（计算机应用技术专业论文）基于跨层设计和开放频谱的无线资源管理研究.pdf

北京邮电大学博士论文 摘要 基于跨层设计和开放频谱的无线资源管理研究 摘要 通信技术的飞速发展和i n t e m e t 的广泛普及，极大地推动了人们对 无线应用的需求，做为下一代网络重要组成部分的无线网络受到了产 业界和学术届的广泛关注。日益增长的种类繁多的无线应用使得无线 通信技术朝着高速、宽带以及严格服务质量需求保证的方向演进；无 线网络物理层固有的传输特性和有限的无线资源与高速宽带传输服务 要求之间的矛盾为无线资源管理问题的研究带来了新的挑战，无线资 源管理问题的深入研究对改善和提高无线网络性能具有非常重要的实 际意义。本论文针对无线资源管理问题，分别从无线频谱宏观上的静 态分配和动态分配出发，使用跨层设计的方法和开放频谱的思想，对 于无线资源的调度和动态分配进行了深入研究，主要包括以下四个方 面的工作： 1 、针对无线网络提出了改进的自适应调制( a m c ) 与选择性自 动重传请求( s r 硝r q ) 相结合的跨层自适应方案和n 成功“n + 1 ) 失 败系统吞吐模型；并在模型的基础上进行了理论分析。通过把已有的 使用了信道预测速率自适应方案运用到跨层设计中，在跨层方案中调 制方式的选择上充分考虑了信道的动态时变特性，而非直接把上一帧 传输信息假设为下一帧的信道状态，从而改善了无线传输的服务质量 ( q o s ) 。并通过大量仿真试验对所提方案与现有方案进行了对比分 北京邮电大学博士论文 摘要 析，仿真实验结果表明改进的方案与现有的方案相比，在保证m a c 层分组差错率性能上表现突出；同时，系统频谱利用率也有所提高。 2 、在前述跨层自适应方案的基础上，针对同时穿越有线网络段和 无线网络段的实时应用，在兼顾系统吞吐性能和异构网络上实时应用 严格的q o s 需求的基础上，提出了一种基于跨层设计的无线网络跨层 调度算法( r i t c l a ) 。通过大量的仿真实验，与改进的比例公平算法 ( m p f ) 、最早到期优先( e d f ) 和改进的最大加权延时优先( m 啪f ) 三个广泛使用的算法性能进行了对比分析。仿真结果表明，综合考虑 实时应用的严格时延要求和信道的时变特性，r t c l a 更适合于对时延 敏感的实时应用，尤其是分组超时率性能方面远远优于m p f 和 m l w d f 算法。 3 、针对o f d m a 系统的跨层调度和资源分配问题，提出了一种基 于跨层和时频二维分配的o f d m a 下行链路资源分配和调度算法。算 法在调度和资源分配时，考虑了用户物理信道状态信息以及m a c 层 和数据链路层的用户速率要求、延时要求、分组差错率要求等q o s 参 数，以提高系统吞吐性能为目标，同时并兼顾了公平性性能。并通过 大量的仿真实验，就系统有效吞吐量、中断率以及公平性分别与经典 的p f 算法和m l w d f 算法进行了对比分析，证明了所提算法在系统 频谱效率和中断率性能方面均表现较好。 4 、针对开放频谱管理系统中的动态频谱分配算法问题进行了研究， 使用图论对系统进行了建模，在模型的基础上对开放频谱管理系统中 的动态频谱分配问题进行了理论分析；在综合考虑系统总带宽、收敛 北京邮电大学博士论文 摘要 性能、公平性等因素后，提出了两种适用于不同应用要求的易实现且 具有良好收敛性能的启发式频谱动态分配算法兼顾最大化系统总 带宽的快速收敛算法( f c m b ) 和兼顾最大化系统总带宽的启发式公 平分配算法( 喇b ) ；并通过大量的仿真实验，与现有经典算法就系 统总带宽、公平性和收敛性三个方面性能进行了对比分析，同时还分 析了系统中环境参数变化对算法性能带来的影响，验证了所提的两个 算法的性能。 关键词：无线资源管理，跨层设计，调度算法，动态频谱分配，性能 分析，服务质量 m 北京邮电大学博士论文 s t u d i e so nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t w i t hc r o s s l a y e rd e s i g na n do p e ns p e c t r u m w i t ht h e d e v e l o p m e t o ft e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h e p o p u l a r i t yo fi n t e r a c t ，w i r e l e s sn e t w o r k s ，a sa l li m p o r t a n tp a r to ft h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k s ( n g n s ) a t t r a c ti n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nb o t hi n d u s t r y a n da c a d e m y w i r e l e s sn e t w o r k sa r ee x p e c t e dt op r o v i d ew i d e rb a n d w i d t h ， h i g h e rt r a n s m i s s i o n r a t ea sw e l la ss t r i c t q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e h o w e v e r , t h ei n h e r e n tt r a n s m i s s i o nt r a i t so fp h y s i c a ll a y e ri n w i r e l e s sn e t w o r k s ，l i m i tr a d i or e s o u r c e sa sw e l la s r e q u i r m e n t s o n b r o a d b a n dh a v eb r o u g h tn e wc h a l l e n g e si nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( m u v or e s e a r c h e s r r mr e s e a r c h e sw i l l b es i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n g n e t w o r kp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nd y n a m i cs c h e d u l i n ga n d r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o ni nr r mw i t hc r o s s l a y e rd e s i g na n do p e n s p e c t r u mr e s p e c t i v e l y , b a s e d o nr a d i os p e c t r u ms t a t i cr e g u l a t i o na n d d y n a m i c o n e t h em a i nc o n t r i b u t i o n so fo u rw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 w ep r o p o s e dm o d i f i e dc r o s s - l a y e rs c h e m ec o m b i n e dw i t ha d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n ds e l e c t i v er e p e a ta u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ( s r a g o ) i n w i r e l e s sn e t w o r k s w ea l s o p r o p o s e d n - - s u c c e e d n + l - f a i l e dt h r o u g h p u tm o d e lo nw h i c ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s v 北京邮电大学博士论文a b s t r a c t i sb a s e d t h ee x i s t e dr a t e a d a p t i v es c h e m ew i t hc h a n n e lp r e d i c t i o n t e c h n i q u e si se m p l o y e di nt h em o d i f i e dc r o s s l a y e rs c h e m e h e n c e ，t h e m o d i f i e ds c h e m ec o n s i d e r e dt h et r a i t so ft i m e v a r y i n gc h a n n e l sr a t h e rt h a n u s e sc h a n n e ls t a t eo fc u r r e n tf r a m ew h e nc h o o s i n gt h em o d u l a t i o nm o d e f o rt h en e x tf a m e a n di td o e si m p r o v eq o s t h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e d s c h e m ei sa n a l y z e dc o m p a r i n gw i t ht h a to fe x i s t i n gs c h e m e sb yal a r g e m o u n to fs i m u l a t i o nw o r k s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e d s c h e m eo u t p e r f o r m st h ee x i s t i n go n ei np a c k e te r r o rr a t e ( p e r ) a n d i m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y 2 w ep r o p o s e dac r o s s - l a y e ra l g o r i t h m ，r t c l a , f o rr e a l - t i m e ( r d a p p l i c a t i o n st r a v e r s i n gb o t hw i r e dl i n k sa n dw i r e l e s sl i n k s ，b a s e do nt h e a b o v ec r o s s l a y e rs c h e m e t h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，r t c l c o n s i d e r s b o t hs y s t e mt h r o u g h p u ta n du s e r s s t r i c te n d t o e n dq o s r e q u i r e m e n t sf o r s u c hr t a p p l i c a t i o n st r a v e r s i n gh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s w ea n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mc o m p a r i n gw i t ht h o s eo ft h r e e c l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，m o d i f i e dp r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m ， e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) a l g o r i t h m ，a n dm o d i f i e dl a r g e s tw e i g h t e d d e l a yf i r s t ( m l w d f ) a l g o r i t h m ，i np a c k e tt i m e o u tr a t e ，s y s t e ma v e r a g e t h r o u g h p u ta n df a i r n e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr t c l a i sm o r e a p p r o p r i a t e f o r d e l a y s e n s i t i v e a p p l i c a t i o n s t h a n o t h e r a l g o r i t h m s c o n s i d e r i n g s t r i c t d e l a yr e q u i r e m e n t s a n d t i m e - v a r y i n g c h a n n e l s e s p e d a l l y ，r t c l ao u t p e r f o r m sb o t hm p fa n dm - l w d fa l g o r i t h m si n 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t p a c k e tt i m e - o u t r a t e 3 w ep r o p o s e dac r o s s l a y e r 丘e q u e n c y t i m es c h e d u l i n ga n dr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rd o w n l i n ki no f d m as y s t e m s i nt h ep r o p o s e d a l g o r i t h m ，w ec o n s i d e r e ds o m eq o sp a r a m e t e r ss u c h a sc h a n n e ls t a t e ， u s e r s r a t e r e q u i r m e n t s o nm a cl a y e r , d e l a y r e q u i r e m e n t s ，p e r r e q u i r e m e n t s ，a n da i m e da ti m p r o v i n gs p e c t r u mu t i l i z a t i o n a sw e l la s f a i r n e s s t h e n ，w ec o m p a r e dp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mw i t h t h a to fp fa n dm - l w d fa l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u r a l g o r i t h mo u r p e r f o r m so t h e r sb o t h i n s y s t e ms p e c t r u mu t i l i z a t i o n a n d o u t a g e 4 w es t u d i e dd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ni no p e ns p e c t r u ms y s t e m , a n dg r a p h i ct h e o r yw a se m p l o y e dt of o r m u l a t et h ep r o b l e m t h e n , w e a n a l y z e dt h ep r o b l e mb a s e do nt h es y s t e mm o d e l s c o n s i d e r i n gs y s t e m s u mb a n d w i d t h ，c o n v e r g e n c ya n df a i r n e s s ，w ep r o p o s e dt w oh e u r i s t i c a l g o r i t h m s ，f a s tc o n v e r g e n ta l g o r i t h mw i t hm a x - s u m b a n d w i d t h ( f c m b ) a n dh e u r i s t i cf a i rw i t hm a x s u m b a n d w i d t ha l g o r i t h m , f o rd i f f e r e n t s c e n a r i o t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w oa l g o r i t h m sw e r es t u d i e da n d c o m p a r e dw i t he x i s t i n go n e sb ys i m u l a t i o n s a d d i t i o n a l l y , w ea l s os t u d i e d t h ei n f l u e n c e so fe n v i r o n m e n tf a c t o r sb ys i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ；c r o s s l a y e rd e s i g n ；s c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ；d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；q o s 北京邮电大学博士论文 图目录 图目录 图1 - 1 ：下一代网络架构图阎2 图2 1 ：系统配置简化示意图1 9 图2 - 2 ：信道状态的离散时间马尔可夫链2 0 图2 3 ：系统吞吐性能马尔可夫状态图。2 5 图2 4 ：系统平均分组差错率2 9 图2 5 ：系统平均频谱效率。3 0 图2 6 ：系统链路层上平均吞吐率3 1 图3 1 ：网络架构图3 8 图3 2 ：无线链路段系统配置简化示意图。3 8 图3 3 ：用户巧信道的离散状态的马尔可夫链模型。4 0 图3 _ 4 ：t c p 分段到m a c 分组的封装示意图4 3 图3 - 5 ：算法在仿真场景一下的分组超时率4 7 图3 6 ：算法在仿真场景一下的系统吞吐率。4 8 图3 7 ：算法在仿真场景一下的公平性4 8 图3 8 ：算法在仿真场景二下的分组超时率。4 9 图3 9 ：算法在仿真场景二中系统平均有效吞吐率。5 0 图3 1 0 ：算法在仿真场景 - t 的分组超时率5 0 图3 1 1 ：算法三方面性能的稳定性表现5 1 图4 1 ：简化的系统配置示意图。6 0 图4 2 ：一个o f d m 帧资源图示6 1 北京邮电大学博士论文图目录 图4 3 ：算法一次调度过程流程图。6 6 图4 4 ：场景一下系统平均吞吐率。6 9 图4 - 5 ：场景一下系统平均有效吞吐率。7 0 图4 6 ：场景一下系统平均中断率。7 0 图4 7 ：场景一下系统中断率公平性。7 0 图4 8 ：场景二下系统平均吞吐率。7 1 图4 9 ：场景二下系统平均有效吞吐率7 1 图4 - 1 0 ：场景二下系统平均中断率7 1 图4 1 1 ：场景二下系统中断率公平性7 2 图5 1 ：开放式频谱系统示意图7 8 图5 2 ：开放式频谱系统示例。7 9 图5 3 ：f c m b 算法伪代码8 3 图5 - 4 ：i - i f w b 算法伪代码8 5 图5 - 5 ：主用户数目对系统总带宽性能。8 8 图5 6 ：主用户数目对公平性。8 8 图5 - 7 ：主用户数目对算法迭代次数8 8 图5 8 ：次用户数目对系统总带宽性能。8 9 图5 9 ：次用户数目对公平性。8 9 图5 - 1 0 ：次用户数目对算法迭代次数9 0 图5 - 1 1 ：信道数目对系统总带宽性能9 0 图5 - 1 2 ：信道数目对公平性9 1 图5 1 3 ：信道数目对算法迭代次数9 1 北京邮电大学博士论文 图目录 图5 1 4 ： 图5 1 5 ： 图5 1 6 ： 图5 1 7 ： 图5 - 1 8 ： 图5 - 1 9 ： 次用户干扰区域半径对系统总带宽性能9 2 次用户干扰区域半径对公平性9 2 次用户干扰区域半径对算法迭代次数9 2 主用户f 状态马尔可夫模型9 3 动态仿真环境下系统总带宽性能9 4 动态仿真环境下公平性9 4 北京邮电大学博士论文表目录 表目录 表2 1 ：系统支持的调制方式。2 8 表3 - 1 ：系统支持的调制方式。4 6 表4 - 1 ：主要的仿真环境参数。6 8 北京邮电大学博士论文 缩略词 缩略词 英文缩写英文全拼 中文 3 gt h i r dg e n e r a t i o n 第三代 3 g p pt h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t第三代合作伙伴计划 a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动重传请求 b e rb i te r r o rr a t e 误比特率 c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址接入 协调式最大化系统总带 c m s bc o l l a b o r a t i v em a x s u m b a n d w i d t h 宽算法 c p c y c l i cp r e f i x 循环前缀 c r c o g n i t i v er a d i o 感知无线电 d s a d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n 动态频谱分配 e d fe a r l i e s td e a d l i n ef i r s t最早到期优先调度算法 演进的增强数据传输速 e d g ee n h a n c e dd a t a r a t e sf o r ( 3 1 0 b a le v o l u t i o n 率的通用分组无线业务 f a s t - c o n v e r g e n t a l g o r i t h m w i t h兼顾最大化系统总带宽 f c m b m a x s u m b a n d w i d t h的快速收敛算法 f e cf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n前向纠错编码 f i 丌f a s tf o u r i e rt r a n s f o m l 快速傅立叶变换 g p i 塔g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用无线分组业务 g s mg e n e r a ls y s t e mm o b i l e全球移动通信系统 h a r q h y b r i da r q 混合型自动重传请求 h e u r i s t i cf a i m a l g o r i t h m w i t h兼顾最大化系统总带宽 h f w b m a x s u m b a n d w i d t h的启发式公平分配算法 h o l p r 0h e a do fl i n ep s e u d o p r o b a b i l i t y 对头分组伪概率算法 i f f ti n v e r s ef a s t1 7 0 u r i e rt r a n s f o r m反快速傅立叶变换 i s ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号问干扰 m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 北京邮电大学博士论文 缩略词 英文缩写英文全拼中文 修改的最大加权延时优 m u 旺 f删i 丘e dl a r g e s tw e i g h t e dd e l a yf i r s t 先算法 m p fm o d i f i e dp r o p o r t i o n a lf a i r修改的比例公平算法 n g nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s下一代网络 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 o r t 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 e x i n g o f d m a 正交频分复用多址接入 a c c e s s 以最大化系统总带宽为 0 吼o p t i m a l a l g o r i t h m 目标的理论最优算法 p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 概率密度函数 加强的最早到期优先算 p e d fp o w e r e d 酬e s td e a d l i n ef i r s t 法 p e rp a c k e te r r o rr a t e分组差错率 p u p r i m a r yu s e r s 主用户 q a mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r a n dd i s t r i b u t e dr a n d o ma l g o r i t h m随机分布式算法 r a ur e s o u r c ea l l o c a t i o nu n i t资源分配单位 r r mr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 无线资源管理 盯r e a l 一面m e实时 c r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o r r t c l a实时应用跨层调度算法 r e a t - t u n ea p p l i c a t i o n s s d rs o f t w a r e d e f i n e dr a d i o 软件定义无线电 s d f r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信干噪比 s n r s i g n a l - t o n o i s er a t i o 信噪比 s r - a r os e l e c t i v er e p e a ta u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t选择性自动重传请求 s u s e c o n d a r yu s e r s 次用户 w l a nw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s 无线局域网 w m a nw i r e l e s s无线城域网 、 r p ! a nw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s无线个域网 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：孟鲻日期：兰盟j z ：坌：丛 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 第一章绪论 提要：本章介绍了本论文的立题背景，并概要地论述了无线资源管理相关问题 后，分析了论文的选题依据，总结了论文的主要贡献，并介绍了论文的研究内容 和结构安排。 1 8 9 7 年，马可尼( g u g l i e l m om a 咖i ) 第一次向世人展示了无线电通信的威 力，实现了在英格兰海峡行驶的船只之间保持持续的通信，从此以后，移动物体 之间的通信就得到了举世瞩目的发展，全世界的人民不断地经历着新的无线电通 信方法的产生，并享受着多种多样的无线通信服务i 。二十世纪末，移动通信技 术和i n t e m e t 技术的发展极大影响了人们的生活、学习和工作，两者的结合是信息 产业发展的必由之路【2 1 。一方面，在近二十年的时间里，随着大规模集成电路及 数字交换等技术的发展和成熟，也推动了移动通信网络的飞速发展，移动网络从 第二代的全球移动通信系统( g s m ) ，到2 5 代的通用无线分组业务( g p r s ) ，到 2 7 5 代( e d g e ) ，到第三代移动通信系统( 3 g ) ，到b 3 g 、3 5 g 、3 9 g 、4 g ，无 线网络的迅速发展也为新业务的产生提供了可能，网络所能支撑的服务也将越来 越丰富和多样化，移动业务逐步走向多元化，无线应用渗入到了人们生活的方方 面面。用户不仅对网络服务的功能提出了更高的要求，也对服务的性能和品质提 出了更精确的要求。另一方面，i n t e m e t 的广泛普及和以及丰富的信息给人类社会 各个领域带来了信息技术的冲击，而且光纤通信的成熟使超大容量的骨干网络成 为可能，要求接入技术向高速、宽带方面演进。因而，随着科技、社会的进步， 人们越来越希望能够随时随地( a n yw h e r e ，a n yt i m e ) 获取信息或进行交流例，这 使得下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ，n g n ) 【 蚣将是有线网络和无线网 络相融合的网络，且同时支持多种接入技术，以为用户提供高速、宽带、随时随 地可接入的有严格0 0 s 保证的传输服务为目标。 对于这样的以异构性和泛在移动性为特征的下一代网络，无线网络将是其重 要的一个组成部分。但是，由于无线资源稀缺、带宽的限制和无线信道的时变特 性等特点，使得无线网络成为了影响网络性能的瓶颈部分，尤其是对异构网络上 要求服务质量( 0 0 s ) 的实时应用来说，无线网络段更是影响服务性能的主要瓶 颈之一。因此，包含无线电频谱分配、功率控制、信道分配、调度技术、切换技 术、呼叫准入控制、端到端的o o s 、无线资源预留和自适应编码调制等内容的无 北京邮电大学博士论文第一章绪论 线资源管理就成为了无线研究领域中非常重要的课题之一。 1 1 立题背景 从接入技术看，无线网络包括无线局域n ( w l a n ) i s - 1 2 1 、无线城域网( w m a n ) 【拉切、无线个域网( w p a n ) 【1 睨1 1 、移动蜂窝网、卫星通信网络等多种形式，由 于接入技术的不同，使得它们的带宽、延时、差错等性能表现上各有不同；从网 络架构看，又可分为有基础设施的无线网络( 1 n f 宙a s t r u c t u r e dw i r e l e s sn e t w o r k s ) 、 无基础设施的无线自组织网( a d h o e ) ，以及与传统无线网络不同的m e s h 网络。 这里，这些不同类型的无线网络均统称为无线网络，但是本论文的讨论均以蜂窝 网络和架构模式的无线城域网或局域网络为研究对象。 随着无线移动通信技术的发展，宽带无线接入和无缝全球个人移动通信已经 成为人们的迫切要求。虽然网络融合的整体架构、会话控制、业务体系、服务质 量、安全机制和移动性管理等方面还有很多问题有待进一步探讨和解决，但是网 络融合已经成为了通信发展的趋势，互联网与移动通信的技术融合势所难免，一 个支持各种应用的、无处不在的、没有线路和地点限制的接入必将成为对下一代 网络的基本要求，下一代网络将朝着移动化、全口化和宽带化的方向发展，而无 线网络由于其灵活便捷的接入方式以及有线技术不能实现的对移动终端的支持成 为了下一代网络的一个重要组成部分。图1 - 1 给出了这样的融合的全口网络的一 个网络架构示意图，无线网络可以看作是一个主要的接入网。 图卜1 ：下一代网络架构图 而数字无线通信技术的广泛应用和i n t e m e t 的日趋普及，也使得做为一种主要 通信接入网络的无线网络的发展也将面临两个方面的需求嘲。一是传输速率高速 2 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 化，无线通信需要能够用来传递大信息量的文件，包括数据、静止图像、以至视 频等多媒体信息，无线网络必将朝着高速、宽带方向演进，例如，相对于g s m 和 g p r s 网络而言，3 g 网络已经可以提供较高的数据传输速率，室内静止用户可以 获得2 0 4 8 m b p s 的峰值速率，室外移动用户可以获得3 8 4 k b p s 的峰值速率，而高 速移动的用户也可以获得1 4 4 k b p s 的峰值速率。但是，这相比较有线网络的宽带 接入或者是超宽带光纤接入来说，无线链路段仍是宽带无线应用的带宽瓶颈。二 是承载业务多样化，这就要求无线链路能够为其上的应用提供不同级别、不同种 类的服务质量保证，为用户提供对高速、宽带、有q o s 保证的各种多媒体业务支 持。然而，无线通信系统由于其自身资源以及物理信道传输特性的限制，相对于 有线网络存在着高误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 、低带宽等缺陷，要求对无线资 源管理继续进行深入研究，以期能够解决宽带应用的最后一段无线接入带来的问 题，支持日益丰富的无线应用。 1 2 无线资源管理概述 从宏观的角度看，无线资源管理包括两个方面的内容：一是在传统的无线频 谱固定分配的基础上，针对特定网络，在有限带宽的条件下，为网络内无线用户 终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络业务量分布不均匀、信道特性因 信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络 的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的 信令负荷【刎；二是对无线电频谱资源从宏观的角度进行合理地分配和调控。前者 基于过去政府对无线资源的统一管理，属于静态分配无线资源；而后者是基于近 几年来无线领域专家提出的开放式频谱的思路，属于动态分配无线资源。在本论 文中，称前者为。无线网络资源管理”问题，而称后者为“无线电频谱分配”问 题。 1 2 1 无线网络资源管理 无线网络与有线网络的本质区别在于传输信道的不同，相对于带宽、噪声都 比较恒定的有线信道，无线信道不仅带宽资源紧缺，噪声和干扰强烈，而且信道 状况多变；无线信道中，信号要受到自由空间传播、地面和建筑物的反射、多普 勒效应和多径等各种衰落效应的影响【3 1 。无线信道直接制约着无线通信系统的性 能。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种 复杂的地形物、山脉和树叶等，使得无线信道不像有线系统那样固定并可预见， 而是具有极度的随机性，难以分析l ”。为了满足用户不断提高的q o s 要求，更加 有效地管理和使用无线网络资源，使网络在满足多种业务服务质量要求的前提下 北京邮电大学博士论文第一章绪论 尽可能为更多的用户服务，无线资源管理技术应运而生。无线资源管理是对包括 发射功率、带宽资源、分时系统中的时隙数、信道、码分多址( c d m a ) 系统中 的码字、o f d m 系统中的子载波在内的资源的合理分配和使用：即在有限带宽的 约束条件下，通过合理地调度和分配无线资源来控制用户行为，使得某些预先设 定的目标( 如提供资源利用率和系统吞吐性能、保证用户要求的o o s ) 得到满足。 其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、用户信道增益不同的情况下，灵活分 配和动态调度网络的可用资源，从而最大程度提高无线频谱利用率，防止网络拥 塞，并保持尽量小的信令开销协2 5 , 冽。无线网络资源管理主要包括以下几个方面 技术1 2 , 2 5 】： ( 1 ) 功率控制技术：主要目的是在维持链路通信质量的前提下，尽可能减小 消耗功率资源，抑止无线通信系统中的“远近效应”，从而降低网络空中接口部分 的相互干扰，提高信道容量，延长终端电池使用时间 ( 2 ) 速率分配技术：对用户发送速率进行分配和调度，如分时系统的时隙调 度，还包括与物理层信道状态密切相关的自适应速率技术。速率分配技术的主要 目标一是增加频谱效率，从而增加系统吞吐量，二是满足用户o o s 要求，保证用 户问的公平性。 ( 3 ) 动态信道分配技术：主要包括小区间的频率分配以及小区内的信道分配 ( 对c d m a 系统来说，是码的分配) ，通过对资源的分配和控制，合理有限的无 线利用资源。 ( 4 ) 切换控制技术：保证移动终端从一个基站覆盖区域内移动到另一个基站 的覆盖区域内时，或者由于网络负载控制或维护等原因使得用户切换到其他小区 时，保证移动用户业务不中断。 ( 5 ) 接入控制技术：对新用户和越区切换用户的呼叫进行控制，通过控制进 入网络的负载总量，使之不超过网络承载能力的上线，在小区容量处于饱和状态 时，不再接纳新连接请求，以保证已有用户的q o s 要求；小区容量未达到饱和状 态时，在保证已有用户q o s 要求的同时，尽可能多地接纳新连接请求，以充分利 用无线资源；同时，对于新的链接请求，以越区切换用户的请求为优先，以保证 系统性能。 ( 6 ) 负载控制技术：通过实时监控网络负载信息，当网络出现过载或临近过 载的情况时，即时进行调整，使系统迅速可控地恢复到正常状态，以保证网络的 正常运行。负荷控制更多地体现为系统负荷过载或临近过载时所采取的事后适宜 措施；而接纳控制则更多地表现为充分利用系统资源并预防系统负荷过载所采取 的事前恰当动作。二者紧密相关：较为准确的接纳控制可使系统降低对负荷控制 的要求；而优化的负荷控制可使系统给予接纳控制更多的自由度，以增强系统稳 4 北京邮电大学博士论文第一章绪论 健性。 本论文的无线网络资源管理研究主要集中在速率分配技术和动态信道分配技 术两个方面，从物理层( p h y ) 和媒