宽带移动通信系统资源调度和干扰管理的研究

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未来的宽带移动通信系统将是由不同的接入制式、多样的网络部署方法以及混合异构网络的形式共同组成的,它能够为用户提供更高速便捷的服务。相对于现在的移动通信标准,它将是宽带无线接入技术和宽带移动通信技术的融合。对于这样复杂的通信系统和网络场景,传统移动通信系统的设计方法和管理手段可能不再适用。更为高效的无线资源管理机制引起了更多学者和工业界的关注。其中对于多种系统混合异构网络中的资源分配以及蜂窝系统内部和系统之间的干扰抑制和干扰管理是大家关注的焦点之一。本论文以围绕传统无线资源管理方法中的资源调度机制和干扰管理两个方向为主线,展开研究进行论述。文章结合不同的多址接入方法、网络载波部署手段、混合异构网络以及不同制式系统间等多种场景,对资源调度和干扰管理进行算法研究、理论分析和系统级仿真。从单一制式系统下的小区内资源分配(针对CDMA系统,对调度算法、功率控制算法和干扰删除技术的研究),到小区间的干扰管理和资源调度(针对OFDMA系统,对下行频率复用、上行功率控制和资源调度设计的研究);接着考虑多载波聚合系统的调度算法(对联合多载波系统下调度算法的研究);然后再从单一系统升级到考虑有家庭基站情况下的混合异构网络的干扰管理算法(对功率控制算法、干扰协调算法和动态频率复用的研究);最后对不同制式的移动通信系统间的干扰进行了分析。本论文的主要内容、结论和贡献如下:(1)针对无线通信系统蜂窝网络中CDMA系统小区内的无线资源调度机制和干扰管理手段进行研究和分析。提出了一种在CDMA系统前向链路基于时延敏感业务的新型调度算法,该算法无论在系统丢帧率、控制业务队列时延或扇区吞吐量、公平性方面,都有很好的性能表现;针对CDMA系统反向链路对集中式调度和分布式速率控制进行了比较和研究,重点研究了一种分布式速率控制算法,并从系统稳定性、扇区吞吐量、公平性和时延方面进行了分析,并与集中式调度进行对比;提出了一种在CDMA系统级中反向链路应用干扰删除技术的方案,重点研究了基于RoT和Load不同控制方法下采用干扰删除技术后的系统性能。推导出了应用完全/不完全干扰删除技术在CDMA系统级的理论容量。(2)针对无线通信系统蜂窝网络中,OFDMA系统小区间的干扰管理机制进行研究和分析,包括下行频率复用技术和上行功率控制算法。对于下行频率复用,介绍了软频率复用和部分频率复用方案及两种方案的特点。对于上行功率控制技术,介绍了LTE系统中已经采用的上行功率控制算法。以一个普通的OFDMA系统为例,从上行基本开环功率控制技术到基于部分路损补偿和路损差补偿等技术进行研究。接着给出了基于小区间干扰指示(IoT)的功率控制方案。通过系统级仿真,比较了这几种算法的性能并进行分析。此外对OFDMA系统上行开环功率控制的收敛条件进行了理论分析和讨论。这部分还对OFDMA系统下如何联合系统调度策略和小区间干扰管理进行系统设计给出自己的观点。在OFDMA系统中需要考虑对快速调度和慢速上行功率控制联合设计的思路。(3)研究了在多载波聚合系统下的两种调度算法,对两种调度算法在动态业务模型下进行了性能分析和评估。研究结果显示联合多载波调度算法相对于独立载波调度算法在支持部分负载(Partial Load)情况下队列时延更小,用户体验更好。(4)研究了宏蜂窝和家庭基站混合异构网络下的干扰管理算法。这部分首先详细介绍了家庭基站混合网络的不同干扰场景的干扰路径和干扰模型,并给出了两种典型的家庭基站部署模型,即Suburban部署模型和密集家庭基站Dual Stripe部署模型。基于不同干扰场景,提出了三个针对不同优化方向的家庭基站混合网络下的干扰管理算法。第一个算法是针对家庭基站混合网络的家庭基站下行功率控制算法。该算法降低了家庭基站对宏蜂窝用户的干扰。在保证家庭基站用户的性能损失不大的前提下,提高了宏蜂窝边缘用户的性能。第二个算法是针对家庭基站混合网络的联合动态资源分配算法。该算法的特点在于通过宏蜂窝网络和家庭基站之间的联合动态频率划分,能够联合考虑两层网络(宏蜂窝网络和家庭基站网络)的吞吐量,使整体性能得到优化。第三个算法是针对密集家庭基站场景下的干扰协调频率复用算法。该算法基于干扰图原理建模,分集中式干扰协调和分布式频率复用两个子算法。该算法能够同时提高家庭基站平均吞吐量以及边缘用户的吞吐量。(5)研究和分析3G/B3G移动通信系统邻频共存系统间干扰。研究以2500-2690MHz这一国内未分配的3G扩展频段为主要对象,给出了三套不同移动通信系统间的共存干扰分析过程和结果。这三个场景分别是WiMAX和WCDMA系统间共存干扰分析、LTE和WCDMA系统间共存干扰分析、以及两个LTE系统间的共存干扰分析。针对这三套场景,分别给出了详细的系统模型假设和分析过程,并对多种系统网络参数组合和不同关键技术下得到的结果进行干扰分析。最后分别对这些场景给出量化的共存指标和网络部署上的建议。该章的部分结果已被中国通信标准协会(CCSA)接受做为中国2.6GHz频段分配的重要参考依据。
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