基于回程感知的异构蜂窝网络资源分配问题研究

• 作 者: 郑寒丹
• 出 处: 四川师范大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 异构蜂窝网络 资源分配 回程容量约束 无线回程带宽 用户QoS 干扰抑制

在第五代移动通信(The Fifth Generation,5G)网络中,在传统宏小区中叠加部署小小区基站而形成的异构蜂窝网络(Heterogeneous Cellular Network,HCN)是一种可以有效应对网络流量快速增长的新型网络架构。然而,异构蜂窝网络在提升网络容量、为用户提供更高的传输速率的同时,也面临着小区间干扰加剧、不同类型用户服务质量(Quality of Service,QoS)难以保证等实际挑战。此外,大量随机分布的小小区给无线回程链路带来的速率压力,也是异构蜂窝网研究亟待解决的重要难题。具体而言,回程链路传输对网络性能的影响主要体现在两方面:回程带宽分配和回程容量限制。而这两个因素都严重制约着异构蜂窝网络性能的优化和用户的QoS。本文将重点研究基于回程感知的异构蜂窝网络资源分配问题,通过合理分配频谱和功率等网络资源,实现不同类型网络性能的最优化。本文主要研究内容如下:1.回程容量约束下的异构蜂窝网络资源分配。本文的第一部分工作基于用户QoS需求和跨层干扰的约束,研究了两种不同回程容量约束(小小区回程容量约束和宏小区回程容量约束)下的资源块(Resource Block,RB)和功率联合分配问题。通过变量替换和约束松弛,将非凸的混合整数非线性规划(Mixed-Integer Nonlinear Programming,MINLP)问题转化为凸优化问题,求得了最优解;并基于最优解提出联合资源块和功率分配算法。最后,本文利用仿真验证了算法的有效性,并展示了不同回程容量约束下的网络性能。2.联合无线回程带宽与功率分配。本文的第二部分工作,在小小区回程容量的约束下,研究了异构蜂窝网络中下行链路的联合无线回程带宽(Wireless Backhaul Bandwidth,WBB)和功率分配问题。我们将联合优化问题分解为两个独立子问题:宏基站的无线回程带宽分配问题,以及所有基站的功率分配问题。基于各子问题的最优解,本文提出了一种分布式算法以实现无线回程带宽和功率的联合分配,同时最大化网络加权和效用。数值结果表明,本文所提出的资源分配方案在无限回程带宽约束下,可实现网络加权和效用最大化。3.基于回程感知的异构蜂窝网络能效优化资源分配。本文的第三部分工作,以异构蜂窝网络能效优化为切入点,同时兼顾到两种回程容量以及用户的QoS需求约束条件,研究了以全网能效为优化目标的资源块与功率分配问题。该问题属于分数规划(fractional programming)问题。我们通过Dinkelbach算法以及变量松弛和替换等方法,将这一问题转化为凸优化问题,并得到最优解。在此基础上,我们提出了能效最优的联合资源块和功率分配算法。最后,本文通过数值结果展示了两种回程容量约束下,资源分配方案对网络能效的影响。