《新型无线网络的资源管理与负载均衡策略研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型无线网络的资源管理与负载均衡策略研究（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学博士学位论文新型无线网络的资源管理与负载均衡策略研究姓名：裴雪兵申请学位级别：博士专业：信息与通信工程指导教师：朱光喜20090521华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 无线蜂窝网、WLAN、WiMAX 作为 Internet 宽带无线接入的主流候选技术，正越来越受到关注，各种无线网络之间既是竞争又是互补的关系。下一代无线网络技术必然要支持异构网络的融合，采用 OFDM 为核心技术，具有认知无线电能力，支持分布式网络架构、ad hoc 组网、多跳中继等，以更低的价格、更好的质量支持更多的语音、数据、流媒体等具
2、有不同 QoS 要求的多样性业务。本文以下一代新型无线网络为背景，研究了无线网络的资源管理及负载均衡策略。 首先，本文对下一代无线网络的关键技术正交频分复用（OFDM）技术进行了研究。由于 OFDM 系统基于信道状态信息的子载波及功率分配算法复杂度高，控制信道带宽的开销过大，而与信道独立的资源分配算法性能较差，因此，本文提出了一种新的基于信道参数统计相关性的子载波和功率分配算法，该算法利用信道统计信息来减少信道反馈，并转化成离散模型求解，大大降低了算法的复杂度。本文也在多用户 OFDMA 系统中根据业务区分的思想，提出了一个自适应跨层子载波调度及功率分配机制。该算法给实时业务（如语音、多媒体业
3、务）更高的优先级，而对于低优先级的数据业务再进一步根据缓冲队列中的数据包个数公平的分配子载波。仿真结果显示，基于信道统计相关性的资源调度算法在系统总容量上有微小降低，但算法复杂度大大降低；在性能上也优于基于路径损耗的资源调度算法；我们提出的跨层子载波调度及功率分配机制改善了实时业务的时延性能， 提高了 OFDMA系统的频谱效率。 在基于 OFDM 技术的多跳认知无线网络中，针对颜色敏感的图着色（CSGC）频谱分配模型，我们将功率控制引入 CSGC 模型来避免二级用户之间的干扰以及适应拓扑的动态变化。本文首先将信道分配、带干扰限制的功率控制问题在两个不同的优化策略下形式化为最大化问题，目标函数是
4、针对整个路由进行优化，而不是链路； 然后提出了一个启发式算法对该 NP 问题进行求解。该算法首先在保证链路连接的最小发射功率下进行信道分配以尽可能的重用信道，然后在保证所有同信道链路的干扰满足约束条件的同时将每个链路的发射功率最大化来提高链路带宽。仿真结果表明，我们提出的算法比已有算法能获得更高的总网络带宽和最小路由带宽。 异构无线网络的主要挑战是如何高效利用各种接入网的无线资源，针对异构无线网络基站或 AP 的容量差异及业务分布不均， 导致通信热点地区的新呼叫因负载过华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 重大量阻塞，而相邻轻负载小
5、区却有容量盈余的现象，本文提出了几种联合呼叫接纳控制及 ad hoc 网络多跳路由算法的负载均衡策略，以提高整个异构网络的资源利用率。该均衡策略依据是否利于多跳转移来决策新呼叫的接入，然后将部分流量转移到附近轻负载小区。仿真结果表明，提出的负载均衡策略能有效改善网络系统的负载均衡指数，彻底避免呼叫阻塞现象。 为了改善蜂窝网、WLAN、WiMAX 等异构网络重叠覆盖的热点通信地区的呼叫阻塞概率、吞吐量等网络性能，提出了两个基于 ad hoc 网络 N 跳路由算法的协作负载均衡策略，以提高整个异构网络的资源效率。该策略首先根据无线资源管理策略来决定是否接纳一个新呼叫，在重负载情况下根据最小价格转移
6、策略或最轻负载基站及最近业务转移策略来选择特定业务转移到目标基站或 AP，这些业务转移策略考虑了基站负载指数、跳数、业务预测、转移开销等因素。一个分析模型用来计算两个不同业务模型下的系统呼叫阻塞概率及吞吐量性能。仿真结果表明，提出的负载均衡策略比 HM-MACA 和 HS-TC 策略更能将业务均匀的分布到整个异构无线网络，降低呼叫阻塞概率，改善系统吞吐量性能。 异构无线网络中基于网络效用的资源管理及网络选择算法是研究的热点，本文提出了基于经济模型且具有 QoS 保证的无线资源分配及网络选择算法。 在 CDMA 网络上行链路，分析了考虑多小区干扰功率的资源分配约束条件，然后在不同负载情况下对目标
7、函数为网络社会福利最大化的资源优化分配问题进行了求解；当 WLAN网络通过控制冲突概率来达到最大吞吐量时，我们得到了资源公平分配时网络收益的闭环表达式。 对 CDMA/WLAN 异构重叠网络根据负载状况不同提出了不同的接入控制机制及负载均衡策略。仿真结果表明，提出的资源分配算法在单一网络环境下相对传统算法能够多接纳约 20%的用户数，同时给用户终端提供信号质量保证；而在异构网络环境下，我们提出的基于经济模型的网络选择及负载均衡算法比 UFAS机制能获得 10%的额外网络收益，相对于单网络接入机制，社会福利的增益更大。 最后，对全文工作进行了简要的总结，并对下一步研究计划进行了梳理，提出了新的研
8、究思路。 关键词：无线资源管理，正交频分复用，异构网络，认知无线网，负载均衡，呼叫接纳控制 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract Cellular, WLAN, WiMAX are given increasing attentation as the main candidates of broadband technologies to access the Internet. All of these wireless networks have an interactive relationship of
9、 not only competition but cooperation as useful supplementary to the others for their advantages and disadvantages. In order to provide more voice, data, multimedia services with bettet QoS guarantees and lower price, the next generation wireless networks need to support the convergence of heterogen
10、eous networks, adopt orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) as one of the key techniques, have the capability of reconfiguration for cognitive radio, and support distributed network architecture, ad hoc network, multihop relaying, etc. In this dissertation, we research the radio resource
11、management and load balancing strategy of next generation wireless networks. Firstly, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique, as the key technique of next generation network, is researched. Because subcarrier and power allocation algorithms based on the channel status inform
12、ation (CSI) feedback have high complexity and great overhead of control channel, and the channel independent scheduling algorithms in OFDM system have poor performance, a novel wireless resources allocation algorithm is proposed based on statistical tap correlation information, in which the channel
13、status statistical information is utilized so as to reduce the channel feedback. The proposed algorithm is converted into discrete method to achieve a lower algorithm complexity. And in multiuser orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system, from the viewpoint of service differentiat
14、ion, we develop an adaptive cross-layer scheduling scheme combined with dynamic subcarrier allocation algorithm according to instantaneous traffic load condition. The algorithm is designed to grant higher priority to realtime traffic packet of voice and multimedia than data packet, and dynamically a
15、llocate subcarriers for data service according to the packet number of each user in the buffer queue with fairness guarantee. Simulation results show that the proposed algorithm has very little reduction in overall system capacity, but much lower complexity and small channel feedback comparing to th
16、e traditional scheduling algorithm based on CSI, and it outperforms greatly channel independent scheduling algorithm based on pathloss in fast Rayleigh fading channel under any conditions. Moreover, our proposed adaptive cross-layer scheduling and dynamic subcarrier allocation algorithm improves 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV delay performance for realtime traffic and spectrum efficiency in OFDMA system. In OFDM-based multi-hop cognitive radio networks, the color-sensitive
