新型无线网络的资源管理与负载均衡策略研究

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I摘要无线蜂窝网、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、adhoc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昀大化问题，目标函数是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昀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昀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昀小路由带宽。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II重大量阻塞，而相邻轻负载小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adhoc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adhoc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昀小价格转移策略或昀轻负载基站及昀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函数为网络社会福利昀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昀大吞吐量时，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。昀后，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IIIAbstractCellular,WLAN,WiMAXaregivenincreasingattentationasthemaincandidatesofbroadbandtechnologiestoaccesstheInternet.Allofthesewirelessnetworkshaveaninteractiverelationshipofnotonlycompetitionbutcooperationasusefulsupplementarytotheothersfortheiradvantagesanddisadvantages.Inordertoprovidemorevoice,data,multimediaserviceswithbettetQoSguaranteesandlowerprice,thenextgenerationwirelessnetworksneedtosupporttheconvergenceofheterogeneousnetworks,adoptorthogonalfrequency-divisionmultiplexing(OFDM)asoneofthekeytechniques,havethecapabilityofreconfigurationforcognitiveradio,andsupportdistributednetworkarchitecture,adhocnetwork,multihoprelaying,etc.Inthisdissertation,weresearchtheradioresourcemanagementandloadbalancingstrategyofnextgenerationwirelessnetworks.Firstly,theorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM)technique,asthekeytechniqueofnextgenerationnetwork,isresearched.Becausesubcarrierandpowerallocationalgorithmsbasedonthechannelstatusinformation(CSI)feedbackhavehighcomplexityandgreatoverheadofcontrolchannel,andthechannelindependentschedulingalgorithmsinOFDMsystemhavepoorperformance,anovelwirelessresourcesallocationalgorithmisproposedbasedonstatisticaltapcorrelationinformation,inwhichthechannelstatusstatisticalinformationisutilizedsoastoreducethechannelfeedback.Theproposedalgorithmisconvertedintodiscretemethodtoachievealoweralgorithmcomplexity.Andinmultiuserorthogonalfrequencydivisionmultipleaccess(OFDMA)system,fromtheviewpointofservicedifferentiation,wedevelopanadaptivecross-layerschedulingschemecombinedwithdynamicsubcarrierallocationalgorithmaccordingtoinstantaneoustrafficloadcondition.Thealgorithmisdesignedtogranthigherprioritytorealtimetrafficpacketofvoiceandmultimediathandatapacket,anddynamicallyallocatesubcarriersfordataserviceaccordingtothepacketnumberofeachuserinthebufferqueuewithfairnessguarantee.Simulationresultsshowthattheproposedalgorithmhasverylittlereductioninoverallsystemcapacity,butmuchlowercomplexityandsmallchannelfeedbackcomparingtothetraditionalschedulingalgorithmbasedonCSI,anditoutperformsgreatlychannelindependentschedulingalgorithmbasedonpathlossinfastRayleighfadingchannelunderanyconditions.Moreover,ourproposedadaptivecross-layerschedulinganddynamicsubcarrierallocationalgorithmimproves华中科技大学博士学位论文IVdelayperformanceforrealtimetrafficandspectrumefficiencyinOFDMAsystem.InOFDM-basedmulti-hopcognitiveradionetworks,thecolor-sensitivegraphcoloring(CSGC)modelisviewedasanefficientsolutiontothespectrumassignmentproblem.Weextendthemodelbytakingintoaccountthepowercontrolstrategytoavoidinterferenceamongsecondaryusersandadaptdynamictopology.Weformulatetheoptimizationproblemencompassingthechannelallocation,powercontrolwiththeinterferenceconstrainedbelowatolerablelimit,theoptimizationobjectivefocusesontheroutesaccordingtotwodifferentoptimizationstrategies,butnotthelinksastraditionalapproaches.AheuristicsolutiontothisNP-hardproblemispresented,itperformsiterativelychannelallocationaccordingtothelowesttransmissionpowert