異構網絡融合環(huán)境下多用戶調度算法的研究.pdf

1、隨著無線通信技術的高速發(fā)展，無線移動用戶數目急劇增長，它們對高速數據傳輸及多種通信業(yè)務并存的需求也與日俱增，這些需求同無線資源的稀缺性構成矛盾。異構網絡融合技術被普遍認為是能夠有效緩解這一矛盾的重要手段。然而，如何在復雜多變的通信環(huán)境中通過對多網絡覆蓋下的用戶進行合理的調度，從而實現用戶間干擾的抑制與消除、支持盡量多的用戶通信、保證多種業(yè)務應用的服務質量（Quality of Service，QoS）等，仍是未來無線通信領域的一個亟待解

2、決的重點問題。本學位論文深入研究異構網絡融合場景下多用戶調度算法，主要包括:多用戶多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)下行通信調度算法、蜂窩網絡下設備到設備(Device toDevice，D2D)通信接入控制和調度算法、頻譜共享多跳網絡速率控制和調度算法等。
　　論文的主要成果如下:
　　1.建立了異構網絡融合場景下多用戶調度的總體模型，包括系統(tǒng)模型、信源模型、隊列動力學模

3、型和時延-QoS需求模型，從而給出了時延約束下多用戶調度的一般優(yōu)化問題。該優(yōu)化問題以系統(tǒng)長時平均吞吐量最大化為目標，約束于各用戶最大允許長時平均時延限制，是一個隨機優(yōu)化問題。介紹了求解該隨機優(yōu)化問題的兩種常用方法，即基于大偏差理論和基于Lyapunov優(yōu)化理論的方法，并闡釋了這兩種方法在算法性能、計算復雜度以及實現手段方面的優(yōu)缺點。結合所述長時平均時延約束下的長時平均吞吐量最大化問題，分別求解了基于這兩種方法的一般解形式，并給出了相應的

4、設計實現方法。
　　2.針對多用戶MIMO下行通信系統(tǒng)，提出了一種時延約束下的低復雜度多用戶調度算法。該算法采用大偏差理論中的有效帶寬和有效容量的概念，從統(tǒng)計意義上來描述隨機業(yè)務流的到達過程和服務過程。根據大偏差理論，各用戶的最大允許長時平均時延約束可以被轉化等價的瞬時最小數據傳輸速率約束，所得等價速率約束下的加權和速率最大化(Weighted Sum Rate Maximization，WSRMax)問題只與系統(tǒng)各時隙的信道狀態(tài)

5、信息相關。為進一步降低計算復雜度，給出了一種基于遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)的低復雜度多用戶調度實現方法。理論分析和仿真結果表明，基于GA的多用戶調度算法可以在獲得較好近似解的前提下，大大降低求解的計算復雜度。
　　3.針對蜂窩網絡下D2D通信系統(tǒng)，研究了時延約束下的接入控制和調度問題，以期提高系統(tǒng)吞吐量效用函數值、保證算法時變環(huán)境的魯棒性、滿足各業(yè)務流的時延-QoS需求。為進一步提升系統(tǒng)的多用戶分集增益，

6、引入動態(tài)網絡接入，即各數據源可以在各調度時隙動態(tài)地選擇接入蜂窩網或D2D網絡。在分析了長時平均時延約束與所需優(yōu)化調度參數內在聯系的基礎上，給出它們之間的對偶關系，并提出了基于大偏差理論和基于Lyapunov優(yōu)化理論的兩種動態(tài)網絡接入選擇、信道-功率分配算法。從所提算法可以看出，無論是使用大偏差理論還是Lyapunov優(yōu)化理論，所述時延約束下的多用戶調度問題均可等價地轉化為最小數據傳輸速率約束下的WSRMax問題。仿真結果表明，Lyapu

7、nov優(yōu)化理論下控制參數V取值的選擇需要在不同系統(tǒng)性能指標之間折衷;此外，基于大偏差理論的算法在數據包平均到達率較低時有著較好的性能，而隨著數據包平均到達率的增加，基于Lyapunov優(yōu)化理論的算法的性能惡化則較為平緩。
　　4.針對頻譜共享多跳無線網絡，研究了以最大化系統(tǒng)的吞吐量效用函數值為目標的速率控制和調度全局優(yōu)化問題。為方便該調度問題的描述，引入基于梯度的調度法則求解各時隙的最優(yōu)流速率、分配帶寬和功率。由于該聯合速率控制和

8、調度問題的非凸性，使用凸優(yōu)化理論求解該問題并不能保證獲得問題的全局最優(yōu)解。然而，考察優(yōu)化問題的單調性并利用單調性優(yōu)化方法，卻可以繞開問題的非凸性，從而有效地求解全局最優(yōu)解。本章在此基礎上展示如何將優(yōu)化問題轉化成單調性優(yōu)化的標準形式的基礎上，利用一種新的基于單調性的分支定界法，提出一種全局最優(yōu)速率控制和調度(Global Optimal Rate Control and Scheduling，G-RCS)算法，從而可以有效地求解其全局最優(yōu)