毕业论文-LTE--A异构网络中的自组网技术研究02985.pdf

l t e a 异构网络中的自组网技术研究 论文作者签名：刍幽 指导教师签名： 全：藿苤 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 ： 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 睦堪数援熟直王逝婆笪丞绫垫些型韭 委员l ： 黄爱芏数援浙江太堂 委员2 ： 韭塑圈数援逝江太堂 委员3 ： 奎垩速副数控浙江太堂 委员4 ： 金宣定副教援逝姿太堂 委员5 ： 答辩日期： 浙江大学硕士学位论文摘 要 摘要 为了加强网络覆盖、提升网络容量，l 1 r e a 提出在宏蜂窝中部署一系列的低功率节 点以形成多层蜂窝网络，即异构网络。按照异构网络方式进行部署以后，l 1 陋a 的网络 结构将会变得更加庞大和复杂。如果网络运营商仍然以人工方式进行网络规划和网络优 化，将造成成本的急剧增加。因此l t e a 引入了自组织网络的概念，旨在通过提高网 络的自组织能力，来降低网络的基础设施建设费用和运营费用。本文针对不同类型的异 构网络，选取了3 个s o n 用例进行研究。 第一个用例是e n b h e n b 共覆盖网络中f e m t o c e l lu e 之间的合作通信机制。本文 将e n b h e n b 共覆盖网络看成一个认知无线电网络，并以提高系统吞吐量及公平性为 目标，研究了h e n b 网络的r c p 策略，即联合中继选择、信道选择及功率分配策略， 提出了一个低复杂度的启发式算法一一节点分组算法。该算法能够增加h e n b 网络的平 均吞吐量，同时提高用户之间的公平性。 第二个用例是e n b i 共覆盖网络下行链路的负载均衡问题。本文提出了一个具有 自组织特性的负载均衡方案r s p c 1 u 在所提方案中，每个中继节点通过调整参考信 号功率来改变覆盖范围，从而调节网络中的负载分布。同时，方案中引入了强化学习算 法，使中继节点能够自主获取最优的参考信号功率控制策略。该算法具有分布式、低复 杂度、高性能等特点，因此适用于实际的多跳蜂窝网络。 第三个用例是e n b 1 州h c n b 共覆盖网络中的层间切换问题。本文提出了一个基于 驻留概率和切换优先级的切换方案，可以有效减少频繁的、不必要的切换所提方案的 核心思想是：当u e 驻留在f e m t o c e l l 中的概率较高时，降低u e 切入f e m t o c e u 的门限， 以减少冗余的切换；当u e 驻留在f e m t o c e l l 中的概率较低时，提高u e 切入f e m t o c e l l 的门限，以减少不必要的切换。所提算法能够在维持掉话率基本不变的情况下，显著减 少u e 的切换次数 关键词：异构网络，自组织网络，合作通信，负载均衡，切换决策 a b s t r a c t h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ( h e 烈e t ) d e p l o y m e n ti si n v e s t i g a t e db y3 g p p l 1 e a 硒a p r o m i s i n gp 觚戚g m f o r 触也e re i l h a n c i n gn e t 、o r kp e 墒m a n c e t 1 1 em a i ni d e ao fh e t n e ti s t 0o v e r l a yl o w - p o w e rl o w c o s t 蛐i o n so nt l l ec o v e r a g eh o l e s 锄dh o t s p o t a r e a st 0 c o m p l e m e n tm ec o n v e n t i o n a lm a c r o c e l lf o rc o v e r a g ee x t e n s i o n a 1 1 dc 印a c i 够e r l l l a i l c e m e n t s e l f - o r g a l l i z i n gn e m o r k ( s o n ) ，w l l i c ha j m s a te i l h a l l c i n gn e 咖r ke 伍c i e n c y 舔w e u 嬲 r e d u c i n gc 印i t a le x p e n d i t l 鹏锄do p e r a t i o n a le x p e n d i t u r e ，i sa l s oa d o p t e d b y 3 g p pl t e - a 必 an e wo p e r a t i o n 锄dm a i n t e 衄n c em e c h a j l i s m 1 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e so n 也e 印p l i c a t i o n so f s o ni nh e 饿e t ，a i l dt h r e eu s ec a s e s 盯e 咖d i e d t h ef i r s tu s ec a s ei st 0a d d r e s s e st l l ep r o b l e mo fc o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n i n e n b h e n bn e 咖r k i n “sp 印e r ，t h ce n b h e n bn e 似o r ki sr e g 莉e d 觞ac o g i l i t i v er a d i o n e t 、o r k ，锄dt l l er c ps n 锨e g y ，i e j o 缸r e l a ys e l e c t i o mc h 锄e la s s i g 衄e n t 觚dp o w e r m l o c a t i o n 咖a t e 烈i s 咖d i e d a h e u r i s t i cn o d eg r o u p i n ga l g o r i m mi sp r o p o s e dt 0d e r i v ea s u b o p t i m a ls o l u t i o nt 0r - c pp r o b l e m 7 n l ep r o p o s e da l g o r i t l l mc a l li m p r o v es y s t e m f a i m e s s l e v e l 、h i l en o tr e d u c i n gt l l e 伽0 u 曲p u t t h es e c o n du c 弱ei st 0a d d r e s s e st l l ep r o b l e mo fl o a db a l a i l c i n gf o rm u l t i - h o pc e l l u l a r n e t w o r kw i t l lf i x e dr e l a y si i lt 1 1 ec o n t e ) ( to fs o n t h ed e s i g n e ds o na l g o r i t l l m ，彻m e l y r s p c r l ，i sb a s e do nt w oi d e 2 l s ：r e l a yn o d e r e f e r e n c es i g n a lp o w e rc o n t r o l 锄dm u l t i 。a g e n t 陀i n f o r c e m e ml e 跚l i n g i nt t l ep r o p o s e dr s p c - r la l g o r i 衄，t l l er e l a yn o d ei sm o d e l e d 私a i l a g e n tt h a tl e 锄s 锄o p t i m 甜p o l i c yo f r e f - e r e n c es i g n a lp o 、e rc o n t r o l 行o mi t si m e r 刁i c t i o n 诵t 1 1 e n v i r o 姗e n tt 0b a l 锄c et l l el o a dd is c r i b 砸o no f t l l en e m o r km r o u g hd y n a m i c a l l yc h a l l g i n gi t s c o v e r a g ea r c a n 啪e r i c a lr e s u l t ss h o wt l l es i g n i f i c 趾tp e 响m a n c eg a i nb r o u g h t 灿u t b ym e p r o p o s e da l g o r i t h mr s p c r l t h et l l i r du s ec 觞ei st 0a d d r e s s e st 1 1 ep r o b l e mo fh a r l d o v e rd e c i s i o ni 1 1m eh e t e r o g e n e o u s n e t w 0 r k s c 岍e n tr e s e a r c h e so n “st o p i cc o n c e n t 眦em a i n l y o nt i l em o t i e rn e m o r k s 1 1 1 i s p a p e ri n v e s t i g a t c st h eh a n d o v e rd e c i s i o ns c h e m ef o ra m o r ec o m p l e xn e m o r k ：t 1 1 r e e _ t i e r m r o c e l l r e l a y f e m t o c e l ln e 铆o r k 1 1 1 e 蚰i q u ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n t e r - t i e r h a n d o v e ri n t l l r e e t i e rn e 似o r k sa r e 锄a l y z e di nm i sp 印e r 锄d 锄e 蔬c t i v eh a n d o v e ra l g o r i u ：t li sp r o p o s e d t 0r e d u c et l l ef - r e q u e n t 锄d 咖e c e s s a d ，l 啪d o v e r sb 嬲e do nt h ei d e a so fd w e l lp r o b a b i l i 哆a n d h a n d o v e rp r i o r i 够s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt l l ep r o p o s e da l g o r i t l l l t ls i g n i f i c 觚t l yr e d u c e s t l l en 啪b e ro fh 锄d o v e r sw l l i l em a i n t a m m gt l l ec a l ld r o p p i n gr a t ea tt l l es 锄el e v e l k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，s e l o o 唱a i l i z i n gn e t w o r k ，c o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n ， l o a db a l a l l c i n g ，h a n d o v e rd e c i s i o n n i 浙江大学硕士学位论文目次 摘 目次 a b s l t a c t i i 目次1 1 i r 第l 章绪论1 1 1i j e 与l t e a 1 1 1 1u e 的技术特点1 1 1 2l 1 r e - a 的技术特点2 1 2 异构网络( h e 悄e t ) 4 1 2 1 同构网络( h o m 0 n e t ) ，4 1 2 2 异构网络( h e t n e t ) 4 1 2 3 技术挑战6 1 3 自组织网络( s o n ) 6 1 3 1s c i n 的功能及结构7 1 3 2s o n 用例7 1 4 本文的研究动机和意义一9 1 5 本文的主要内容和结构安排l l 第2 章f e m t o c e l l 中的合作通信策略1 2 2 1 研究背景1 2 2 2 系统模型与问题描述1 4 2 2 1 系统模型1 4 2 2 2 问题描述l5 2 3 节点分组算法l6 2 3 1 算法描述1 7 2 3 2 算法复杂度分析2 2 2 4 算法性能2 3 2 4 1 仿真场景及参数2 3 2 4 2 仿真结果2 4 2 5 本章小结2 8 i v 塑垩奎堂堡主堂堡丝奎 旦盗 _ _ _ _ - - i i - _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ - - - _ l _ _ _ - _ _ _ l i - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ i _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ _ i - _ l _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - 。_ 。一一 第3 章多跳蜂窝网络中的负载均衡算法2 9 3 1 研究背景2 9 3 2 系统模型3 0 3 3 负载均衡算法3 1 3 3 1 强化学习简介3 3 3 3 2 算法中的基本元素3 4 3 3 3 算法描述3 5 3 4 算法性能3 7 3 5 本章小结4 1 第4 章e n b i 矾h e n b 共覆盖网络中的切换方案4 2 4 1 研究背景4 2 4 2 三层网络层问切换问题的分析4 3 4 2 1 目标层。4 3 4 2 2 驻留概率4 4 4 2 3 切换优先级一4 5 4 3 切换方案4 6 4 3 1 切换决策模块4 6 4 3 2 参数映射准则。4 9 4 3 3 切换决策准则一5 0 4 4 方案性能5 3 4 4 1 实施案例5 3 4 4 2 仿真分析。5 7 4 5 本章小结5 9 第5 章总结与展望6 0 参考文献6 2 在学期间发表的学术论文及研究成果6 6 致 射6 7 v 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 1 2 年1 月1 8 日，国际电信联盟2 0 1 2 年无线电通信大会正式审议通过，将l 1 陋- a d v 锄c e d ( 3 g p pl 1 e a ) 和w i r e l e s s m a n - a d v 锄c e d ( i e e e8 0 2 16 m ) 确立为i m t - a d v a l l c e d 国际标准【1 1 同时，全球大部分的主流网络运营商都已经选定l 1 e 作为准4 g 技术。因此，l 1 陋及其平滑演进版本l 1 _ e a 正在得到工业界和学术界越来越多的关注 本文的研究内容将集中于l 1 r e a 中新提出的异构网络、自组织网络等关键技术。本章 首先对l 1 忑及l 1 e a 的技术背景做简要的介绍，然后阐述本文的研究动机及意义，最 后介绍本文的主要内容和结构安排。 1 1l t e 与l t e a 近年来，随着移动互联网业务的飞速发展，原有的3 g 技术已经无法满足日益增长 的移动宽带业务需求。在各国网络运营商的提倡下，第三代合作伙伴项目( 3 r dg e n e 础o n p a m e r s k pp r o j e c t ，3 g p p ) 于2 0 0 4 年启动了对通用移动通讯系统( u l l i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u l l i c a t i o n ss y s t e m ，u m t s ) 的长期演进( l o n gt e me v o l “o n ，l 1 e ) 计划， 并于2 0 0 8 年底发布了l 1 陋的首个版本一一3 g p pr e l e a s e8 随后，3 g p p 对l 1 忑进行了 进一步的完善和加强，于2 0 1 1 年完成了l t e a ( 即3 g p pr e l e 嬲e1 0 ) 标准的制定。 1 1 1l 1 r e 的技术特点 l 1 r e 系统采用正交频分多址( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， o f d m a ) 作为接入技术，同时引入了大量先进的物理层技术，并对网络架构进行了扁 平化处理【2 1 l 1 r e 在无线网络架构和无线接口两个方面都有着突出的特点 系统架构 传统的u m t s 网络由四个网络节点组成：基站、无线网络控制器( r n c ) 、服务通 用分组无线业务支持节点( s g s n ) 和网关通用分组无线业务支持节点( g g s n ) 为了 减少网络设备数目、降低业务处理时延，l 1 飞采用了扁平化的网络架构，网络由基站 ( e n o d e b ，e n b ) 、移动性管理实体( m m e ) 和服务网关分组数据网关( s g w p g w ) 组成，如图1 1 所示。l 州c 功能被分散到了e n b 和a g w 中，而g g s n s g s n 功能则由 m m e 和s g w p g w 完成e n b 之间通过x 2 接口相互连接，而e n b 与核心网e p c 之 1 浙江大学硕士学位论文 间则通过s 1 接口相连 资源管理、i p 报文头的 图1 1u r e 系统架构 物理层关键技术 l 1 陋引入了大量革新的物理层技术，包括多载波技术( o f d m 和s c f d m a ) 、多 天线技术、快速同步技术、自适应调制编码( 剐c ) 技术、混合自动重传请求( h a r q ) 技术以及先进的小区搜索技术、自适应资源分配技术、小区间干扰控制技术和随机接入 技术等【5 l 。o f d m 是u 陋系统最重要的技术，其基本思想是将高速数据流分散到多个正 交的子载波上传输，从而降低每个子载波上的码元速率、增大码元宽度，因此可以抵抗 多径衰落、减小符号间干扰【2 1 而多天线技术，通过在发射端和接收端配置多根天线来 获得分集增益、阵列增益以及空间复用增益，从而可以大幅提高信道容量，因而成为提 高u e 系统频谱效率最重要的方式【3 】 1 1 2l t e a 的技术特点 由于l 1 忑的大规模技术革新，近年来学术界积累的物理层技术已经消耗殆尽，因 此l t e a 的发展主要集中在无线资源管理( 删) 和网络优化方面l t e a 中提出的 一些新技术包括：载波聚合，多天线增强，协同多点传输，异构网络部署，智能中继， 白组织网络等0 1 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 载波聚合( c a r r i e ra g g 代g a t i o n ，c a ) l 1 r e 支持的最大带宽为2 0m h z ，而i m t a d v 锄c e d 要求支持的最大带宽为1 0 0m h z 。 为了扩展系统带宽，l 1 正a 允许多个成员载波聚合在一起。考虑到在实际的网络中，有 可能没有完整的空闲频带，因此l t e a 允许对离散频带进行聚合。 多天线增强( e n h a n c e dm u l t i p l ea n t e n n a1 r a n s m i s s i o n ) 为了提高峰值谱效率和平均谱效率，陇a 引入了高阶m i m o ，允许上行最多4 天线4 层发送，下行最多8 天线8 层发送。同时，m a 改进了单用户和多用户m i m o 算法，使用了更多码字的多码m i m o ，从而实现了更高的峰值速率。 协同多点传输( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t1 【r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ，c o m p ) 位于小区边缘的用户，可以同时接收到来自多个小区的信号，而其自身的的信号也 可以被多个小区同时接收。协同多点发射的思想是：对多个小区的发射信号进行协调， 以避免相互之间的干扰；协同多点接收的思想是：用户的发射信号由多个小区联合接收 并加以合并，从而提高接收信噪比 异构网络( h e t e m g e n e o u sn e 细o r l s ，h e t n e t ) 异构网络是指，在宏蜂窝中部署一系列的低功率节点而形成的多层蜂窝网络在 l t e a 中支持的低功率节点包括远程射频头、微微基站、中继节点和家庭基站。异构网 络的自组织管理、回程网络设计、移动性管理和干扰协调等方面将是研究的热点。本章 1 2 节将对异构网络的相关概念和技术做详细的介绍 中继( r e l a y i n g ) 中继节点用来路由基站和用户之间的业务及信令信息，可以提高小区边缘用户的通 信质量、增强网络覆盖、更好地支持群移动，同时可以降低网络部署成本。l 1 陋r 1 0 中 的中继节点主要用于增强网络覆盖 自组织网络( s e i f - o r g a n i z i n gn e 锕o r i s ，s o n ) 3 g p pr 8 中提出了一种新的运维策略一一自组织网络，通过提高网络的自组织能力， 来降低网络的基础设施建设费用( c a p e x ) 和运营费用( o p e x ) 3 g p pr 9 ，1 0 初步完 成了对网络自配置、自优化以及自修复功能的标准化工作本章1 3 节将对自组织网络 的相关概念和技术做详细的介绍。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 异构网络( h e t n e t ) 近年来，随着新一代通信终端( 智能手机、m i d 、上网本等) 的广泛应用，无线数 据业务需求量正在成指数级增长，使得网络容量需求增长的速度远高于频谱效率提升的 速度，尤其是在一些热点区域，这种现象更为明显。另外，无线业务类型正在逐渐从以 语音为中心向以数据为中心转移，同时，更多的用户将运行在室内环境，这就要求网络 运营商增加链路预算、扩大覆盖范围，以提供无差别的用户体验【1 1 】。在这种情况下，对 传统的同构网络( h o m o g e n e o u sn e t 、) l ，o r k ，h o m o n e t ) 进行网络优化，已经无法以可以 接受的代价来满足日益增长的业务需求。因此3 g p p m a 启动了一个新的研究项目【1 2 】， 探讨如何通过加强对异构网络( h e t e r o g e n e o u sn e t 、0 r k ，h e 悄e t ) 的支持，来有效提升 网络容量、加强网络覆盖。 1 2 1 同构网络( h o m o n e t ) 一个典型的同构蜂窝网络，包括一系列通过网络规划来部署的宏基站，以及一系列 自由移动的用户设备。同构蜂窝网络中的宏基站，拥有相似的传输功率、天线模式、接 收机噪声水平以及回程连接方式，并对网络中的用户设备提供无限制的接入l l3 1 当前 的无线蜂窝网络，大多是这种以宏基站为中心规划而成的同构蜂窝网络。 宏基站的位置需要通过细致的网络规划来确定，宏基站的参数也需要进行合理的配 置，以最大化网络覆盖，同时控制基站间的相互干扰。当业务需求增加或者射频环境改 变时，网络需要依赖于小区分裂或者额外的载波来克服容量和链路预算的限制，维持无 差别的用户体验，这个不断重复的部署过程是非常复杂的。另外，在高密度的城市环境 中，寻找可以部署新基站的区域是一项相当困难的任务【l4 1 。因此，运营商需要一个更 加灵活的部署模型，以较小的代价来提高网络性能。 1 2 2 异构网络( h e 烈e t ) 为了克服同构网络存在的问题，大幅度提高网络性能，3 g p p 在l t e a 中引入了异 构网络的部署方式异构网络，是指混合部署了常规的宏基站( 传输功率为5 4 0w ) 以及一系列低功率节点( 传输功率为1 0 0m w 2w ) 的网络【15 1 。部署在宏蜂窝盲区中 的低功率节点，可以增强网络覆盖；部署在宏蜂窝热点小区中的低功率节点，可以拉近 网络与终端用户的距离，从而加强链路质量，提高系统容量。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在l t e a 中支持的低功率节点包括远程射频头( r e m o t er a d i oh e a d ，i 冰h ) 、微微 基站( p i c oe n b ) 、中继节点( 1 沁l a yn o d e ) 和家庭基站( h o m ee n b ) 【1 6 ，1 7 1 。表1 1 总 结了这些低功率节点的特点。 表1 1 异构网络中的节点类型 节点类型传输功率覆盖范围回程链路 部署位置 e n b4 6d b m几k ms l 室外 r r h 2 4 3 7d b m ( r 缸口矗。+ 尺扫咄2 ) 量c ( 2 - 4 ) 8 ，= 蒌；三m t n 萋r 6 1 - 口：5 ，1 ，莓尺石2 口 ；，2j c2 - 5 ， ， 、_ i cr ， 考虑到不同c u 有不同的业务速率需求，定义如下表征业务速率满足程度的因子： 驴亭 ( 2 - 6 ) 浙江大学硕士学位论文第2 章f e m t o c e j l 中的合作通信策略 其中，日f 表示用户& 在一个传输周期的吞吐量，2 彳e q 表示& 在一个传输周期的业务速率 需求。定义“最公平”的r c p 策略为：每个c u 的实际吞吐量与其业务速率需求成正 比，即 6 1 = 屯= = 如 ( 2 7 ) c u 系统的公平程度可以用j a i n 指标来表征 汕a e = 躐 其中，是系统中c u 的个数。j a i n 指标的取值范围为【0 ，1 】， 性差异越小，即资源分配越接近“最公平”状态。 r c p 问题可以描述为如下的多目标优化问题： d e t e r m i n e t 0m a x i m i z e ( 2 - 8 ) 越接近1 表明c u 的公平 f ，r = 吼 赢a e x = 黪 心。9 s u b j e c tt o c 1 ，c 2 ，c 3 其中，目标r 是最大化c u 系统吞吐量，目标兄是最大化c u 系统公平性这是一个多 目标混合整数非线性优化问题( m o m i n l p ) ，一般来说是一个n p 难问题1 3 9 1 。对于多 目标优化问题( 2 9 ) ，可以采用以下两种方法转化成单目标优化问题进行求解：一是将 r 和巴加权求和作为单一优化目标，即f = ，f 1 + c 0 2 b ，其中，和( 0 2 是两个目标函数 的权重；二是将r 作为单一优化目标，而将b 转化成约束条件c 4 ：j a i nl n d e x ，o ，其中 儿是预先设定的公平性指标的下限根据上述方法转化成的单目标优化问题仍然是混合 整数非线性问题，求解最优值有很高的复杂度 2 3 节点分组算法 本节将提出一种集中式的启发式算法一一两阶段节点分组算法( n o d eg r o u p i n g a 1 9 0 r i t ，n g a ) 一一来解决该( 2 9 ) 中的r c p 问题n g a 算法分为两个阶段： 第一阶段，采用单信道策略确定c u 之间的中继关系第二阶段，根据第一阶段确定的 中继关系，采用多信道策略分配信道和功率单信道策略是指，在每一个单跳通信对( 节 1 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章f e m t o c e l l 中的合作通信策略 点向a p 直接传输数据、节点向中继节点传输数据、中继节点向a p 传输其他节点的中 继数据) 之间只选取一条信道通信，并在这条信道上分配所有功率多信道策略是指， 在每一个单跳通信对之间选取多条信道通信，并采用注水法在各信道上分配功率。 算法n g a 的思想如下：第一阶段，假定不存在中继机制( 即各c u 直接与a p 通 信) ，采用单信道策略求出使系统耗能最小的资源分配方案，并把拥有过剩资源的节点 筛选出来，作为潜在中继节点其余节点按照一定的规则选择与某一个潜在中继节点相 匹配，即确定节点的中继关系。匹配同一个中继节点的c u 形成一个组，如图2 3 所示 第二阶段，根据确定了的中继关系，采用多信道策略将信道公平地分配给各个节点，并 在每个组内采用注水算法进行功率分配，从而实现全局的资源合理分配。 2 3 1 算法描述 ， 、 图2 3 节点分组示例 阶段i 中继关系确定及初步资源分配一一单信道分配策略阶段 在这一阶段，采用单信道分配策略来确定中继关系，并进行信道和功率的初步分配 这一阶段主要有两个步骤：组头选择及组的形成 s t e l ) 1 组头选择 首先不考虑合作中继和公平性问题每个节点选取一条可用的信道直接向a p 传输 数据，目标是在满足业务速率需求的前提下最小化系统耗能设在c r n 中有j v 个节点 和k 个信道，节点s 在信道c h 上的功率增益为h f c ，节点& 在一个时隙的业务速率需求 为彳e q = 2 0 夕( 1 + s 7 l 彳e q ) ，s n 彳钾为等效信噪比需求 这个问题可以转化为二分图最优匹配问题：把信道集合必= ( 1 ，2 ，) 和节点集合 j 厂= ( 1 ，2 ，j ) 作为二分子集。如果节点& 处信道c h 可得，那么从x 中的顶点七向中 的顶点f 引一条边l ，并赋予权重c j c l = s 7 l 彳e 口h f c ，c _ l c l 正比于节点& 在信道c h 上传输 员点 成节头的立 组组孤组o o o 、 浙江大学硕士学位论文第2 章f c m t o c e l l 中的合作通信策略 消耗的功率于是最小化总权重就等价于最小化总耗能。利用k m 算法【4 0 】可以求解出 最优匹配方案。记c i c 。为匹配于节点& 的信道，良t x ，fej 厂。如果节点& 满足下面的 组头选取规则，那么称之为潜在组头( 即潜在中继节点) ，否则称为普通节点。 组头选取规则： l o g ( 1 + p 0 衅0 ) 2 彳e q ( 2 - 1 0 ) 其中，p o 表示每个节点的功率限制 ( 2 - 1 0 ) 的意义为：如果s f 以最大功率p 0 在匹配信道c k ，上传输，那么可以在一个 时隙内完成自己一个传输周期的业务量需求。所以，如果& 在时隙1 以功率p o 传输，那 么在时隙2 ，& 可以分配一些功率中继传输其他节点的数据，即认为& 是潜在中继节点 s t e p2 组的形成 把潜在中继节点扣t ) 按睹从大到小排序，记为v = ( 1 7 1 ，1 7 2 ，1 ，3 ) ，即磕t 眭2 略越大，表明耽占有的资源越多，其中1 7 1 为资源最富裕的潜在中继节点。再把普 通节点( u ) 按睹s 扎彳q 从小到大排序，记为钇= ( u 1 ，u 2 ，弘3 】，即睹1 虢彳q 砖2 s 7 l 鬈q 。睹s m 嚣q 越小，表明u 越需要其他节点帮助传输，其中u 1 为资源 最短缺的普通节点。中继关系匹配的原则就是，让拥有较多资源的中继节点去帮助中继 需求较多的普通节点，让拥有较少资源的中继节点去帮助中继需求较少的普通节点，同 时最小化总的功率消耗组的形成过程包括一系列的循环配对： 一轮配对：按照u 1 u 2 的顺序( 即从资源最短缺的普通节点开始) ，每个u ，依次在 1 7 中选择匹配组头及匹配信道对匹配信道对包括两条信道，分别用于中继传输的两个 时隙。t 1 在1 7 中按顺序搜索：t 1 1 首先从1 7 1 可得的质量最好的信道开始筛选，如果找出能 满足下面所述组头匹配规则的信道c ，h 和c k ，那么弘l 匹配秒l ，即扎1 加入以秒1 为中继节 点的组，否则按相同的规则依次在秒2 ，杪3 ，中筛选，直至找到匹配的中继节点。 组头匹配规则： ( a ) 矿 2 q ，w 2 q ； ( b ) 信道m ，扎未被其他节点使用。 其中，q 表示阶段i 中分配给岣的直传链路的功率增益；仇表示在时隙l 吩向耽传输中 继数据的信道，甲表示信道c ，i m 的功率增益；n 表示在时隙2 耽向a p 传输哟的中继数 据的信道，h p 表示信道c k 的功率增益 浙江大学硕士学位论文 第2 章f e m t o c e l l 中的合作通信策略 条件( a ) 可以保证通过合作中继，总的功率消耗比原先降低，命题1 给出了证明 条件( b ) 是为了避免同频信号相互干扰。 命题1 ：如果u f 匹配轨，即组头匹配规则得到满足，那么u f 通过耽中继传输消耗的 总功率小于u ，在时隙1 直接传输消耗的功率。 证明：设有数据量r 需要传输，若直接向a p 传输，t f 需要功率p ；若中继传输，u f ，轨分 别需要功率p 1 ，p 2 。则l o g ( 1 + p q o ) = l o g ( 1 + p 1 弓 o ) = l o g ( 1 + p 2 f o ) = 尺。 上式第一、二项没有系数1 2 ，是因为考虑的是传输一定数量的信息所需消耗的功率， 而不是传输的速率。以传输周期为周期统计吞吐量，u ，在时隙2 仍然通过直传链路传输， 中继数据是时隙1 中的部分数据，只需要在1 个传输周期内到达a p 即可。那么 p 1 = p g ，弓 阶段i 中继关系确定及初步资源分配单信道分配策略阶段 s t e p1 组头选择 1 ：用l 刚算法求最优直传单信道分配策略 2 ：f o rf = 1 ：n o d ed o 3 ： 根据组头选取规则判断节点& 是否为潜在中继节点 4 ：蚰df o r s t e p2 组的形成 5 ：潜在中继节点排序1 7 = ( 妒，t ，2 ，1 ，3 一) ，普通节点排序乱= “，1 1 2 ，u 3 ，) 6 ：心p e a t 7 ： f o r ，= 1 ：o r d t n 口r y 一 l o d e 8 ： f o rf = 1 ：r d u p 一 ，l 船t p rd o 9 ： i f 存在信道c k 和c k 满足于组头匹配规则出e n 1 0 ： 叶匹配耽；b r e a l ( 1 1 ：e n di f 1 2 ：蜘df o r 1 3 ：e n df o r 1 4 ：u n t i i 没有新的匹配出现 1 5 ：e n dr e p e a t 阶段i i 全局资源分配多信道分配策略阶段 s t 印3 剩余信道分配 1 6 ： 心p e a t 1 7 ：f o rf = 1 ：r o u p m c 盯d o 1 8 ： 根据组头匹配规则选取中继信道 1 9 ：e n df o r 2 0 ：u n t i l 没有新的匹配出现 2 l ：e n dr e p e a t 2 1 浙江大学硕士学位论文 第2 章f e m t o c e l i 中的合作通信策略 2 2 ： n p e a t 2 3 ： f o rf = 1 ：口d pd o 2 4 ：选取直传信道 2 5 ：e n df o r 2 6 ：u n t i l 没有新的匹配出现或者信道分配完毕 2 7 ：e n dr e p e a t s t e p 4 功率分配 2 8 ：f o rf = 1 ：d r d t n 口r y t l d d ed o 2 9 ：根据功率分配规则分配传输不同数据的总功率 3 0 ：e n df o r 3 1 ：f o rf = 1 ： n o d pd o 3 2 ：根据注水法则进行多信道功率分配 3 3 ：e n df o r e n d 2 3 2 算法复杂度分析 设系统中的用户个数为，信道个数为k ， m ，下标c ，s 分别表示目标层和源层； t 条件：经过t 盯时间后，h 条件仍然满足 4 3 浙江大学硕士学位论文 第4 章e n b r n h e n b 共覆盖网络中的切换方案 图4 2 两层h e t n e t 的层间切换 相比于两层网络，三层网络层间切换有一个显著的特点一一目标层有两个因此， 切换决策时要考虑两组参数：( h 帆，丁7 瓦) 、( h m 2 ，丁丁乃) ，如图4 3 所示一个简单的 参考方案是将两组参数的值设为相等，但是这样做会使切换方案的效率很低，因为会导 致频繁和不必要的切换，详细分析见4 2 2 因此需要设计一个新的方案来确定两组切 换参数的取值，以减少冗余的切换，提升网络性能和用户体验 图4 3 三层h e t n e t 的层间切换 4 2 2 驻留概率 f e m t o c e l l 有两个突出的特点：( i ) 覆盖半径很小，典型值为3 0m ( 宏蜂窝为2 5l ( r i l ， 中继站为2 0 0 5 0 0m ) ；( i i ) 覆盖区域可能是u e 的目的地( 如家庭、办公室) ，u e 进入 其中后可能会长时间驻留。这两个特点使得e n b i 州h e n b 共覆盖网络的层间切换存在 一些特殊的场景，如图4 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 第4 章e n b r n h e n b 共覆盖网络中的切换方案 图4 4 三层h e t n e t 的切换场景 在场景a 和b 中，u e 的目的地不在h e n b 覆盖区域( f e m t o c e u ) 内，u e 只是从 f e m t o c e l l 经过。这种情况下，参考方案可能会产生乒乓切换，因为u e 在f e m t o c e l l 中 的时间很短，切入、切出f e m t o c e u 的时间间隔很小。因此在这两个场景中，应该尽量 避免切入f e n l t o c e l l ： 场景a ：参考方案的切换流