移动蜂窝网络的准入控制与下行链路资源分配研究

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随着Internet的广泛应用和移动通信技术的发展,以各种多媒体业务为代表的高速业务不断增长,并逐渐成为未来移动通信系统的核心业务。然而无线资源的稀缺性、用户的移动性以及无线信道的时变特性使得无线资源的管理面临着严峻的挑战。为了实现有效的无线资源管理,从用户的角度来说,要为其提供良好的服务质量(Quality of Service, QoS);从网络运营商的角度来说,要尽可能地提高系统无线资源的利用率。无线资源管理一直为无线通信领域的研究热点,无论是现在或是将来,对有限的无线资源管理的研究都将具有重要的理论和现实意义。移动蜂窝网络的无线资源管理包括呼叫接纳控制、呼叫切换控制、分组调度、信道分配和功率分配等,但本文的研究重点集中在对移动蜂窝网络的呼叫接纳控制、下行调度和资源分配(功率和信道分配)两个方面。针对此两个方面,本文主要做了如下几个方面的工作。1.针对CDMA系统,提出了一种新的基于模糊逻辑的呼叫接纳控制(Call Admission Control,CAC)方案,并设计了一种模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller, FLC)。该FLC能根据小区内激活用户(Active User, AU)的数目和平均到达的业务强度(Average Arrival Traffic Intensity, AATI)自适应地调整信干噪比门限(Singnal to Interference plus Noise Ratio threshold, SINRth),控制到达呼叫的接纳与否,实现用户信号质量和系统网络利用率的折中。2.针对未来移动蜂窝网络业务的多样性,提出了一种动态的、混合的CAC方案,该CAC方案将截止优先级策略(cutoff priority scheme)和队列策略(queue scheme)结合起来,能根据当前业务类型的数目、小区内总的信道数目以及业务的优先级动态地调整该业务的截止门限(cutoff threshold),用以提高信道的利用率。该CAC方案不仅适用于含有任意数量业务类型的移动蜂窝网络,而且适用于采用多种多址接入技术的移动蜂窝网络,如TDMA, FDMA, CDMA和OFDMA等,具有一定的通用性。为了克服采用多维马尔科夫链(Multi Dimensional Markov Chain, MDMC)建模所带来的计算复杂性,本文采用一维马尔科夫链(1Dimensional Markov Chain,1DMC)模型,对提出的CAC方案的性能进行了评估,除了得到目前文献中常见的新生呼叫的阻塞概率(New call blocking probability, pnb)、切换呼叫的强迫中断概率(Forced termination probability, PF)外,还得到了其它性能参数,如平均队列长度、切换呼叫在队列中的平均等待时间、流入话务量的利用率(offered traffic utilization),信道利用率以及系统性能的解析表达式。为了验证解析解的正确性,本文进行了大量的仿真,仿真结果表明pnb和PF的解析解和仿真解匹配较好。为了显示采用1DMC建模的优越性,对采用1DMC和MDMC建模的计算复杂度进行了比较。理论推导表明:采用MDMC对CAC方案进行建模,在进行性能分析时,反应计算复杂度的状态空间的基随业务类型的数目和小区内信道数目的增加呈指数增长,而采用1DMC建模对CAC方案进行性能分析时,状态空间的基仅随小区内信道数目和优先级最高的业务的队列容量呈线性增长。3.在基站端获取的是理想信道状态信息(Perfect Channel State Informaiton)条件下,对多用户、单小区OFDMA系统的下行调度与资源分配进行了概述。首先给出了多用户、单小区OFDMA系统下行资源分配的一般形式。为了实现频谱效率和用户公平性的折中,对基于速率效用函数、基于时延效用函数以及基于合作博弈论的OFDMA系统的下行调度与资源分配进行了研究,为下章基于部分信道状态信息和有限队列容量的多用户、单小区OFDMA系统的下行调度与资源分配打下基础。4.在基站端获取的是部分信道状态信息(Partial Channel State Information)以及存在最小速率和最大速率限制条件下的多用户、单小区OFDMA系统下行调度和资源分配问题进行了研究。在满足用户最小速率要求、保证用户公平性和满足系统中断概率要求的前提下,提出了相应的子载波和功率分配算法。该算法分为两个阶段,第一阶段是联合调度和子载波分配,在保证用户吞吐量公平性的前提下,满足用户的最小速率要求。第二阶段是在最大速率要求满足的用户的子载波间进行功率调整,在保证该用户最大速率不变的前提下,将执行功率调整后节省的功率分配给最大速率未满足用户的子载波,用以提高系统的吞吐量。
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