基于用户群体业务行为的高能效无线网络服务控制机制研究

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随着信息与通信技术(ICT,Information and Communication Technology)的飞速发展,无线网络在满足用户业务量爆炸式增长的同时,其消耗的能量也在急速增长。近年来绿色节能通信技术得到了广泛而深入的研究,高能效服务控制技术作为提高网络能量效率的重要手段,逐渐成为无线通信技术研究的重点。本论文针对下一代无线移动通信网络新需求,从用户行为的角度来探索解决业务随时间变化和无线网络资源配置的不匹配问题、用户群体业务行为空间维度模型不完善问题以及如何利用用户需求的差异化来解决无线网络资源不足的问题。通过对已有用户群体行为模型的利用和改善,寻求基于用户群体行为进行高能效服务控制的策略,提出一套基于业务时间不均匀性、空间不均匀性和业务需求差异化的高能效服务控制机制理论和方法,为现有实际网络和未来无线网络中的高能效技术提供新的技术手段和理论支撑。论文的主要研究内容和创新点总结如下:1.基于业务时间不均匀性的无线网络资源配置研究考虑业务时间不均匀性并结合用户业务群体行为模型,研究无线网络中的资源配置技术。针对用户业务在时间维度的起伏性和波动性,设计高能效基站休眠策略和高能效覆盖控制策略,全面提升网络能效。由于传统资源配置方案没有考虑业务时间不均匀性对网络性能的影响,也缺乏对用户业务群体行为的挖掘和利用,因此本研究提出了新的基于信道使用率的基站休眠策略和上下行联合覆盖控制策略来适配业务时间不均匀性,理论推导出所提策略的成功传输概率和网络能效表达式,得到最优休眠阈值和覆盖控制参数,使得网络能效比随机休眠和不使用覆盖控制方案时分别提升15.5%和5%。在此基础上,进一步研究了无线网络多种资源联合配置策略。在保证用户需求的基础上给出三种新的频带资源与服务控制联合策略,得到不同业务时间聚集程度下的最优频带分配与服务控制联合方案,为解决业务随时间变化和无线网络资源配置的不匹配问题提供新思路。2.基于业务空间不均匀性的无线网络服务控制机制研究传统描述业务空间不均匀性的方法仅将空间区域分为热点区域和非热点区域两类,而无法描述多个热点共存场景的聚集特性。因此本论文首先对已有业务空间不均匀性理论进行补充和完善,提出一种有效度量多热点共存场景的业务空间不均匀性量化模型,理论推导出空间聚集系数的表达式,为分析和利用业务空间不均匀性提供新的模型支撑。然后给出一种边缘感知跨层基站协作机制来提升热点边缘用户的网络性能,理论分析了所提策略的成功传输概率与网络能效等性能指标。研究得到成功传输概率与网络能效之间存在折中关系且证明存在最优基站协作阈值使得网络性能最优。最后通过分析两种用户行为在不同空间聚集程度时对网络性能的影响发现:空间聚集程度越低,则最优基站协作阈值越小;空间聚集程度越大,用户行为对网络性能的影响越大。3.基于用户需求差异化的接入与资源配置联合优化研究用户的聚集特性使得不同场景的用户业务需求不同。本文研究在连续广域覆盖场景和热点高容量场景中,如何对用户接入和资源配置进行联合控制才能达到网络能效的最大化。首先理论推导出双层异构无线网络中使用正交频率资源复用时的用户成功传输概率的上界值和下界值。然后在连续广域覆盖场景中,以保证用户成功传输为前提,理论分析了用户接入偏置与基站开启密度对网络能量消耗的影响,建立了能量消耗最小化问题并首次推导出最优微基站开启密度和最优用户接入偏置的闭式表达式。最后分析热点高容量场景中用户接入偏置和宏、微基站频带分配比例对网络速率覆盖的影响,建立速率覆盖最大化问题并给出一种低复杂度的动态梯度迭代算法来解决该优化问题。研究结果表明:在连续广域覆盖场景中,最优用户接入偏置是用户密度λu的负指数函数(即θopt~O(λu-α/2),其中α为路径损耗因子),最优微基站开启密度是用户密度的线性单调递增函数(即λ2opt~O(λu))。在热点高容量场景中:微基站密度较低时,最优接入偏置值与用户需求速率呈反比;微基站密度较高时,最优接入偏置值与用户需求速率呈正比;最优频带分配比例随微基站数目的增加而降低但用户速率需求的差异对最优频带分配比例影响不大。
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