（通信与信息系统专业论文）异构网络中的协作与协调增强机制研究.pdf

l u l ilu1 1 1 1 1 1i i i i i ii i i i i i y 2 12 5 9 8 1 u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o r , d o c t o r sd e g r e e r e s e a r c ho nc o o p e r a t i v ea n d c o o r d i n a t e de n h a n c e m e n t m e c h a ni s minh e t e r o g e n e o u s ne t w o r k s a u t h o r sn a m e ： z h e n g u od u s p e c i a l i t y ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s u p e r v i s o r ：p r o f p e i l i nh o n g f i n i s h e dt i m e ： a p r i l ，2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：攀 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子：艾档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 么开口保密( 年) 作者毖走亟因 签字日期：塑三：生 导师签名： 签字日期：乏! 盟：z ， 一一 摘要 摘要 随着移动互联网逐渐成为未来网络发展的趋势，移动通信网络由于其广泛部 署性而成为移动终端接入互联网的首选。移动设各逐取代桌面p c 成为用户终端， 这意味着原来通过有线方式进入互联网的流量将转移到无线通信系统中来，移动 通信系统的接入承载能力将面临严峻挑战。另一方面，有统计表明，未来 8 0 - 9 0 的系统吞吐量将发生在室内和热点游牧场景，室内、低速、热点将可 能成为移动互联网时代更重要的应用场景。，基于此，下一代移动通信系统引入了 各种低功率节点，用于对上述场景进行增强。这种新的网络架构称为异构网络。 与网络架构的演进相适应，传统网络协议和处理机制不再适用于异构网络， 因此需要进行改进和增强，以适应异构网络的特殊场景。而对于异构网络的处理， 一种重要的手段是协作与协调机制的应用，一方面，异构网络中涉及宏蜂窝和低 功率节点两种网络设备，前者可规划部署且具有最大的开放性，后者部署位置随 意性较强且开放性可变，两者在共信道部署情况下将产生严重的干扰。此时，节 点之间通过交互信息协调工作是消除干扰的有效手段。另一方面，低功率节点的 引入为协作通信技术的应用提供了架构基础。异构网络导致网络节点密集分布， 这使得节点间协作成为可能；r e l a y 节点的引入则为移动用户与中继的协作提供 了便利。总之，协调与协作机制对于异构网络具有重要意义，是增强其性能的重 要途径。 本文中对异构网络协作与协调机制的研究包括干扰协调处理和协作功率分 配两方面内容。首先，严重的网络节点间：干扰是异构网络面临的主要挑战之一。 我们从时域和频域两个方面研究了协调机制在干扰协调中的应用。在此过程中， 我们提出了一种适用于异构网络的热点引：力移动模型，用于异构网络性能仿真。 其次，协作和协调机制在实际实现中面临的一个重要困难是协作信息交互导致的 信令开销。我们以协作功率分配场景为例研究了这一问题。本文将上述研究内容 细分为四个研究点，主要贡献和创新点如下： 1 ) 提出了一种基于统一场论的热点移动模型框架，并为异构网络设计了一 种具体实现：热点引力模型 异构网络是针对用户和流量呈现聚集特性的室内、热点、覆盖空洞等特殊场 景提出的解决方案，其移动模型与传统移动模型呈现不同特性。而从现实世界来 看，人们的日常活动往往局限在有限的若干个场所之间，即人们在大的时空尺度 上的运动呈现出一种规律性的聚集特性，或者说人的日常运动是由一系列热点构 成的。因此，规律性的热点运动是比传统均匀随机运动更加普遍存在的情况，这 摘要 种场景下的移动模型需要进行研究。我们根据现实世界中人的运动行为与统一场 作用下粒子运动行为的相似性，提出了种基于统一场论的热点移动建模框架， 即将人的移动看作某种场作用的结果。基于这一理论，我们将场具现为引力场， 设计了种热点引力移动模型。仿真证明，热点引力移动模型更加符合现实世界 人们日常生活中的移动特性，适合于异构网络仿真和性能评估。 2 ) 针对宏蜂窝和家庭基站共存且共信道部署的场景，提出了一种通用时域 干扰协调方案 时域干扰协调是异构网络中的一种典型的资源分割干扰协调方法，其特征在 于减少干扰源的传输时间，从而提升被干扰节点的性能，是一种单参数控制的方 法。我们将其改为双参数控制，称为通用时域干扰协调。理论分析证明，我们的 方案较之传统方案在可达容量界、吞吐量、实现和灵活性方面均具有明显优势， 系统仿真结果同样证明我们的方案具有更优的性能。 3 ) 针对宏蜂窝和家庭基站共存且共信道部署的场景，提出了一种时频域混 合的干扰协调方案，并设计了相应的资源分配算法 频域干扰协调是异构网络中另一种典型的资源分割干扰协调方法，其基本思 想是将相互干扰的两个节点中的一个调整到一个不干扰的频带上，从而避免干 扰。通过分析时域和频域两种干扰协调方法的优缺点，我们发现两者存在一定互 补关系。基于此，我们将这两种方法混合使用，提出一种混合域干扰协调方案。 该方案的核心在于资源分配，因此我们设计了一种两轮循环的资源分配算法。仿 真证明，相比较于时域和频域干扰协调两种方案各自本身，我们的方法在吞吐量 和满足速率需求的用户数方面均具有明显提升。 4 ) 针对能量受限的a f 协作中继场景，提出了一种功率分配方法，能够使得 其分配结果在用户移动情况下尽可能长的时间里保持有效 协作与协调技术从理论走向实践过程中面临的困难之一是节点间信息交互 导致的过高的信令开销问题。我们以功率受限的a f 协作中继场景为例，研究如 何在用户和中继之间分配功率，以使得该分配结果在用户移动情况下保持最长的 有效时间。由于问题的复杂性，我们仅得到了一个次优解。但通过数值仿真可以 证明，该次优解与理论最优解之间仅存在极小的误差。因此，该次优解可看作准 最优解。 创新点1 ) 为后续研究内容的一悼1 2 t - 台f i 匕匕评估和仿真提供了依据；创新点2 ) 和3 ) 研 究异构网络的主要挑战即干扰协调问题，其仿真部分使用了创新点1 ) 提出的热点 移动模型；创新点4 ) 研究协作与协调技术中普遍存在的问题，虽然只是以一种特 殊场景为例进行分析，但其研究方法对于其它场景( 如创新点2 ) e a 的时域参数选 择) 同样具有借鉴意义。 i i 摘要 关键词：下一代移动通信系统，异构网络，协作通信，干扰协调，移动模型，功 率分配 i i l i v a b s t r a c t a b s t r a c t a sm o b i l ei n t e r n e tb e c o m e st h et r e n do ft h ef u t u r e i n t e m e t ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa r ec o n s i d e r e dt h e1 i r s tc h o i c ef o rm o b i l et e r m i n a lt oa c c e s s t h ei n t e r n e td u et oi t sw i d e s p r e a dd e p l o y m e n ta sw e l la sp cw i l lb er e p l a c e dw i t ht h e m o b i l ee q u i p m e n tt op l a yt h er o l eo fu s e rt e r m i n a l t h i ss u g g e s t st h a tt h o s et r a f f i c s a c c e s s i n gt h ei n t e m e tv i aw i r e dl i n k sw i l lb et r a n s f e r r e dt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hp o s e sc h a l l e n g e st ot h ea c ce s sc a p a c i t yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m m e a n w h i l e ，s t a t i s t i c ss h o wt h a t8 0 一9 0 o ft h es y s t e m t h r o u g h p u t o r i g i n a t e si n d o o r sa n di nt h eh o t s p o tn o m a d ics c e n a r i o si nt h ef u t u r e ，w h i c hi m p l i e s t h a tt h ei n d o o r , l o w - m o b i l i t ya n dh o t s p o tc o m m u n i c a t i o n sa r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nt h em o b i l ei n t e r n e te r a i no r d e rt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h e s es c e n a r i o s ，s o m el o wp o w e rn o d e sa r ei n t r o d u c e do nt h eb a s i so ft r a n d i t i o n a i m a c r o c e ui nn e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c a l l e d h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ( h e t n e t s ) c o r r e s p o n d i n gt ot h ee v o l u t i o no fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h en e t w o r kp r o t o c 0 1 s a n dh a n d l i n gm e c h a n i s mi nt r a d i t i o n a ln e t w o r k ss h o u l db em o d i f i e da n de n h a n c e dt o f i tf o rt h eh e t n e t s c o o p e r a t i v ea n dc o o r d i n a t e dc o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te n h a n c i n gt e c h n o l o g i e si nh e t n e t s o no n eh a n d ，i ti n c l u d e sm a c r o c e l la n d l o wp o w e rn o d ei nh e t n e t s t h ef o r m e ri sd e p l o y e d s y s t e m a t i c a l l ya n dw o r k si no p e n m o d e l ，t h el a t t e rm a yb ed e p l o y e db yu s e r st h e m s e l v e sa n dc o u l dw o r ki nc l o s eo r o p e no rh y b r i dm o d e l s e v e r ei n t e r f e r e n c ew i l lt a k ep l a c ew h e nm a c r o c e l la n dl o w p o 、e rn o d eo p e r a t ei nc 0 一c h a n n e ld e p l o y m e n t i nt h i sc a s e ，c o o r d i n a t e do p e r a t i o nv i a m e s s a g ee x c h a n g eb e t w e e nn o d e si sa ne f f e c t i v em e a n so fm i t i g a t i n gi n t e r f e r e n c e 0 n t h eo t h e rh a n d ，t h ei n t r o d u c t i o no fl o wp o w e rn o d e sp r o v i d e st h ea r c h i t e c t u r a lb a s i s f o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t h en o d e s a r ed i s t r i b u t e d d e n s e l yi nh e t n e t s ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oc o o p e r a t ea m o n gm u l t i p l en o d e s i n p a r t i c u l a r , t h ee m e r g e n c eo fr e l a yn o d e ：i nh e t n e t sp r o m o t e st h e p r o c e s so f i m p l e m e n t a t i o no fr e l a yc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i ns u m m a r y , c o o p e r a t i v ea n d c o o r d i n a t e dm e c h a n i s mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rh e t n e t sb e c a u s e i tc a n e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fh e t n e t se f f e c t i v e l y i nt h i s p a p e r , w es t u d yo nh o wt h ec o o p e r a t i v ea n dc o o r d i n a t e dm e c h a n i s m i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fh e t n e t s ，i n c l u d i n gi n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o na n d p o w e r v 垒! ! 堡! 壁 a l l o c a t i o n tf i r s t ，s e v e r ei n t e r f e r e n c ei so n eo ft h em a i nc h a l l e n g e si nh e t n e t s i nt h i s p a p e r , w ew i l ls t u d yt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o ni nh e t n e t s i nt h ep r o c e s s ，w ed e s i g nah o t s p o tg r a v i t a t i o nm o b i l i t ym o d e lf o rt h ee v a l u a t i o na n d s i m u l a t i o no fh e t n e t s s e c o n d l y , o n ed i f f i c u l t yi nt h ep r o c e s so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fc o o p e r a t i v ea n dc o o r d i n a t e dm e c h a n i s mi sh o wt or e d u c et h es i g n a l i n go v e r h e a d c a u s e db ym e s s a g ee x c h a n g e t h i sp r o b l e mw i l lb es t u d i e di nt h i sp a p e rt a k i n gt h e s c e n eo fr e l a yp o w e ra l l o c a t i o na st h ei n s t a n c e t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n d i n n o v a t i o n sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) p r o p o s e sau n i f o r mf i e l dt h e o r yb a s e df r a m e w o r kf o rh o t s p o tm o b i l i t y m o d e l i n ga n dd e s i g n sac o n c r e t er e a l i z a t i o nf o rh e t n e t s ，c a l l e dh o t s p o tg r a v i t a t i o n m o b i l i t ym o d e l h e t n e t sa r ed e s i g n e df o rt h es p e c i a ls c e n e si n c l u d i n gi n d o o r , h o t s p o ta n d c o v e r a g eh o l e s ，w h e r et h ed i s t r i b u t i o no fu s e r sa n dt r a f f i ci sh e t e r o g e n e o u s a sa m a t t e ro ff a c t ，p e o p l e sd a i l ym o v e m e n t sa r eu s u a l l yl i m i t e da m o n gs o m ep l a c e s ， w h i c hs u g g e s tt h a th u m a nt r a c e se x h i b i tah i g hd e g r e eo fr e g u l a r i t ya n da g g r e g a t i o ni n l a r g et e m p o r a la n ds p a t i a ls c a l e i no t h e rw o r d ，o n e sd a i l ym o v e m e n ti sc o m p r i s e d o fv a r i o u sh o t s p o t s s o ，h o t s p o t sa r et h em o r eg e n e r a ls c e n e st h a nt h es c e n a r i o so f u n i f o r md i s t r i b u t i o ni nr e a l i s t i cw o r l da n dm o b i l i t ym o d e l sf o rh o t s p o ts c e n a r i o sn e e d t ob ef u r t h e rs t u d i e d i n s p i r e db yt h es i m i l a r i t yb e t w e e nm a n sb e h a v i o ri nr e a l i s t i c w o r l da n dt h ep a r t i c l e sm o t i o nu n d e rt h ea c t i o no ff i e l di np h y s i c s ，w ep r o p o s ea n o v e lf r a m e w o r kb a s e do nu n i f i e df i e l dt h e o r yf o rh o t s p o tm o b i l i t ym o d e l i n gi nt h i s p a p e r , i nw h i c hp e o p l e sm o v e m e n t sc a nb et a k e na st h er e s u l t so fa c t i o no f c e r t a i n f i e l d c o n s i d e r i n gt h ef i e l d a s g r a v i t a t i o nf i e l d ，a c o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h i s f r a m e w o r k ，c a l l e dh o t s p o tg r a v i t a t i o nm o b i l i t ym o d e l ( h g m m ) ，i sd e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a j e c t o r yp r o d u c e db yh g m mc o u l d m o r e a c c u r a t e l ya c c o r dw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n st h a tw eo b s e r v ei n r e a lw o r l d h g m mi s s u i t a b l ef o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n ds i m u l a t i o no fh e t n e t s 2 ) p r o p o s e sas c h e m eo fg e n e r a lt i m ed o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o nf o rt h e s c e n a r i oo fm a c r o - f e m t oc o c h a n n e ld e p l o y m e n t t i m ed o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ( t d i c ) i s a t y p i c a l i n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o ns c h e m eb a s e do nr e s o u r c ep a r t i t i o n ，i nw h i c ht h et r a n s m i s s i o nd u r a t i o n o fi n t e r f e r i n gs o u r c ei sr e d u c e di no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi n t e r f e r e d n o d e w ed e s i g nad u a l - p a r a m e t e rc o n t r o l l e ds c h e m eb a s e do ns i n g l e p a r a m e t e r c o n t r o l l e dt d i c ，c a l l e dg e n e r a lt i m e d o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n t h e v i a d v a n t a g eo ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sd e m o n s t r a t e do na c h i e v a b l eo p e r a t i o nr e g x o n ， t h r o u g h p u t ，i m p l e m e n t a t i o n a n df l e x i b i l i t yv i at h e o r ya n a l y s i s a l s o ，s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ep e r f o r m sb e t t e r 3 ) p r o p o s e sah y b r i da p p r o a c ho ft i r a e a n df r e q u e n c yd o m a i ni n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o ni nm a c r o f e m t oc o c h a n n e ld e p l o y m e n t ，a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n g r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m f r e q u e n c yd o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ( f d i c ) i sa n o t h e rt y p i c a lr e s o u r c e d a l t i t i o nb a s e di n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o ns c h e m e ，i nw h i c ho n eo ft h ei n t e r f e r i n g n o d e si st r a n s f e r r e dt oa n o t h e rf r e es p e c t r a lb a n dt oa v o i di n t e r f e r e n c e a n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt h ed r a w b a c k sa n dm e r i t so ff d i ca n dt d i c ，w ec o u l df i n dt h e c o m p l e m e n t a r yr e l a t i o n s h i po ft h e s et w om e t h o d s t h e r e f o r e ，w ep r o p o s e ah y b r i d d o m a i ni n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ( h d i c ) s c h e m eb yc o m b i n i n gf d i ca n dt d i c t h ek e yo ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sr e s o u r c ea l l o c a t i o n t h u s ，at w o r o u n da l g o r i t h m o fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni sd e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a th d i cp e r f o r m s b e t t e rt h a nt d i ca n df d i c0 nt h es y s t e mc a p a c i t ya n dt h en u m b e ro fu s e r st h a t s a t i s f yt h e i rd a t a t a t ed e m a n d 4 ) p r o p o s e s ap o w e ra l l o c a t i o nm e t h o di na m p l i f y a n d - f o r w a r dr e l a ys y s t e mw i t h e n e r g yc o n s t r a i n t ，i nw h i c ht h er e s u l t so fp o w e ra l l o c a t i o nc o u l dk e e pa v a i l a b l e a s l o n ga sp o s s i b l ew h e n t h es o u r c en o d em o v e s o nt h e p a t h f r o m t h e o r y t o p r a c t i c eo fc o o p e r a t i v ea n dc o o r d i n a t e d c o m m u n i c a t i o n , o n eo ft h ec h a l l e n g e si sh o wt or e d u c et h es i g n a l i n go v e r h e a dc a u s e d b yi n f o r m a t i o ne x c h a n g et od e c i d et h ep a r a m e t e r s w ew i l lt a k et h ea fr e l a ys c e n e w i t hp o w e rc o n s t r a i n ta se x a m p l ea n ds t u d ) t h ep o w e ra l l o c a t i o np r o b l e mb e t w e e n s o u r c ea n dr e l a yt om a x i m i z et h e1 i f e t i m eo j ja l l o c a t e dr e s u l t sw h e nt h es o u r c en o d e m o v e s h o w e v e r , i ti st o oc o m p l e xa n dd i m c u l tt oa c h i e v et h eo p t i m a ls o l u t i o n t h e r e f o r e as u b o p t i m a ls o l u t i o ni sp r o p o s e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e r eo n l ye x i s t se x t r e m e l ys m a l le r r o rb e t w e e ns u b o p t i m a la n do p t i m a ls o l u t i o n s s o ， i tc o u l db et a k e na saq u a s i o p t i m a ls o l u t i o no f t h ep r o b l e m i n n o v a t i o n1 、p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n d s i m u l a t i o no f s u b s e q u e n tr e s e a r c h i n n o v a t i o n2 ) a n d3 ) s t u d yo nt h em a i nc h a l l e n g ei nh e t n e t ， n a m e l yi n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ，i nt h es i m u l a t i o no fw h i c ht h eh o t s p o tm o b i l i t y m o d e lp r o p o s e di ni n n o v a t i o n1 ) i sa p p l i e d i ni n n o v a t i o n4 ) ，w et r yt od e a lw i t ht h e u n i v e r s a lp r o b l e mi nc o o p e r a t i v ea n dc o o r d in a t e dc o m m u n i c a t i o n a l t h o u g ho n l ya s p e c i a ls c e n a r i oi ss e l e c t e da st h ee x a m p l et os t u d yo n ，t h er e s e a r c ha p p r o a c hi sa l s o v i i 垒竖堕! ! ! 一一一 s u i t a b l ef o ro t h e rs c e n a r i o s ，s u c ha st h et i m ep a r a m e t e rs e l e c t i o ni ni n n o v a i o n2 ) k e yw o r d s ：n e x t g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ，m o b i l i t ym o d e l ， p o w e ra l l o c a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t v 目录i x 插图索引x i 表格索引x i i i 缩略词表x v 第1 章绪论l 1 1引言l 1 23 g p pl t e a d v a n c e d 简介2 i 2 1l t e a d v a n c e d 的技术需求3 1 2 2l t e a d v a n c e d 关键技术3 1 3 l t e a d v a n c e d 中的异构网络架构5 l - 3 1l t e a d v a n c e d 异构网络简介一5 1 3 2l t e a d v a n c e d 异构网络面临的主要挑战一7 1 3 3 协作与协调机制对于异构网络性能增强的意义8 1 4论文结构及主要创新点一9 第2 章协作协调机制及其在移动通信系统中的应用1 3 2 1 协作与协调机制概述1 3 2 2协作通信的基本方式1 4 2 3 协作与协调机制在移动通信系统中的应用1 6 2 3 1中继技术一1 6 2 3 2 协