IMT-Advanced异构无线网络中资源管理策略研究

密级： 保密期限： 博士研究生学位论文 题目： IMT-Advanced异构无线网络中 资源管理策略研究 学 号： 姓 名： 专 业： 通信与信息系统 导 师： 学 院： 20xx年 4月 28 日独创性（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已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： 日期： 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： 日期： 导师签名： 日期： 摘要IMT-Advanced异构无线网络中资源管理策略研究摘 要近年来，随着移动互联网与云计算技术的发展，移动用户、特别是室内用户对数据业务的需求呈现指数级增长。现有宏蜂窝网络面临的主要挑战已变成移动数据业务需求的剧增与稀缺的无线频谱资源之间的矛盾。为满足用户的业务需求，特别是室内业务需求，在宏蜂窝网络中部署低功率接入点可进一步拉近用户与其服务基站的距离，减小信号到达用户时的衰减，增强网络的有效覆盖、减少服务盲区，并为宏蜂窝网络分流数据业务负载，提高频谱资源利用效率。这些低功率的接入点，包括家庭基站(Femtocell Base Station, FBS)、中继站(Relay Station, RS)和微微基站(Picocell Bsae Station, PBS)等，与原有的宏基站共同构成了IMT-Advanced (IMT-A)异构无线网络(Heterogeneous Network, HetNet)。各类型低功率节点的组网方式与传统单层宏蜂窝网络不同，所以会带来同频干扰、移动性切换失败和物理层安全等一系列亟待解决的问题。针对以上热点问题，论文从干扰管理、资源分配、移动性管理、物理层安全等方面，对IMT-A正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)异构无线网络中的关键技术进行了深入研究，给出相应的优化算法，以期提高频谱效率和优化系统整体性能。本论文主要研究内容和创新点如下： 1.异构双层网络中的干扰管理研究针对异构双层网络中的干扰问题，基于非合作博弈理论，提出了信道与功率控制的干扰管理策略。其中分布式干扰抑制策略综合考虑信道衰落特性和层间干扰等因素，将上行功率分配与信道分配建模为非合作博弈过程，其效用函数设置为家庭基站的容量，并在此基础上对由家庭用户造成的跨层干扰进行定价，以保护宏小区的无线传输链路。基于此非合作博弈模型给出了分布式的干扰感知子信道调度与功率分配策略。本算法不但能有效降低跨层干扰，提高系统吞吐量，而且复杂度较低，通过分布式的方式实现干扰管理适合家庭基站场景，同时合理的定价机制能够进一步保障层间公平。2. 异构双层网络中的资源分配研究针对现有异构双层网络资源分配中极少考虑异质服务质量(Quality of Service, QoS)的问题，提出了支持用户异质QoS需求的联合子信道与功率分配机制。首先将用户分为时延敏感型用户和时延容忍型用户，在功率受限和跨层干扰受限的情况下最大化全体用户的传输速率，同时保证时延敏感型用户的最小数据速率要求，以达到改善其服务质量的目的。并进一步将此问题建模为非线性混合整数规划问题，为了有效的求解该问题，先通过时间共享因子将其转换为凸优化问题，采用拉格朗日对偶分解法将原问题分解为主问题和若干子问题，最后通过次梯度法分布式求解，得到近最优子信道与功率资源联合分配算法。由于近最优资源分配算法复杂度较高，提出一种低复杂度的子信道调度与功率分配分开进行的次优资源分配算法。所提近最优与次优资源分配算法不仅能有效抑制跨层干扰，提高双层网络的频谱效率，而且能有针对性的满足用户异质QoS需求。3.异构双层网络中的移动性管理研究针对异构双层网络中切换策略准确性不足、信令开销大、切换失败率与不必要切换率较高的问题，提出基于用户特征的切换算法和基于蚁群算法的移动鲁棒性优化策略。首先根据异构双层网络接入方式的不同给出家庭小区与宏小区之间的切换流程，综合考虑双层网络覆盖范围不对称、用户移动性特征不均匀的特点，设计了一种低复杂度切换优化算法；并进一步分析了基于X2接口的异构双层网络移动性增强架构，给出相应的切换流程，并对其信令开销进行建模评估；最后提出了异构双层网络中基于蚁群算法的移动鲁棒性优化策略。所提算法可以有效地降低切换引起的无线链路失败率和不必要切换数目，提高异构双层网络的切换性能。4. 异构中继网络中的保密资源分配研究针对OFDMA双向中继网络中存在窃听者场景下的物理层安全问题，基于拉格朗日对偶法，提出子载波配对、子载波分配及功率分配的物理层安全容量最大化算法。首先在双向中继网络中将联合子载波配对、子载波分配和功率分配问题建模为一个混合整数规划问题，通过拉格朗日对偶法和内点法得到一个渐进最优解，并设计对应的资源分配算法。由于最优解的求解过程较为复杂，为减小复杂度，提出了一种固定其中二维资源分配，优化第三维资源分配的次优化算法。所提算法有效地提升了异构中继网络中的物理层安全容量。关键词：异构无线网络，家庭基站，双层网络，双向中继，资源分配，移动性管理，干扰抑制，物理层安全IVABSTRACTVITHE RESEARCH ON RESOURCE MANAGEMENT IN IMT-ADVANCED HETEREGENEOUS WIRELESS NETWORKSABSTRACTRecently, with the development of mobile internet and cloud computing technology, users demand of data service has a trend of exponential growth, in which most of the service occurs indoor. The main challenge for cellular networks is the contradiction between the growth of the mobile data traffics and the scarcity of spectrum resources. To satisfy the users demand, especially the indoor users requirement, low power access point can be introduced to the cellular networks, which has the shorter distance with user, can enhance the coverage, reduce the coverage hole, improve the spectral efficiency and can offload the macrocells traffics. The low power access point, including the femtocell base station (FBS), relay station (RS) and picocell base station (PBS), together with the macrocell base station (MBS), forms the IMT-Advanced (IMT-A) wireless heterogeneous networks (HetNet). Due to the different networking mode and access method, the low power access point also introduces some problems, such as co-channel interference, the failure of mobility handovers, physical layer security etc. To deal with the problems above, we do some research on Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) HetNet, including the interference mitigation, resource allocation, mobility management and physical layer security. We also propose some algorithms, which aim to improve the spectrum efficiency and system performance. The main work and innovationcan be summarized as follows:1. The research on interference mitigation in two-tier femtocell HetNet. We investigate the uplink resource allocation problem of femtocells in co-channel deployment with macrocells condisdering the characteristics of channel fading and cross-tier interference. We first model the uplink power and subchannel allocation in femtocells as a non-cooperative game, where inter-cell interference is taken in to account in maximizing the femtocell capacity and uplink femto-to-macro interference is alleviated by charging each femto user a price proportional to the interference that it causes to the macrocell. Based on the non-cooperative game, we then devise a semi-distributed algorithm for each femtocell to first assign subchannels to femto users and then allocate power to subchannels. Simulation results show that the proposed interference-aware femtocell uplink resource allocation algorithm is able to provide improved capacities for not only femtocells, but also the macrocell, as well as comparable or even better tiered fairness in the two-tier network, as compared with existing unpriced subchannel assignment algorithm and modified iterative water filling-based power allocation algorithm. 2. The research on resource allocation in two-tier femtocell HetNet. To cope with the problem in heterogeneous QoS, we investigate the resource allocation problem in both uplink and downlink for two-tier networks comprising spectrum-sharing femtocells and macrocells. A resource allocation scheme for co-channel femtocells is proposed, aiming to maximize the capacity for both delay-sensitive users and delay-tolerant users subject to delay-sensitive users QoS constraint and the interference constraint imposed by the macrocell. The subchannel and power allocation problem is modeled as a mixed integer programming problem, and then transformed into a convex optimization problem by relaxing subchannel sharing, and finally solved by the dual decomposition method. Subsequently, an iterative subchannel and power allocation algorithm considering heterogeneous services and cross-tier interference is proposed for the problem using the subgradient update. We also develop a practical low-complexity distributed subchannel and power allocation algorithm to reduce the computational cost. The complexity of the proposed algorithms is analyzed, and the effectiveness of the proposed algorithms is verified by simulations. 3. The research on mobility management in two-tier femtocell HetNet. To deal with the traditional inaccurate handover decision schemes, a handover optimization algorithm based on the UEs mobility state is proposed. An analytical model was presented for the handover signalling cost analysis. Numerical results are provided to compare the signalling cost of different handover management schemes. Considering the potential frequent mobility between HeNB-HeNB and HeNBeNB, HeNB mobility enhancement is proposed as one of the most important work items in 3GPP LTE-Advanced. Four X2 interface based HeNB mobility enhanced architectures are explicitly discussed in terms of signalling overhead evaluation. To cope with the problem of Radio Link Failures (RLFs) and Unnecessary Handover, this thesis proposes a mobility robustness optimization approach based on Ant Colony Algorithm in the femtocell networks. 4. The research on secure resource allocation in two-way relay networks. In this thesis, we consider the problem of secure resource allocation in orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) two-way relay networks considering the presence of an eavesdropper. The joint subcarrier allocation, subcarrier pairing and power allocation problem aims to maximize the secrecy capacity for legitimate sources subject to limited power budget and orthogonal subcarrier allocation constraints. The optimization problem is modeled as a mixed integer programming problem, and then solved in an asymptotically optimal manner based on the dual method. Moreover, optimizing one domain resource allocation while given the other two-domain resource allocation, a suboptimal algorithm is proposed to reduce the complexity. Simulations are conducted to evaluate the effectiveness of the proposed near optimal and suboptimal algorithms.KEY WORDS: Heteregeneous Networks, HetNet, Femtocell, two-tier networks, two-way relay, resources allocation, mobility management, interference magagement, physical layer securityIX目录目录第一章绪论11.1研究背景11.1.1移动通信发展简史11.1.2宏蜂窝网络面临的挑战21.1.3异构无线网络中的Femtocell41.1.4异构无线网络中的Two-way relay51.2IMT-A异构无线网络研究现状81.2.1异构无线网络面临的技术挑战81.2.2异构双层网络干扰管理研究现状91.2.3异构双层网络资源分配研究现状111.2.4异构双层网络移动性管理研究现状121.2.5异构中继网络保密资源分配研究现状141.3论文主要研究内容及创新点141.3.1论文的主要研究内容141.3.2主要创新点与论文结构17第二章异构双层网络中的干扰管理策略研究192.1引言192.2系统模型与问题建模202.2.1系统模型与假设202.2.2问题建模222.3干扰感知的资源分配机制232.3.1博弈框架232.3.2基于干扰感知的子信道分配242.3.3基于干扰感知的功率分配252.3.4干扰感知半分布式算法262.4仿真结果与讨论272.4.1对比算法282.4.2性能仿真分析302.5本章小结33第三章异构双层网络中的资源分配机制研究353.1引言353.2系统模型与问题建模363.2.1系统模型与假设363.2.2问题建模383.3子信道与功率分配算法393.3.1基于时间共享放松的优化问题转换393.3.2对偶分解法413.3.3迭代资源分配算法443.3.4下行资源分配453.3.5一种低复杂度算法453.3.6复杂度分析473.4仿真结果与讨论473.5本章小结55第四章异构双层网络中的移动性管理策略研究564.1基于用户特征的低复杂度切换算法564.1.1系统模型574.1.2切换流程574.1.3信令分析模型584.1.4一种低复杂度的切换优化算法594.1.5分析模型594.1.6性能分析624.2移动性增强架构研究644.2.1移动性增强提出的背景644.2.2移动性架构增强候选技术654.2.3移动性增强模式中的切换流程684.2.4信令分析模型694.2.5性能分析724.3Femtocell移动鲁棒性优化744.3.1移动鲁棒性优化简介744.3.2MRO事件探测744.3.3基于蚁群算法的移动鲁棒性优化控制策略774.3.4性能评价804.4总结86第五章异构中继网络保密资源分配研究885.1引言885.2系统模型与问题建模895.2.1系统模型895.2.2问题建模925.3保密资源分配935.3.1近最优算法935.3.2次优算法955.4仿真结果与讨论965.4.1仿真参数设置965.4.2仿真结果与分析965.5结论99第六章总结和展望1006.1全文研究工作总结1006.2未来研究工作展望101参考文献103附录1：缩略语中英文对照表115致谢118附录2：作者攻读博士学位期间发表的论文、专利、专著与标准化提案120XII第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 移动通信发展简史人们对信息获取的需求推动了通信技术的发展，而移动通信技术使用户摆脱了有线通信的束缚，得到用户的青睐，本小节对移动通信的历史作简单的回顾。自从马可尼领导的研究小组实现了英国到纽芬兰横跨大西洋的无线电信号传输以来1，人们从未停止对无线电与移动通信技术的研究热情。最早的移动通信系统可以追溯到上世纪40年代的专用模拟移动通信系统，其中心工作频率在2MHz，其代表是美国底特律市警察局专用的车载无线移动通信系统。从上世纪50年代末到70年代，贝尔实验室、摩托罗拉和爱立信等研究机构与通信公司都开始了对模拟移动通信的研究，通过将地理位置上的网络覆盖区域划分为小区，各个小区之间采用频率复用提高频率利用率，即所谓的“蜂窝”网络。70年代末诞生了第一代模拟移动电话，当时主要有3种窄带模拟通信标准，它们是应用于北欧(瑞典，挪威和丹麦)、东欧以及俄罗斯等国家的北欧移动电话系统 (Nordic Mobile Telephony, NMT)、应用于北美的高级移动电话系统(Advanced Mobile Phone Service, AMPS)和按照英国标准设计的全接入通信系统(Total Access Communication System, TACS)。除了这3种主流标准外还有一些重要的模拟移动通信技术，比如日本的 JTAGS，法国的Radiocom2000，西德的C-Netz和意大利的RTMI等。90年代期商用的第二代移动通信技术标准(2G)全球移动通信系统(Global system for Mobile communications，GSM)和码分多址接入(Code Division Multiplexing Access, CDMA)系统在全球市场取得了巨大的成功。第二代移动通信技术主要是面对语音业务的，为了满足日益增长的数据业务的需求，各大通信公司、研究机构及标准化组织共同推出了基于CDMA技术的的第三代移动通信系统，包括WCDMA(WidebandCode Division Multiple Access，宽带码分多址)、CDMA2000、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址)三大技术标准，进一步的提高了系统容量与数据速率2。由于数字信号处理与集成电路等技术的推动，通信技术取得了突飞猛进的进展，在层出不穷的新技术的推动下，移动通信技术目前已经发展到了以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)为物理层核心技术的第四代移动通信系统，比如第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)提出的先进长期演进LTE-Advanced3系统与WiMAX-Advanced(IEEE 802.16m)4技术。1.1.2 宏蜂窝网络面临的挑战随着用户需求的不断提升，宏蜂窝网络也面临一系列挑战。1) 宏蜂窝面临的挑战1：移动数据业务需求剧增与宏蜂窝容量有限的矛盾。随着移动互联网与云计算技术的发展，移动用户数目急剧增加，据统计5，在2010年，全球移动数据业务接近连续三年翻三番，同时超过2000年的全球因特网的通信业务量，到2015年底，预计有10亿用户通过移动无线设备接入到因特网。智能手机技术的发展也在一定程度上推动了移动互联网业务的发展，移动视频等占用大量带宽的新业务的出现，导致数据业务的需求呈现出指数性的增长6，如图1-1所示。随着移动通信宽带化和宽带通信移动化成为人们的共识，越来越多新的移动互联网应用也对无线通信技术的发展提出了更高的要求。最近爆发的“微信收费”事件也从侧面反映了移动互联网用户的庞大与新型数据业务需求的迅速增长。因此，更好的覆盖、更高的频谱资源利用率成为移动通信追求的目标。图1-1 北美市场用户对数据流的需求6传统的移动通信系统一般是由宏基站部署组网。但随着传统宏蜂窝网络(Macrocell Networks)中链路容量达到理论上的香农极限，为满足用户日益增加的数据速率需求，传统的办法是增加站点的密度或者获取更多可以利用的频谱7。（1）在早些年宏基站部署相对比较稀疏的场景中，增加宏基站的部署不会增加很大的干扰，更容易获得较大的小区分裂增益。但在现有网络中，随着宏基站部署比较密集，增设新的站点会使小区间的干扰变得十分严重，也就是说小区分裂的增益十分有限；同时，宏基站的布站成本也相对较高。（2）增加频谱供给的方法则成本高昂：无线频谱属于稀缺资源，国外的频谱拍卖经常拍出百亿元以上的天价，无线频谱如此昂贵的价格加上政府对频谱资源的管制，使得运营商获取更多频谱的办法可行性不高。总之，如果不进行变革，传统的宏蜂窝网络将面临严峻的挑战，即使通过昂贵的传统的持续投入，即通过购买频谱增大系统带宽和增加宏基站部署的方法，也无法跟上用户对移动互联网业务数据爆炸式增长需求的脚步。2) 宏蜂窝面临的挑战2：室内业务需求剧增与宏蜂窝室内覆盖不高的矛盾。近来研究表明，超过50%的语音业务和70%的数据业务发生在室内8，而且这一比例还有扩大的趋势，如何增强室内覆盖成为运营商十分关注的热点技术问题。进一步的，第三代和第四代移动通信系统通常部署在较高的频段，虽然此频段无线电波的穿透能力强，但是穿透损耗也大，导致室内特别是在家庭与企业环境中用户的业务需求得不到满足，因此室内业务激增对宏小区(Macrocell)室内覆盖能力造成严峻的挑战。1）解决方案1：为应对挑战1，可以通过部署低功耗的微基站弥补宏基站布站成本高的弱点，如部署微微小区(picocell)、中继站(Relay Station, RS)、分布式天线系统(Distributed Antenna System，DAS)等。2）解决方案2：针对挑战2，可采用部署家庭基站 (femtocell, 也被称为Home eNodeB、毫微微小区、HeNB、FBS、FAP)增强室内覆盖，满足用户的室内业务量需求。为应对宏蜂窝所面对的挑战，以上提到的解决方案1和解决方案2的共同思路都是采用更小规模的低功率接入点进一步拉近用户与其服务基站的距离，减小信号到达用户时的衰减，增强热点地区或者补充盲区的覆盖，并为宏蜂窝网络分流数据业务流。消费者强烈的移动数据需求所造成的挑战促使传统宏蜂窝网络的拓扑结构正在经历着从以语音业务为中心并追求覆盖范围最大化的电路交换到以数据业务为中心的追求容量最大化的分组交换的变革6，采用更新的无线通信标准(比如LTE/LTE-A)，引入软硬件整合更紧密的家庭基站、中继站、微微小区等小型化基站是移动通信网络异构化趋势的集中体现。在LTE-Advanced中，femtocell、relay、picocell共同构成了IMT-Advanced异构网络7(Heterogeneous Network, HetNet )，如图1-2所示9。简而言之，造成挑战1和挑战2说的根本原因是用户日益增长的数据需求与无线频谱稀缺的矛盾。一个有效的解决方法是部署异构低功率节点，拉近收发端的距离，增大单位空间频谱利用效率。图1-2 异构无线网络HetNet下面主要介绍IMT-A异构无线网络中的femtocell与two-way relay技术。1.1.3 异构无线网络中的Femtocell早在20世纪80年代，就已经诞生了“小蜂窝”(Small Cell)的概念6，“小蜂窝”用来描述当直径为千米级别的宏小区分割为尺寸较小的微小区时采用的概念12。在20世纪90年代，微微小区的先驱开始出现，其小区的半径从几十米到几百米不等，用来弥补宏小区覆盖的不足和避免过载的发生。但是从本质上来说，这些小区只是宏小区的微型化，和宏小区区别不大，还是要遵从宏小区的网络规划与管理。尽管在Southwest Bell 与Panasonic曾提出类似家庭基站的采用PSTN(Public Switched Telephone Network)做有线回程的室内覆盖解决方案，但是由于缺乏IP回程，其在技术上与商业上均存在不小的问题，故未得到大规模部署613。直到2003年，伦敦大学的学者将“小蜂窝”自配置与自部署的研究可以直接应用于femtocell网络61415，这标志着现代femtocell技术的成型，其技术特征是基于IP的回传网络以及其与宏小区间的标准X2接口6。正如上一个小节中提到的，移动数据爆炸式增长与室内业务量激增让宏蜂窝网络不堪重负，最有效的办法是减小小区尺寸与获得更多可用带宽17，但现有条件下很难有大量便宜的频谱带宽可用，且不易实现。家庭基站使得小区尺寸变小，拉近了用户终端与接入点的距离，可有效获得频率空间复用增益，同时，先进软硬件技术的整合使得低成本家庭基站的商用成为可能。Femtocell是一种低功耗，低成本的使用本地连接(如光纤或者DSL)作为回程(backhaul)的用来增强室内热点覆盖或弥补盲区的无线网络接入点9。Femtocell基站的所有权归属用户，一般是由用户自行安装的，采用即插即用的方式9。作为Macrocell的有益补充，能够提供更好的室内覆盖并满足用户对高数据速率的需求，在未来无线网络通信中发挥着重要作用16。另一方面，家庭基站低功耗的特点，以其较少的碳排放量能够满足绿色通信的需求。对于运营商而言，用户可以自行搭建家庭基站，以及其自操作性，可以有效的降低其运营成本(OPEX)。家庭基站的接入方式有封闭接入(Close Access)、开放接入(Open Access)、混合接入(Hybrid Access)等方式，在封闭接入方式中，只有封闭用户组(Closed Subscriber Group，CSG)成员方可接入1819。家庭基站的典型部署场景包括普通民居、大学、企业、商场等场所。与普通的宏基站相比, 家庭基站具有体积小、发射功率低、用户自行安装和维护、即插即用等特点，特别是在减轻宏蜂窝网络严重负载等问题上有突出优势，因而家庭基站具有非常广阔的应用前景，目前国内外各大运营商、设备商都给予家庭基站以极大的关注，在北美、新加坡等地区，家庭基站已经得到了较好的商用20；在美国，Sprint Nextel在2008年开始全国范围内供应家庭基站；在欧洲，英国在2009年开始他们的第一个家庭基站部署；随后，其他国家也陆续展开商用部署。在亚洲，日本软银移动、NTT DoCoMo，中国联通均在2009年推出了他们的家庭基站服务，根据Femto Forum统计，在2011的第二个季度增加了60%部署家庭基站的运营商，包括8家世界排名前十的运营商6。由于femtocell的巨大商业潜力和前景，国际标准化组织3GPP、3GPP2等标准化组织都给予了femtocell以大量的关注2122。同时，femtocell要想在全球内部署，在不同运营商之间实现无缝切换，互联互通，鉴权计费等功能，则需要标准化体系的支撑。1.1.4 异构无线网络中的Two-way relay针对传统宏蜂窝网络中小区边缘覆盖较弱、存在盲区等现象，异构无线网络HetNet中引入了无线中继技术2324。中继站(Relay Station/RS、Relay Node/RN)是使用无线链路作为回程的网络节点，中继最初的概念源于Ad Hoc网络25，中继站将超过源节点覆盖范围的数据信号转发给目的用户。在异构无线网络中，为了解决小区的边缘覆盖和覆盖盲点的问题，可以引入中继节点来提升小区边缘用户的通信质量，原来的盲点区域可以通过部署中继站来进行覆盖，通过部署中继节点还可以在一些热点区域进行容量增强；中继站亦可用来应对1.1.2中提到的挑战1。但传统的无线中继技术存在一定不足，其最大的缺点是中继受限于物理层技术，会浪费时隙资源，传统的存储转发中继技术完成两个源节点间的一次信息交换传输需要耗费四个时隙，如图1-3所示。图1-3 传统存储转发中继4时隙工作模式双向中继(Two-way relay)是克服传统单向无线中继时隙浪费、提高中继传输效率的一种有效方法。双向中继网络基于网络编码(network coding)26的思想，也就是通过中继节点的辅助实现源节点之间交互信息。在双向中继网络中又细分为3时隙工作方式和2时隙工作方式。3时隙工作方式是基于数字网络编码(digital network coding, DNC)，其工作原理如图1-4所示，两个源节点(用户和宏基站)通过中继站完成信息交互，用户和宏基站发送信息给中继站分别耗费1个时隙，中继站再将收到的信号编码后广播出去，用户和宏基站分别根据自己发送的数据和收到的编码数据进行异或运算得到对方发给自己的信息。这种方法比传统存储转发模式提高了一个时隙的效率。为进一步提高网络容量，研究者提出了基于模拟网络编码(analog network coding, ANC)的2时隙工作方式27。如无特别说明，下文中的双向中继网络特指2时隙工作模式下的双向中继网络。双向中继传输模式分为两个阶段：多址接入(Multiple Access, MA)阶段和广播(Broadcast, BC)阶段。在多址接入阶段，所有的用户同时发送信号给中继站；在广播阶段，中继站将收到的信号放大广播给所有的用户。利用无线双向中继节点进行信息交换的两个源节点收到中继节点广播阶段的信号后，通过去掉各自在多址接入阶段发给中继站的信息来获得对方发给自己的信息，如图1-5所示。图1-4 传统网络编码中继3时隙工作模式图1-5 双向中继2时隙工作模式1.2 IMT-A异构无线网络研究现状尽管femtocell与two-way relay等异构无线网络技术可以弥补覆盖盲区、增强室内覆盖，满足用户呈指数增长的数据业务需求。但是家庭基站与双向中继站的引入会对现有的宏蜂窝网络造成一定的冲击，未来异构无线网络的建设也面临着一系列的挑战。1.2.1 异构无线网络面临的技术挑战1）挑战1：Femtocell的引入带来的干扰管理问题。家庭基站的引入所带来的最受关注的、最被广泛讨论的问题就是干扰管理问题16。干扰如此严重的主要原因是家庭基站和宏基站共享相同的频带，但即使家庭基站采用与宏基站邻近的独立频段部署时，也会因为带外辐射产生干扰，特别是在密集部署场景中干扰问题尤为严重6。如果把家庭基站侧与宏基站侧各看做一层，则双层(Two-Tier)网络中的干扰可分为同层干扰和跨层干扰，在同层干扰和跨层干扰中分别存在上行干扰和下行干扰。家庭基站对宏小区造成干扰，正如同作用力和反作用力一样，干扰也是相互的，家庭小区对宏小区造成干扰的同时，宏小区也会对家庭小区造成干扰，如何抑制和管理这些干扰，增强覆盖成为切实需要面对的问题。2）挑战2：Femtocell网络中的资源分配问题。通常认为在移动通信系统中的无线资源主要包含以下四个维度：空域资源、频域资源、时域资源和功率域资源211。空域资源中的智能天线已经被广泛用在TD-SCDMA系统中；第一代移动通信中的频分复用和LTE系统中的正交频分复用则是有效利用频域资源的典范；GSM系统中的时分复用很好的利用了时间域的资源；CDMA系统中的功率控制技术是提高功率域资源利用率的典范1。资源分配是抑制干扰、提高容量、增强覆盖的利器。而无线资源是有限的，但用户对业务需求是不断增长的。如何有效的分配这些有限的无线资源，特别是频谱资源与功率资源，来满足增长的业务需求，成为家庭基站高效的控制干扰、提高系统容量要面临的问题之一。3）挑战3：Femtocell的引入带来的移动性管理问题。随着家庭基站的大量部署，用户在家庭基站和宏基站的移动性问题成为异构双层网络系统中重要的问题之一。成千上万的家庭基站与宏基站之间的移动性造成大量的切换94；而且，由于网络架构的改变，传统的切换流程很难直接应用到异构双层网络中，切换流程需要进行一定的修正。家庭基站引入宏蜂窝网络后，家庭基站与宏基站的功率不对等，覆盖范围不对称所带来的切换问题也一直困扰着研究者95。传统的切换判决算法无法准确判断移动车辆中的用户的切换要求，这就会造成不必要切换。家庭基站中的切换判决参数对移动性性能有较大影响，不合适的参数设置将会导致无线链路失败RLF(Radio Link failure)和不必要切换。家庭基站的密集部署和用户的频繁移动，将会导致大量的切换信令、无线链路切换失败和不必要切换，如何减小这些信令对网络的冲击并减少切换失败与不必要切换是亟待解决的问题。4）挑战4：双向中继网络中的资源分配与物理层安全容量问题。基于模拟网络编码的双向中继网络，由于其特殊的传输方式和无线通信的广播特性，异构双向中继网络容易受到窃听者的窃听而损失信息量，同时其安全性也性存在一定问题，容易受到攻击108。考虑到网络的现实情况，无线通信中“消极”的窃听者存在的场景比“积极”的攻击者存在的场景更常见109。而异构双层网络中窃听者的存在造成信息泄露的物理层安全问题一直没有得到完美解决，如何在存在窃听风险的情况下提高物理层安全容量，让窃听者获取的信息尽可能的少，是异构双向中继网络资源分配中的一个难题。针对以上挑战，研究者们已经开展了一些研究工作，学术界与工业界都对Femtocell与two-way relay等异构网技术给予大量关注，以femtocell发表论文数据举例，（学术界与工业界对Femtocell与two-way relay等异构网技术的关注集中体现在大量发表的论文数目上。