文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
OFDMA中继系统的无线资源管理策略研究
姓名:刘畅
申请学位级别:博士
专业:通信与信息系统
指导教师:周武旸
2011-04-19
摘要
摘要
未来无线通信系统存在两对主要矛盾:增长的业务需求与紧张的无线资源
间的矛盾以及无处不在的覆盖需求与复杂的无线环境间的矛盾。由于 OFDMA
技术具有高频谱效率并能抗多径干扰,中继技术能够扩大覆盖范围并提高链路
可靠性,是缓解上述矛盾的有效手段。因此,OFDMA 和中继技术已经作为下
一代无线通信网络的核心技术,被写入了 IEEE 和 3GPP LTE-Advanced
等标准化协议中。
本文针对 OFDMA 中继系统关键问题之一的无线资源管理问题开展研究。
首先对无线资源管理对于未来 OFDMA 中继系统的重要性进行了论述,之后分
析了 OFDMA 中继网络相对于传统无中继网络在资源管理方面的差异性,以此
作为论文研究的出发点。通过对问题的分析及对已有工作的总结,本文凝练出
OFDMA 中继系统无线资源管理方面目前仍待解决的四个方面问题,针对上述
问题提供创新性的解决方案构成了本文的主体内容。
针对对用户公平性考虑较少且不够完备的问题,本文提出了保证用户比例
公平性的资源管理策略。通过对问题进行建模,将比例公平目标下的中继选择、
子载波分配以及功率分配问题在数学上抽象为联合优化问题。为进行有效求解,
先对整数待优化变量进行连续性放松,并证明了放松后问题的对偶差额为零。
之后采用对偶分解的方法,将优化问题分解为主问题和子问题分别求解,针对
子问题采用 KKT 条件求解,对主问题采用次梯度方法进行迭代求解。最终可以
得到原问题的近似最优解,并由此得到保证比例公平性的资源管理策略。
针对保障多业务的用户满意度问题,本文提出了区分业务的资源管理策略。
用户对不同类业务具有不同的满意度特性,采用效用函数来刻画用户满意度,
并考察实际系统中具有代表性的两类业务:会话类业务和背景类业务。资源管
理的目标为保证会话类业务用户效用函数值为 1 时最大化背景类业务用户的总
效用。利用凸优化理论,采用拉格朗日对偶方法可以获得优化问题的近似最优
解。为降低复杂度,本文根据最优求解得到的结论进一步提出了低复杂度的启
发式资源管理算法。
针对保证队列稳定性的问题,本文提出了联合队列和信道信息的资源管理
策略。已有研究一般假设队列一直有数据发送,但实际系统中用户业务的到达
具有随机性,保证队列的稳定对于系统性能具有重要意义。由此,资源管理的
目标是最大化系统吞吐量的同时保证用户队列的稳定。不同于已有研究的是,
进行资源分配的目标函数不仅是信道状态的函数,还是用户队列状态的函数。
I
将上述目标下的子载波配对、载波对在链路的分配及功率分配问题进行联合建
模,之后在对偶域求解功率及载波对分配问题,并采用匈牙利法求解子载波配
对问题。通过分步求解-迭代更新的方法可以使问题收敛到近似最优解。
针对弹性业务的速率控制问题,本文提出了跨层资源管理策略。当网络中
存在速率可控的弹性业务时,根据网络的资源状况自适应地调整业务速率可以
提高系统性能。然而,如何将速率控制与资源分配相结合是具有挑战性的问题。
由此,本文采用跨层思想,对应用层、MAC 层和物理层进行联合优化,目标为
最大化系统中弹性业务流的效用和。采用分解理论,将原问题分解为应用层的
速率控制子问题和 MAC/物理层的资源分配子问题分别求解,二者间通过“价
格因子”相互关联。采用两层迭代的方法可以使原问题最终收敛到近似最优解。
关键词:正交频分多址接入(OFDMA) 中继网络无线资源管理凸优化分
解理论联合优化比例公平多业务队列信息跨层
II
Abstract
ABSTRACT
In future wireless systems, there exist two main contradictions, one is the
contradiction between the increasing traffic requirements and the limited radio
resources, and the other is the contradiction between the requirement of access
everywhere and plicated wireless environments. Orthogonal Frequency
Division Multiple Access (OFDMA)