高速移动环境下宽带无线通信系统中的无线资源管理算法研究

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近年来,以高速铁路为代表的高速交通工具在全世界范围内得到了快速地发展。为满足交通运输行业的信息化以及泛在通信的需求,迫切需要研究适用于高速移动环境的宽带无线通信系统。当前,高速移动环境下宽带无线通信的研究主要集中于宽带接入方案、信道建模与估计、多普勒频移校正以及小区切换算法,对于除小区切换之外的其它无线资源管理(Radio Resource Management, RRM)算法的研究仍然处于起步阶段。然而,RRM对于提升高速移动环境下宽带无线通信系统的整体性能至关重要,有必要对其展开更加深入地研究,以设计一些符合高速移动场景特点的高移动性RRM算法。本文通过对高速移动环境下宽带通信的典型系统中的RRM,即高速铁路通信(High-Speed Railway Communication, HSRC)系统中的RRM展开研究,找出其关键技术难点,在解决问题的基础上提出一些RRM算法,也总结出此类专网RRM算法设计和实现的研究思路,为以后设计其它高速移动场景中的RRM算法提供一些参考。在HSRC系统中,RRM的设计存在一系列的挑战,如:车地通信链路自适应传输需要应对非理想信道状态信息(Channel State Information, CSI)的约束,以及快衰落信道对低算法计算复杂度的实现要求等;车地通信接纳控制需要处理频繁且成批到达的切换业务单用户大量业务流场景的影响,以及低算法计算复杂度的要求等;车厢内资源分配需要面对能量供应不便,通信距离短,以及本地直通通(Device-to-Device,D2D)通信方式对资源分配设计带来的影响等。本论文针对RRM中链路自适应传输、接纳控制以及资源分配在HSRC系统中面临的挑战,充分考虑高速移动环境对RRM算法设计带来的影响,结合现有的研究成果,设计了新的相应的解决方案,并通过仿真对相关算法的性能进行了评估。主要工作和创新点如下:1.基于部分可观测马尔科夫判决(Partially Observable Markov Decision Process,POMDP)模型为HSRC车地通信设计了一种新型的链路自适应传输算法,以提升HSRC系统的有效吞吐量。首先,分析了车地通信对链路自适应传输带来的挑战,包括非理想CSI约束以及快衰落信道对低算法计算复杂度的要求。其次,分析了链路自适应传输的两个重要参数——物理层分集/复用增益以及链路层的成帧大小,并推导了有效吞吐量的计算公式。再次,基于POMDP模型设计给出了本文所提的链路自适应传输算法。由于充分考虑高速铁路车地通信对链路自适应传输的需求及影响,所提算法具有较低的计算复杂度,同时可以根据获得的非理想CSI与历史决策信息选择最适宜的链路传输参数,以提升系统的有效吞吐量。最后,仿真结果验证了所提链路自适应传输算法的有效性。2.联合利用自适应资源预留算法以及基于弹簧的资源抢占模型,提出一种能够有效降低车地通信业务掉线率的接纳控制机制。首先,分析确定了HSRC车地通信中业务掉线的两个直接原因:即业务频繁地调整其调制编码方案(Modulation and Coding Scheme, MCS)以及频繁的、成批到达的切换业务。其次,利用HSRC系统的一些特性,分析了MCS调整与切换业务的资源需求,并设计相应的自适应资源预留算法,以为易掉线业务合理地预留带宽资源。再次,考虑到系统资源不够用的场景,进一步提出一种基于弹簧的资源抢占模型,以在最小化资源抢占对现有业务影响的前提下,从在线变比特速率业务中合理地抢占部分带宽资源,以接纳更多的业务请求。之后,基于之前的工作,设计接纳控制机制以优化系统的业务掉线率性能。最后,仿真结果验证了所提接纳控制机制的有效性。3.针对列车车厢内通信的特点——能量供应不便、短距离通信以及丰富的D2D通信需求,综合考虑收发两端的能量消耗,联合优化时频资源单元(Resource Unite,RU)与功率分配,设计一种资源分配策略,以最大化系统的能量效率。首先,将最大化系统能量效率的资源分配问题建模为一个混合整数非凸优化问题。其次,为降低问题求解的计算复杂度,采用分步计算的方法对原始问题进行求解:第一步,利用贪婪搜索的方法确定时频RU分配,并将原始优化问题转变为非凸分式规划问题;第二步,在获得时频RU分配后,利用数学变换将分式规划问题转换为凹问题,并利用拉格朗日对偶方法获得次优的功率配置。最后,通过仿真验证了所提资源分配策略的有效性。
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