發(fā)布時(shí)間：2019-11-17 18:58

【摘要】：近年來,隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,智能手機(jī)等終端設(shè)備的數(shù)目呈現(xiàn)出爆炸式的增長。與此同時(shí),多媒體應(yīng)用大量涌現(xiàn),用戶對各類業(yè)務(wù)、服務(wù)等的需求也在不斷攀升。這些現(xiàn)象對現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了應(yīng)對快速增長的流量,支持多種多樣業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)需求,移動運(yùn)營商們在已有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署多類型基站,并引入無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)來提升系統(tǒng)性能。這種由多類型基站和多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被稱為無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中,用戶接入控制和資源分配是保證用戶業(yè)務(wù)的QoS需求和提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的升級,傳統(tǒng)的用戶接入控制和資源分配機(jī)制也需要進(jìn)行進(jìn)一步研究,以適應(yīng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比于僅由宏基站組成的蜂窩網(wǎng)絡(luò),無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來許多新的挑戰(zhàn),包括干擾更加嚴(yán)重、負(fù)載分布不均勻、上下行覆蓋不對稱、上下行業(yè)務(wù)量不對稱、接入網(wǎng)絡(luò)類型多樣化等。此外,由于多樣性業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn),用戶通常具有差異化的QoS需求。如何在無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,通過高效可靠的用戶接入控制和資源分配機(jī)制,保證用戶的QoS需求以及提升系統(tǒng)性能,是一個值得深入研究的問題。因此,本文針對無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的兩類典型場景:異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò),對用戶接入控制和資源分配機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文主要工作和貢獻(xiàn)如下:1)研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中支持多樣性業(yè)務(wù)類型的資源分配問題,為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了動態(tài)TDD(Time Division Duplex,TDD)傳輸協(xié)議,并結(jié)合該傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)出保證用戶業(yè)務(wù)流服務(wù)質(zhì)量的資源分配方案。用戶業(yè)務(wù)的多樣性體現(xiàn)在差異化的QoS需求上。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,不均勻的負(fù)載分布和多樣性業(yè)務(wù)會帶來小區(qū)內(nèi)流量需求的上、下行不對稱性。這種不對稱性在熱點(diǎn)區(qū)域部署的小小區(qū)中表現(xiàn)的尤為明顯。動態(tài)TDD模式可以應(yīng)對這種上、下行流量需求的不對稱性,但是無法解決對多樣性業(yè)務(wù)的支持,且?guī)淼母弊饔檬菄?yán)重的宏微基站之間的跨鏈路干擾問題。為了緩解這種跨鏈路干擾,保證多樣性業(yè)務(wù)的QoS需求,并提高資源利用率,本文將跨鏈路干擾緩解機(jī)制和多樣性業(yè)務(wù)流的資源分配方案的設(shè)計(jì)有效結(jié)合在一起。首先,本文為TDD異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出一種新的傳輸協(xié)議作為干擾緩解機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,引入效用函數(shù)來表征用戶業(yè)務(wù)的差異化QoS需求,并將用戶業(yè)務(wù)流的資源分配問題建模成網(wǎng)絡(luò)效用最大化問題�；趦�(yōu)化理論,利用兩層分解方法對該問題進(jìn)行求解,并設(shè)計(jì)了多項(xiàng)式復(fù)雜度的求解算法。仿真驗(yàn)證了相比于已有研究,所提出的結(jié)合跨鏈路干擾緩解的資源分配方案,不僅提升了上、下行盡力服務(wù)業(yè)務(wù)流的平均吞吐量,而且可以有效降低soft QoS業(yè)務(wù)流的中斷概率。2)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入控制問題,提出用戶上行蜂窩優(yōu)先接入機(jī)制,并得出基于WLAN可行狀態(tài)集合的業(yè)務(wù)流接入條件。為了應(yīng)對移動通信流量的增長,移動運(yùn)營商通過部署WLAN來卸載蜂窩網(wǎng)的流量。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN構(gòu)成了蜂窩-WLAN異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。在WLAN中,WLAN接入點(diǎn)(Access Point,AP)和用戶設(shè)備通過競爭方式訪問信道,且在競爭信道的優(yōu)先級上沒有差別。由于固有上、下行競爭信道的不對稱性,WLAN中主要的競爭來源于上行流的數(shù)據(jù)傳輸。隨著蜂窩網(wǎng)中的上行流量不斷被卸載到WLAN中,競爭越激烈,這將顯著降低WLAN的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。為了保證各類業(yè)務(wù)的吞吐量需求,并降低WLAN中的競爭和沖突,本文設(shè)計(jì)出一種最大化WLAN信道利用率和系統(tǒng)吞吐量的接入控制策略,即用戶上行蜂窩優(yōu)先接入策略。本文利用排隊(duì)理論對WLAN中數(shù)據(jù)幀傳輸進(jìn)行建模,推導(dǎo)出在給定WLAN狀態(tài)下各類業(yè)務(wù)流的平均吞吐量,以及WLAN的可行狀態(tài)集合。進(jìn)一步的,基于WLAN可行狀態(tài)集合,得出各類業(yè)務(wù)流接入條件。最后,通過仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析的精確性;此外,相比于WLAN優(yōu)先接入機(jī)制,所提機(jī)制在不影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)下行吞吐量的前提下,可以提升WLAN的信道利用率,以及融合網(wǎng)絡(luò)整體下行吞吐量。3)研究蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中吞吐量和功耗感知的接入控制問題,提出了基于勢博弈模型的用戶接入控制機(jī)制。在蜂窩-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中,影響用戶體驗(yàn)的不僅有其可達(dá)吞吐量,還有其功率消耗等。從系統(tǒng)角度考慮,WLAN將上行流量遷移到蜂窩網(wǎng)中可以獲得最大化的信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。但是從用戶角度考慮,上行流量的遷移將帶來功耗的提升。因此在此場景下,系統(tǒng)吞吐量和用戶功耗之間存在折中關(guān)系。如果在對用戶上行數(shù)據(jù)流進(jìn)行遷移時(shí),忽略用戶功耗,將會對用戶的體驗(yàn)造成影響�；谏鲜鍪聦�(shí),本文在設(shè)計(jì)用戶上行接入控制策略時(shí),同時(shí)考慮到用戶的吞吐量和功耗對其性能的影響。本文利用排隊(duì)理論對WLAN中的數(shù)據(jù)幀傳輸進(jìn)行建模,并引入效用函數(shù)表征用戶的滿意程度,進(jìn)一步將用戶上行接入控制問題建模成博弈問題,并通過博弈理論尋找該問題的解,即納什均衡點(diǎn)。最后通過仿真仿真評估所提出的接入控制機(jī)制對系統(tǒng)性能的影響,驗(yàn)證了所提接入控制機(jī)制相比于WLAN優(yōu)先接入機(jī)制,可以有效提升所有用戶的下行可達(dá)吞吐量。
【圖文】：

２）選址、維護(hù)困難。宏基站通常需占用較大面積土地，且具有較高發(fā)率。在人口密集的城市地區(qū)，由于電磁輻射污染、城市土地使用代貴等會使得站點(diǎn)位置的選擇變得越來越困難；此外，隨著宏基站數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、優(yōu)化和基站的建設(shè)、維護(hù)都成為運(yùn)營商的挑戰(zhàn)３）難以保證室內(nèi)覆蓋和熱點(diǎn)區(qū)域的ＱｏＳ。移動數(shù)據(jù)流量具有聚集特性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，２／３左右的語音業(yè)務(wù)以及９０％以上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生內(nèi)場景（如辦公室、住宅等）和人口密集的熱點(diǎn)場景（如商場、車站對于室內(nèi)場景，由于穿墻的損耗較大，室內(nèi)用戶和宏基站之間的信量較差，室內(nèi)用戶的吞吐量難以得到保證；對于熱點(diǎn)區(qū)域，宏基站載可能過重，導(dǎo)致用戶的ＱｏＳ需求得不到保障。逡逑由于通過部署更多數(shù)目的宏基站對蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密集化操作存在以上缺點(diǎn)，ＬＴＥ－Ａ系統(tǒng)通過在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署低功率節(jié)點(diǎn)，用來卸載熱點(diǎn)區(qū)域基站的負(fù)載、提高系統(tǒng)容量、提升小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量和增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋些低功率節(jié)點(diǎn)還具有部署簡單、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。這種在宏蜂窩中部署低節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)被稱為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。圖１．１是一個ＬＴＥ－Ａ異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)示意圖。下面將以ＬＴＥ－Ａ為例，對異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行簡單介紹。逡逑

逑圖１．２邋３ＧＰＰ－ＷＬＡＮ融合機(jī)制演進(jìn)［３１丨逡逑３ＧＰＰ自Ｒｅｌｅａｓｅ邋８以來持續(xù)對蜂窩和ＷＬＡＮ的網(wǎng)絡(luò)融合進(jìn)行研宄，圖１．２逡逑給出了邋３ＧＰＰ網(wǎng)絡(luò)和ＷＬＡＮ融合機(jī)制演進(jìn)的示意圖。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋８提出了基于逡逑接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能（Ａｃｃｅｓｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ邋ａｎｄ邋Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，逡逑ＡＮＤＳＦ）邋［３２］的接入網(wǎng)選擇機(jī)制。此機(jī)制下，用戶在蜂窩－ＷＬＡＮ融合網(wǎng)絡(luò)中，由逡逑蜂窩網(wǎng)運(yùn)營商給出的策略輔助進(jìn)行切換決策。運(yùn)營商的策略存儲在部署于核心網(wǎng)逡逑的ＡＮＤＳＦ實(shí)體。在此機(jī)制下，，用戶只允許接入一個網(wǎng)絡(luò)，或同時(shí)使用兩個網(wǎng)絡(luò)逡逑接口，但是服務(wù)不同應(yīng)用。３ＧＰＰ進(jìn)一步的提出利用接入網(wǎng)信息對基于ＡＮＤＳＦ逡逑的策略進(jìn)行補(bǔ)充，如圖１．２中間子圖所示。３ＧＰＰ邋Ｒｅｌｅａｓｅ邋１２提出了蜂窩網(wǎng)和逡逑ＷＬＡＮ的無線互操作（ｒａｄｉｏ邋ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ）邋［３３］。在無線互操作下，一個應(yīng)用可以逡逑同時(shí)使用兩個網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用戶的流量可以根據(jù)接入網(wǎng)參數(shù)、蜂窩和逡逑７逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.5

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 邵鵬飛;楊焦峗;;“接口+編號”接入控制策略實(shí)現(xiàn)研究[J];科技信息(科學(xué)教研);2007年35期

2 趙廣松;謝永強(qiáng);;一種多維接入控制模型的研究[J];計(jì)算機(jī)安全;2009年10期

3 關(guān)焯榮;;統(tǒng)一接入控制技術(shù)在江門供電局的應(yīng)用[J];電力信息化;2009年10期

4 梁茹冰;夏強(qiáng);;無線接入控制關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J];計(jì)算機(jī)測量與控制;2011年02期

5 孫濤;;試論接入控制技術(shù)在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用[J];才智;2013年33期

6 龔文斌,甘仲民;無線移動通信系統(tǒng)中的呼叫接入控制[J];通信學(xué)報(bào);2003年08期

7 張欣,盧軍;移動網(wǎng)絡(luò)中一種呼叫接入控制方案及分析[J];電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2005年01期

8 陸效農(nóng);殷保群;張海鵬;凌強(qiáng);;分布式業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于模型的接入控制方案(英文)[J];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);2012年10期

9 張水平;張曉斌;;校園無線網(wǎng)絡(luò)接入控制管理方案的初步探索與實(shí)踐[J];電腦知識與技術(shù);2014年04期

10 顧鐵成,陳道蓄;視頻服務(wù)器系統(tǒng)中接入控制問題的研究[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2002年23期

相關(guān)會議論文 前6條

1 李祥軍;邱雪松;詹志強(qiáng);孟洛明;;基于策略的網(wǎng)絡(luò)管理控制下的IP QoS業(yè)務(wù)接入控制[A];2003年通信軟件技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集[C];2003年

2 武凌;唐紅;趙國鋒;;支持IP QoS保證的接入控制算法[A];’2004計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)交流會議論文集[C];2004年

3 朱燕;何加銘;曾興斌;;WiMAX通信協(xié)議研究[A];浙江省電子學(xué)會2008年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2008年

4 涂鴻漸;陳前斌;;無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的呼叫接入控制方案綜述[A];第九屆全國青年通信學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

5 譚凌鴻;何選森;;基于博弈的無線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)競爭接入方法研究[A];2008'中國信息技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)論壇論文集（二）[C];2008年

6 王建偉;鄭康鋒;;一種HNB在線修改CSG用戶列表的方法[A];2010年全國通信安全學(xué)術(shù)會議論文集[C];2010年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前5條

1 鄭申;統(tǒng)一接入控制 安全盡在掌握[N];金融時(shí)報(bào);2007年

2 Juniper網(wǎng)絡(luò)公司中國區(qū)總經(jīng)理 張小琳;統(tǒng)一接入控制部署指南[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2007年

3 本刊記者 那罡;華東師范大學(xué)：安全接入 統(tǒng)一控制[N];中國計(jì)算機(jī)報(bào);2009年

4 張建銘 榮鈺;安全·無線·融合[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2006年

5 記者 李傳濤;讓華東師大資源安全調(diào)度[N];通信產(chǎn)業(yè)報(bào);2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 范強(qiáng);無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入控制和資源分配機(jī)制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 陸效農(nóng);網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)基于隨機(jī)優(yōu)化的接入控制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

3 姜曉楓;數(shù)據(jù)密集網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)同接入控制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

4 張浩然;異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合資源管理中接入控制策略的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

5 胡南;無線通信網(wǎng)絡(luò)接入控制技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2008年

6 伍仁勇;支持QoS的無線移動網(wǎng)絡(luò)呼叫接入控制和智能資源分配研究[D];華中科技大學(xué);2006年

7 李劍;移動通信中接入控制和多業(yè)務(wù)切換方法的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2006年

8 王炳飛;IP網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)系統(tǒng)訪問模式分析和性能優(yōu)化[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

9 張南;無線網(wǎng)絡(luò)MAC層接入控制研究[D];北京交通大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 方勝軍;基于能效的異構(gòu)多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入控制和資源分配技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2014年

2 吳錦輝;SDN控制器架構(gòu)研究與功能開發(fā)[D];電子科技大學(xué);2014年

3 崔琛;LTE中M2M接入擁塞控制的研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

4 張芳榮;礦井機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)基站接入控制策略[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

5 曹浩;基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的接入控制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

6 湯巨才;支持可伸縮視頻的分布式VoD系統(tǒng)的接入控制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

7 孫子瑩;基于SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接入控制功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2016年

8 曾志成;基于物理層信息的Wi-Fi接入控制技術(shù)的研究[D];大連理工大學(xué);2016年

9 張盟盟;平頂山農(nóng)信社專網(wǎng)接入控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D];大連理工大學(xué);2016年

10 翟師偉;基于博弈論的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)接入控制研究[D];東華大學(xué);2016年

本文編號：2562441