(yōu)化的聯(lián)合資源調(diào)度策略。仿真結(jié)果和理論推導(dǎo)顯示，通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，可以在系統(tǒng)的能效性能和用戶業(yè)務(wù)的時(shí)延性能之間實(shí)現(xiàn)折中權(quán)衡。結(jié)合研究點(diǎn)三，這兩方面的研究為下一代基于多天線協(xié)作的無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)建和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了理論及實(shí)踐應(yīng)用上的參考。
　　本文的研究為C-RAN架構(gòu)在當(dāng)前及未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用給出了資源分配相關(guān)的策略設(shè)計(jì)和性能分析，為現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)升級(jí)和下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的