开题lh-v家庭基站资源管理优化策略研究

1、家庭资源管理优化策略一、立题依据（包括目的、意义、国内外现状和发展趋势，需结合科学发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）（不少于 800 字）移动通信网在近些年来获得了巨大的发展，在演进中向着第四代通信网过渡。用户不断增长的需求和业务量指数级的增长，都对本地室内覆盖和质量提出了更高的要求。同时在 Wi-Fi等低成本无线网络竞争下，移动运营商如果不能提供一个室内通话的经济和高质量方式，几乎会丧失未来的大部分市场。针对移动通信网和ernet/IP 网融合的趋势，各标准化组织提出了家庭(称为 HeNB 或 Femto)技术。

2、家庭HeNB 是一种小型、低功率蜂窝技术，通过固网宽带回程，面向住宅或企业环境，实际上是在有线网末端最后的无线化，主要用于室内场所，作为蜂窝网在室内覆盖的补充，通过有线网络连接运营商网络，为用户提供移动网无线话音及高速数据业务。不仅提高了可靠性，而且降低了宏蜂窝网络的业务负载。家庭所在网络及其相关网元共同组成了家庭子系统，是移动通信网中重要的室内接入侧场景，其与传统宏共同组成了双层网络(Two-Tier Network)系统。家庭响。的引入对于传统规划的宏蜂窝网络结构造成了影这种通信环境的复杂性使得家庭和宏蜂窝之间的干扰管理问题变得尤为重要。因此，对 LTE 系统在宏蜂窝和家庭实意义。混合网络

3、下的干扰管理就具有十分的理论价值和现目前，3GPP RAN4 工作组集中了和 TDD 家庭的干扰管理方案，为了保持与 3GPP LTE 以往版本的兼容性，针对引入 HeNB 后同信道干扰的问题，3GPP LTE 建议采用无线资源分配的度出发，实现干扰管理。进一步的，相对于单一无线资源分配策略，为了适应于剧烈网络条件变化，针对多用户需求和有限无线资源的资源动态联合分配成为抑制双层网络系统中干扰的更为有效的途径。无线资源分配体制的设计方法是跨层联合设计，其是打破传统的分层设计的理念，将原来被分割的网络各层作为的整体进行设计、分析、优化和控制，综合利用有限的无线资源，以提高整个网络的性能。按照这个理

4、念，无线资源分配模型通常采用最大化网络效用模型，通过建立效用函数，将系统中各类资源对于不同层用户的效用成实数，并将所有用户的效用作为系统优化的目标，而将系统对各种资源的限制作为模型的约束条件，从而将资源分配问题转化为数学优化问题。13GPP TS 36.300 V10.1.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio Acs (E-UTRA) and EvolvedUniversal Terrestrial Radio Ac 09 2010.s Network (E-UTRAN): Overall description: Stage 2”, 3GPP,23.

5、 LTE系统中家庭干扰管理J. 2011, 等. 干扰控制技术在LTE家庭中的应用J. 现代电信科技, 2010, 40(5)-2010, 40(5). LTE系统中家庭456技术的J. 2011,. LTE系统在同构及异构网络下的干扰共存J. 2010,.Donghan C, Min S K, Howon L, et al. A study on the green cellular network with femtocellsJ. 2011, 235-240.7Lopez-Perez D, Valcarce A, de la Roche G, et al. OFDMA femtocell

6、s: A avoidanceJ. Communications Magazine, IEEE, 2009, 47(9)-2009, 47(9).onerference8Chandrasekhar V, Andrews J, Gatherer A. Femtocell networks: a surveyJ. Communications Magazine, IEEE, 2008,46(9):59-67.9,. IMT-Advanced跨层优化技术J. 中兴通讯技术, 2011,17(5):20-23.Liu Z, Almhana J, McGorman R. A Traffic Specifi

7、c Energy Saving Strategy for Mobile S ions in Wireless Networks: Wireless Communications and Mobile Computing Conference, 2008. IWCMC 08. ernational, 2008C.Bennis M, Guruacharya S, Niyato D. Distributed Learning Strategies for erference Mitigationin Femtocell Networks: Global IEEE, 2011C.munications

8、 Conference (2011), 201112 Nazir M, Bennis M, Ghaboosi K, et al. Learning based mechanisms forerference mitigation inself-anized femtocell networks: Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), 2010Conference Record of the Forty Foursilomar Conference on, 2010C.13 Xiao X, Xiaoming T, Yizhen J, et al.

9、An energy-efficient hybrid structure with resource allocation in OFDMA networks: Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2011 IEEE, 2011C.二、内容和目标（说明课题的具体内容，目标和效果，以及拟解决的关键科学问题。此部分为重点阐述内容）（不少于 2500 字）2.1课题目标本旨在针对 LTE 家庭辅助双层网络中的干扰抑制进行基础理论研究和，从无线资源分配与优化方面提出解决方案，为家庭双层网络中高效利用频谱、功率等资源，实现高

10、质量、高能效的无线传输提供理论依据。在信道调度与功率分配方面，为了对层间干扰和同层干扰进行管理和抑制，采用凸优化和非合作博弈论等数学工具建模，提出基于超模博弈的信道与功率联合分配机制，高效合理地实现自适应调度策略。在致密部署区域的 femtocell 层， femto数量的激增会带来不可预期的干扰，拟引入基站动态开/闭的策略，建立合理的容量模型，实现小区自适应的动态开闭以及相应的用户调度，在保证用户服务质量的基础上实现双层网络能效的优化。总之，本将主要解决下一代移动通信系统中引入家庭后的双层网络中层内和层间干扰带来的问题和，实现频谱和功率等资源的高效、低能耗、合理的分配。2.2 课题内容为实现

11、上述的目标，本的内容主要包含以下两点：结合 femtocell 双层网络的特征，满足不同层用户的服务质量需求，建立基于能效的优化目标函数，应用超模博弈非线性数学规划的方法进行求解，实现信道和功率联合调度问题，从而减小同层干扰和跨层干扰，优化 femtocell 双层网络的网络效用，提高全网的能量效率。2.2.1 信道和功率联合资源分配策略宏的远大于家庭，同时其较家庭拥有的子载波资源，所以在联合资源调度的过程中不仅需要考虑同层干扰，更需要关注跨层干扰。宏或家庭资源调度的任何变动都将产生相应的同层和跨层干扰，影响其他小区的性能，进而影响整个网络的性能，这就引入了第二个要解决的问题，如何在双层网络中

12、合理的进行资源调度，也就是如何进行子载波资源和功率资源的联合调度，使得网络性能最优。a) 基于干扰定价的联合优化目标函数传统意义上的性能评价指标是以最大化网络吞吐量为目的，通常通过在一定约束条件下增大来实现的，这会增加网络的能量损耗。在绿色通信中，为了综合考虑网络吞吐量以及相应的能量损耗，能效的概念被引入，度量了以每焦耳能量所能传输的数据速率。由于家庭本身的并不高，所以这种基于能效的优化目标在实际双层网络的资源调度中更具实用性。充分考虑 IMT-Advanced 系统中不同类型间的联合组网方式的特点，将通过合作的方法解决同频干扰的问题。在以能效为效用函数的基础上，充分超模博弈的特点，为了获得帕

13、最优解，进一步引入定价函数，用以约束博弈者的自私行为以达到博弈的均衡点。b) 基于迭代优化的联合资源调度问题由于子载波分配和功率分配问题具有一定关联性，这就使得双层网络中的资源调度问题更为复杂。由于联合调度是一个 NP 难问题，所以通常通过“两步”迭代调度的方法求其次优解，并证明迭代算法的收敛性。在功率分配方面，设计基于超模博弈的功率控制自优化机制，根据基于能效的非合作博弈模型，为宏和家庭建立基于能效和定价的效用函数，能更高效的提高资源利用率。在博弈过程中，各最大化其各自的效用，从而确定功率优化自调整决策，实现功率的分布式配置管理，并通过博弈过程，网络的整体能效。在子载波分配方面，采用匈牙利算

14、法，根据图论的理论将子载波分配的问题转化为二分图最大匹配问题，将子载波集合和用户集合作为二分图的两部分，寻求最大匹配，也即找到满足约束条件的最优子载波分配方案。传统的求解方法是先找出全部匹配，然后保留匹配数最多的，然而这种算法的时间复杂度为边数的指数级函数，因此，采取匈牙利算法这种更为高效的算法，利用增广求解最大匹配，能更高效的实现最优子载波分配。在分别分析功率分配载波分配的基础上，通过联合资源调度得到最优功率-子载波资源分配方案，最大化网络性能指标，提高网络的整体能效。2.2.2动态开/闭策略目前，3GPP节能的工作组主要有 SA5 和 RAN3，自 R9 开始提出有关节能增效的方案，包括：

15、提高 RF 功放效率或减小使用 RF 的个数、把多载波聚合到一个单载波链传输、采用动态开/闭部分小区、采取非连续发射或非连续接收的方式进行通信以及动态分配频谱等。其中，现有的动态开闭机制受到无线环境时变性、移动用户负载不均衡、业务流量多变且分布不均匀的限制，容易造成用户掉话率高、网络性能降低，尤其是在家庭双层网络点可控性变差，网络环境与网络架构也更为复杂，传统单一节点网络中的节能管理与相应的控制方案不能满足 IMT-Advanced 移动通信网络环境快速多变的要求，难以针对用户的服务需求多样性和网络流量负载决策的时变性，以较低的系统开销和能源消耗实现高速率、高服务质量通信。尽管单个家庭的能耗很

16、低，但随着部署数量和密度的增加，其能耗累积非常巨大，并且复杂多变的网络结构使得管理和优化双层网络相当。因此，基于家庭的双层网络中，femto基于绿色接入的 femto动态开闭策略十分有意义。动态开闭策略，在保证用户服务质量的前提下，拟建立基于负载均衡的容量效用模型，提出有效的动态开闭、执行机制，同时实现动态的频谱资源分配，实现绿色接入，提高频谱利用率，优化网络的鲁棒性，实现节能增效，为下一代移动通信系统能方案的实施提供重要的理论依据。a) 基于负载均衡及用户服务质量的容量效用模型针对动态开闭的门限设置，也即建立合理的容量效用模型，应兼顾负载与用户质量两个重要元素，目前所动态开闭效用模型多未能充

17、分考虑小区业务流量模型的特点，从而不能更为有效地节能；或一味只追求网络能耗的最小化而忽略用户服务质量。因此，有必要结合小区业务流量模型特点和用户 QoS 需求略。高效节能的小区黑白动态调整策因此，拟考虑建立基于小区负载和用户服务质量的效用模型，给网络负载和用户 Qos 赋予不同权重取和，运用合理的数学工具建模，实现满足用户的服务质量要求的前提下有效地减小网络能耗。b) femto动态开闭执行算法双层网络中难以控制站点的引入及用户服务质量需求的多样性，网络拓扑结构的多变性，网络负载的动态时变性，导致动态开闭触发条件的设置受多种影响。当触发条件设置较高，将会调节机制变得低效，从而致使全网络节能效果

18、不显著，还将带来网络开销大的影响；当触发条件设置较低，将会导致关闭小区用户业务中断与覆盖盲点，进而网络性能严重，用户服务质量随之变差。因此，在保障用户服务质量前提下，如何根据无线网络复杂多变的特性设置合理的动态开闭触发条件实现网络的节能增效是本课题需要解决的问题之一。c) 时频资源动态分配用户服务质量需求的多样性，网络拓扑结构的多变性，网络负载的动态时变性以及网络无线环境的复杂性使得双层网络中无线资源优化分配策略极大的。同时针对动态开闭策略下，需要综合考虑负载的变化和用户的 Qos 保证来设计更为适用的资源动态分配方案适应蜂窝无线网络中高动态性的网络环境，为用户合理分配频谱资源，改善服务质量，

19、系统能效，实现绿色接入。三、方案设计及可行性分析（包括：800 字）方法，技术路线，理论分析、计算、实验方法和步骤及其可行性等）（不少于3.1方案3.1.1 信道和功率联合资源分配策略拟引入超模博弈理论，针对系统资源受限的特点，首先设计一种符合超模博弈的效用函数，在效用函数中考虑减小跨层干扰的问题，在求解过程中先将问题分解为已知功率分配的信道分配问题，接着在已经信道调度结果的基础上分配功率，实现适用于双层网络的多信道多用户的资源分配机制，优化家庭双层网络的网络效用，提高资源利用率。功率控制方面，通过分析基于能效和定价因子的效用函数模型以及博弈决策，证明功率控制满足超模博弈的条件，进而应用超模博

20、弈的理论求解最优功率分配，实现网络能效最大，并证明均衡点的存在性和唯一性。子载波分配方面，需要在满足子载波的约束条件下，寻求子载波与用户间的最佳配对，拟考虑采用图论中的匈牙利算法进行求解，该算法能有效降低计算复杂度，更高效的进行子载波分配，网络整体能效性能。3.1.2 家庭动态开/闭策略由于开闭的延时一般都远长于时频资源动态分配，因而可以考虑在短延时内分析网络负载以及用户质量来进行资源分配，在长延时条件下根据容量效用模型进行家庭开闭和执行。资源分配方面，频率、功率资源的分配和复用，一方面需要考虑如何降低家庭间以及宏与家庭间的干扰，同时还需要尽可能最大化能量效率，实现频谱效率和能量效率的最优折中

21、。开闭和执行方面，拟采用聚类算法，其原理简单并便于处理大量数据。但它对初始聚类中心依赖性比较大，可能会陷入局部最优值。而且当聚类数比较大的时候，这种缺点更为明显，往往要经过多次聚类才有可能达到较满意的结果。因此将聚类用于家庭分类时如何优化的算法性能还需要深入。3.2 可行性分析本，内容具体，选题具备前瞻性。本拟引入家庭的双层网络中资源分配，实现高效的信道与功率等资源的分配，有效抑制双层网络中的跨层和同层干扰，提高频谱有效性和能量有效性。通过广泛收集了国内外在家庭，信道调度与功率分配及移动性管理等方面的最新成果，深入调研了本课题所涉及的各项的现状，并分析了目前已有方案所存在的缺陷，为本课题的打下

22、了坚实的基础。本人曾参与过多项国家专项、国家自然基金等科研项目，在过程中形成了较为成方法，了解已有的成果、分析和解决方法，能够有针对性的进行创造性思维。总之，本拟采用的理论分析的方法可操作性强，拟采用的技术路线对各种均做了充分考虑，充分利用国内导师和所在的各项学术资源，为课题的顺利进行打下基础。四、本课题可能的创新之处（不少于 500 字）与现有的成果相比，本课题的创新和特色之处在于在引入家庭的双层网络中资源分配策略，包括基于干扰定价的非合作博弈联合资源分配策略，家庭动态开闭策略，从而有效解决家庭双层网络中的资源分配问题，具体如下：4.1 信道和功率联合资源分配策略对于现有中对双层网络中跨层干

23、扰问题，本文引入超模博弈理论，针对系统资源受限的特点，首先设计一种符合超模博弈的效用函数，在效用函数中考虑减小跨层干扰的问题，实现适用于双层网络的多信道多用户的资源分配机制，优化家庭双层网络的网络效用，提高资源利用率，较好的解决了跨层干扰问题。同时对于现有网络中资源有效性不高的缺点，本文将针对家庭双层网络中资源分配中的能量有效性问题，实现的减少，能够提高能量有效性，实现网络的“绿色”节能环保。4.2 家庭动态开/闭策略动态开/闭机制未能充分考虑小区业务流量模型的特点，从而不能更为目前所有效地节能；或一味只追求网络能耗的最小化而忽略用户服务质量。因此，本文将结合小区业务流量模型特点和用户 QoS 需求高效节能的动态开/闭动态调整策略。目前大多数资源分配机制只是为了网络性能（如网络吞吐量、系统容量等），没有考虑网络能效这一质量指标；少部分资源分配机