IMT-Advanced異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中資源管理策略研究

密級(jí)： 保密期限： 博士研究生學(xué)位論文 題目： IMT-Advanced異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中 資源管理策略研究 學(xué) 號(hào)： 108048 姓 名： 張海君 專 業(yè)： 通信與信息系統(tǒng) 導(dǎo) 師： 溫向明 教授 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 2013年 4月 28 日獨(dú)創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在 年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。本人簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 北京郵電大學(xué)博士論文摘要IMT-Advanced異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中資源管理策略研究摘 要近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)用戶、特別是室內(nèi)用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?，F(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)已變成移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的劇增與稀缺的無(wú)線頻譜資源之間的矛盾。為滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，特別是室內(nèi)業(yè)務(wù)需求，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署低功率接入點(diǎn)可進(jìn)一步拉近用戶與其服務(wù)基站的距離，減小信號(hào)到達(dá)用戶時(shí)的衰減，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋、減少服務(wù)盲區(qū)，并為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)分流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載，提高頻譜資源利用效率。這些低功率的接入點(diǎn)，包括家庭基站(Femtocell Base Station, FBS)、中繼站(Relay Station, RS)和微微基站(Picocell Bsae Station, PBS)等，與原有的宏基站共同構(gòu)成了IMT-Advanced (IMT-A)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Network, HetNet)。各類型低功率節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式與傳統(tǒng)單層宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，所以會(huì)帶來(lái)同頻干擾、移動(dòng)性切換失敗和物理層安全等一系列亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)以上熱點(diǎn)問(wèn)題，論文從干擾管理、資源分配、移動(dòng)性管理、物理層安全等方面，對(duì)IMT-A正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，給出相應(yīng)的優(yōu)化算法，以期提高頻譜效率和優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。本論文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1.異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理研究針對(duì)異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的干擾問(wèn)題，基于非合作博弈理論，提出了信道與功率控制的干擾管理策略。其中分布式干擾抑制策略綜合考慮信道衰落特性和層間干擾等因素，將上行功率分配與信道分配建模為非合作博弈過(guò)程，其效用函數(shù)設(shè)置為家庭基站的容量，并在此基礎(chǔ)上對(duì)由家庭用戶造成的跨層干擾進(jìn)行定價(jià)，以保護(hù)宏小區(qū)的無(wú)線傳輸鏈路?；诖朔呛献鞑┺哪Ｐ徒o出了分布式的干擾感知子信道調(diào)度與功率分配策略。本算法不但能有效降低跨層干擾，提高系統(tǒng)吞吐量，而且復(fù)雜度較低，通過(guò)分布式的方式實(shí)現(xiàn)干擾管理適合家庭基站場(chǎng)景，同時(shí)合理的定價(jià)機(jī)制能夠進(jìn)一步保障層間公平。2. 異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的資源分配研究針對(duì)現(xiàn)有異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)資源分配中極少考慮異質(zhì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的問(wèn)題，提出了支持用戶異質(zhì)QoS需求的聯(lián)合子信道與功率分配機(jī)制。首先將用戶分為時(shí)延敏感型用戶和時(shí)延容忍型用戶，在功率受限和跨層干擾受限的情況下最大化全體用戶的傳輸速率，同時(shí)保證時(shí)延敏感型用戶的最小數(shù)據(jù)速率要求，以達(dá)到改善其服務(wù)質(zhì)量的目的。并進(jìn)一步將此問(wèn)題建模為非線性混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，為了有效的求解該問(wèn)題，先通過(guò)時(shí)間共享因子將其轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問(wèn)題，采用拉格朗日對(duì)偶分解法將原問(wèn)題分解為主問(wèn)題和若干子問(wèn)題，最后通過(guò)次梯度法分布式求解，得到近最優(yōu)子信道與功率資源聯(lián)合分配算法。由于近最優(yōu)資源分配算法復(fù)雜度較高，提出一種低復(fù)雜度的子信道調(diào)度與功率分配分開進(jìn)行的次優(yōu)資源分配算法。所提近最優(yōu)與次優(yōu)資源分配算法不僅能有效抑制跨層干擾，提高雙層網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，而且能有針對(duì)性的滿足用戶異質(zhì)QoS需求。3.異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理研究針對(duì)異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中切換策略準(zhǔn)確性不足、信令開銷大、切換失敗率與不必要切換率較高的問(wèn)題，提出基于用戶特征的切換算法和基于蟻群算法的移動(dòng)魯棒性優(yōu)化策略。首先根據(jù)異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)接入方式的不同給出家庭小區(qū)與宏小區(qū)之間的切換流程，綜合考慮雙層網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不對(duì)稱、用戶移動(dòng)性特征不均勻的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低復(fù)雜度切換優(yōu)化算法；并進(jìn)一步分析了基于X2接口的異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性增強(qiáng)架構(gòu)，給出相應(yīng)的切換流程，并對(duì)其信令開銷進(jìn)行建模評(píng)估；最后提出了異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群算法的移動(dòng)魯棒性優(yōu)化策略。所提算法可以有效地降低切換引起的無(wú)線鏈路失敗率和不必要切換數(shù)目，提高異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)的切換性能。4. 異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)中的保密資源分配研究針對(duì)OFDMA雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中存在竊聽者場(chǎng)景下的物理層安全問(wèn)題，基于拉格朗日對(duì)偶法，提出子載波配對(duì)、子載波分配及功率分配的物理層安全容量最大化算法。首先在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中將聯(lián)合子載波配對(duì)、子載波分配和功率分配問(wèn)題建模為一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)拉格朗日對(duì)偶法和內(nèi)點(diǎn)法得到一個(gè)漸進(jìn)最優(yōu)解，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的資源分配算法。由于最優(yōu)解的求解過(guò)程較為復(fù)雜，為減小復(fù)雜度，提出了一種固定其中二維資源分配，優(yōu)化第三維資源分配的次優(yōu)化算法。所提算法有效地提升了異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全容量。關(guān)鍵詞：異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，家庭基站，雙層網(wǎng)絡(luò)，雙向中繼，資源分配，移動(dòng)性管理，干擾抑制，物理層安全I(xiàn)V北京郵電大學(xué)博士論文ABSTRACTVITHE RESEARCH ON RESOURCE MANAGEMENT IN IMT-ADVANCED HETEREGENEOUS WIRELESS NETWORKSABSTRACTRecently, with the development of mobile internet and cloud computing technology, users demand of data service has a trend of exponential growth, in which most of the service occurs indoor. The main challenge for cellular networks is the contradiction between the growth of the mobile data traffics and the scarcity of spectrum resources. To satisfy the users demand, especially the indoor users requirement, low power access point can be introduced to the cellular networks, which has the shorter distance with user, can enhance the coverage, reduce the coverage hole, improve the spectral efficiency and can offload the macrocells traffics. The low power access point, including the femtocell base station (FBS), relay station (RS) and picocell base station (PBS), together with the macrocell base station (MBS), forms the IMT-Advanced (IMT-A) wireless heterogeneous networks (HetNet). Due to the different networking mode and access method, the low power access point also introduces some problems, such as co-channel interference, the failure of mobility handovers, physical layer security etc. To deal with the problems above, we do some research on Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) HetNet, including the interference mitigation, resource allocation, mobility management and physical layer security. We also propose some algorithms, which aim to improve the spectrum efficiency and system performance. The main work and innovationcan be summarized as follows:1. The research on interference mitigation in two-tier femtocell HetNet. We investigate the uplink resource allocation problem of femtocells in co-channel deployment with macrocells condisdering the characteristics of channel fading and cross-tier interference. We first model the uplink power and subchannel allocation in femtocells as a non-cooperative game, where inter-cell interference is taken in to account in maximizing the femtocell capacity and uplink femto-to-macro interference is alleviated by charging each femto user a price proportional to the interference that it causes to the macrocell. Based on the non-cooperative game, we then devise a semi-distributed algorithm for each femtocell to first assign subchannels to femto users and then allocate power to subchannels. Simulation results show that the proposed interference-aware femtocell uplink resource allocation algorithm is able to provide improved capacities for not only femtocells, but also the macrocell, as well as comparable or even better tiered fairness in the two-tier network, as compared with existing unpriced subchannel assignment algorithm and modified iterative water filling-based power allocation algorithm. 2. The research on resource allocation in two-tier femtocell HetNet. To cope with the problem in heterogeneous QoS, we investigate the resource allocation problem in both uplink and downlink for two-tier networks comprising spectrum-sharing femtocells and macrocells. A resource allocation scheme for co-channel femtocells is proposed, aiming to maximize the capacity for both delay-sensitive users and delay-tolerant users subject to delay-sensitive users QoS constraint and the interference constraint imposed by the macrocell. The subchannel and power allocation problem is modeled as a mixed integer programming problem, and then transformed into a convex optimization problem by relaxing subchannel sharing, and finally solved by the dual decomposition method. Subsequently, an iterative subchannel and power allocation algorithm considering heterogeneous services and cross-tier interference is proposed for the problem using the subgradient update. We also develop a practical low-complexity distributed subchannel and power allocation algorithm to reduce the computational cost. The complexity of the proposed algorithms is analyzed, and the effectiveness of the proposed algorithms is verified by simulations. 3. The research on mobility management in two-tier femtocell HetNet. To deal with the traditional inaccurate handover decision schemes, a handover optimization algorithm based on the UEs mobility state is proposed. An analytical model was presented for the handover signalling cost analysis. Numerical results are provided to compare the signalling cost of different handover management schemes. Considering the potential frequent mobility between HeNB-HeNB and HeNBeNB, HeNB mobility enhancement is proposed as one of the most important work items in 3GPP LTE-Advanced. Four X2 interface based HeNB mobility enhanced architectures are explicitly discussed in terms of signalling overhead evaluation. To cope with the problem of Radio Link Failures (RLFs) and Unnecessary Handover, this thesis proposes a mobility robustness optimization approach based on Ant Colony Algorithm in the femtocell networks. 4. The research on secure resource allocation in two-way relay networks. In this thesis, we consider the problem of secure resource allocation in orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) two-way relay networks considering the presence of an eavesdropper. The joint subcarrier allocation, subcarrier pairing and power allocation problem aims to maximize the secrecy capacity for legitimate sources subject to limited power budget and orthogonal subcarrier allocation constraints. The optimization problem is modeled as a mixed integer programming problem, and then solved in an asymptotically optimal manner based on the dual method. Moreover, optimizing one domain resource allocation while given the other two-domain resource allocation, a suboptimal algorithm is proposed to reduce the complexity. Simulations are conducted to evaluate the effectiveness of the proposed near optimal and suboptimal algorithms.KEY WORDS: Heteregeneous Networks, HetNet, Femtocell, two-tier networks, two-way relay, resources allocation, mobility management, interference magagement, physical layer securityIX北京郵電大學(xué)博士論文目錄目錄第一章緒論11.1研究背景11.1.1移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史11.1.2宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)21.1.3異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Femtocell41.1.4異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Two-way relay51.2IMT-A異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀81.2.1異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)81.2.2異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)干擾管理研究現(xiàn)狀91.2.3異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)資源分配研究現(xiàn)狀111.2.4異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理研究現(xiàn)狀121.2.5異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)保密資源分配研究現(xiàn)狀141.3論文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)141.3.1論文的主要研究?jī)?nèi)容141.3.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與論文結(jié)構(gòu)17第二章異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理策略研究192.1引言192.2系統(tǒng)模型與問(wèn)題建模202.2.1系統(tǒng)模型與假設(shè)202.2.2問(wèn)題建模222.3干擾感知的資源分配機(jī)制232.3.1博弈框架232.3.2基于干擾感知的子信道分配242.3.3基于干擾感知的功率分配252.3.4干擾感知半分布式算法262.4仿真結(jié)果與討論272.4.1對(duì)比算法282.4.2性能仿真分析302.5本章小結(jié)33第三章異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的資源分配機(jī)制研究353.1引言353.2系統(tǒng)模型與問(wèn)題建模363.2.1系統(tǒng)模型與假設(shè)363.2.2問(wèn)題建模383.3子信道與功率分配算法393.3.1基于時(shí)間共享放松的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換393.3.2對(duì)偶分解法413.3.3迭代資源分配算法443.3.4下行資源分配453.3.5一種低復(fù)雜度算法453.3.6復(fù)雜度分析473.4仿真結(jié)果與討論473.5本章小結(jié)55第四章異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理策略研究564.1基于用戶特征的低復(fù)雜度切換算法564.1.1系統(tǒng)模型574.1.2切換流程584.1.3信令分析模型584.1.4一種低復(fù)雜度的切換優(yōu)化算法594.1.5分析模型594.1.6性能分析624.2移動(dòng)性增強(qiáng)架構(gòu)研究644.2.1移動(dòng)性增強(qiáng)提出的背景644.2.2移動(dòng)性架構(gòu)增強(qiáng)候選技術(shù)654.2.3移動(dòng)性增強(qiáng)模式中的切換流程684.2.4信令分析模型694.2.5性能分析724.3Femtocell移動(dòng)魯棒性優(yōu)化744.3.1移動(dòng)魯棒性優(yōu)化簡(jiǎn)介744.3.2MRO事件探測(cè)744.3.3基于蟻群算法的移動(dòng)魯棒性優(yōu)化控制策略774.3.4性能評(píng)價(jià)804.4總結(jié)86第五章異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)保密資源分配研究885.1引言885.2系統(tǒng)模型與問(wèn)題建模895.2.1系統(tǒng)模型895.2.2問(wèn)題建模925.3保密資源分配935.3.1近最優(yōu)算法935.3.2次優(yōu)算法955.4仿真結(jié)果與討論965.4.1仿真參數(shù)設(shè)置965.4.2仿真結(jié)果與分析965.5結(jié)論99第六章總結(jié)和展望1006.1全文研究工作總結(jié)1006.2未來(lái)研究工作展望101參考文獻(xiàn)103附錄1：縮略語(yǔ)中英文對(duì)照表115致謝118附錄2：作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文、專利、專著與標(biāo)準(zhǔn)化提案120XII北京郵電大學(xué)博士論文第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究背景1.1.1 移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史人們對(duì)信息獲取的需求推動(dòng)了通信技術(shù)的發(fā)展，而移動(dòng)通信技術(shù)使用戶擺脫了有線通信的束縛，得到用戶的青睞，本小節(jié)對(duì)移動(dòng)通信的歷史作簡(jiǎn)單的回顧。自從馬可尼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實(shí)現(xiàn)了英國(guó)到紐芬蘭橫跨大西洋的無(wú)線電信號(hào)傳輸以來(lái)1，人們從未停止對(duì)無(wú)線電與移動(dòng)通信技術(shù)的研究熱情。最早的移動(dòng)通信系統(tǒng)可以追溯到上世紀(jì)40年代的專用模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，其中心工作頻率在2MHz，其代表是美國(guó)底特律市警察局專用的車載無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)。從上世紀(jì)50年代末到70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室、摩托羅拉和愛立信等研究機(jī)構(gòu)與通信公司都開始了對(duì)模擬移動(dòng)通信的研究，通過(guò)將地理位置上的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域劃分為小區(qū)，各個(gè)小區(qū)之間采用頻率復(fù)用提高頻率利用率，即所謂的“蜂窩”網(wǎng)絡(luò)。70年代末誕生了第一代模擬移動(dòng)電話，當(dāng)時(shí)主要有3種窄帶模擬通信標(biāo)準(zhǔn)，它們是應(yīng)用于北歐(瑞典，挪威和丹麥)、東歐以及俄羅斯等國(guó)家的北歐移動(dòng)電話系統(tǒng) (Nordic Mobile Telephony, NMT)、應(yīng)用于北美的高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)(Advanced Mobile Phone Service, AMPS)和按照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的全接入通信系統(tǒng)(Total Access Communication System, TACS)。除了這3種主流標(biāo)準(zhǔn)外還有一些重要的模擬移動(dòng)通信技術(shù)，比如日本的 JTAGS，法國(guó)的Radiocom2000，西德的C-Netz和意大利的RTMI等。90年代期商用的第二代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(2G)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global system for Mobile communications，GSM)和碼分多址接入(Code Division Multiplexing Access, CDMA)系統(tǒng)在全球市場(chǎng)取得了巨大的成功。第二代移動(dòng)通信技術(shù)主要是面對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的，為了滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，各大通信公司、研究機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化組織共同推出了基于CDMA技術(shù)的的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，包括WCDMA(WidebandCode Division Multiple Access，寬帶碼分多址)、CDMA2000、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時(shí)分同步碼分多址)三大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步的提高了系統(tǒng)容量與數(shù)據(jù)速率2。由于數(shù)字信號(hào)處理與集成電路等技術(shù)的推動(dòng)，通信技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，在層出不窮的新技術(shù)的推動(dòng)下，移動(dòng)通信技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到了以正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)為物理層核心技術(shù)的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，比如第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)提出的先進(jìn)長(zhǎng)期演進(jìn)LTE-Advanced3系統(tǒng)與WiMAX-Advanced(IEEE 802.16m)4技術(shù)。1.1.2 宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)隨著用戶需求的不斷提升，宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)也面臨一系列挑戰(zhàn)。1) 宏蜂窩面臨的挑戰(zhàn)1：移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求劇增與宏蜂窩容量有限的矛盾。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)目急劇增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)5，在2010年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接近連續(xù)三年翻三番，同時(shí)超過(guò)2000年的全球因特網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)量，到2015年底，預(yù)計(jì)有10億用戶通過(guò)移動(dòng)無(wú)線設(shè)備接入到因特網(wǎng)。智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動(dòng)視頻等占用大量帶寬的新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)出指數(shù)性的增長(zhǎng)6，如圖1-1所示。隨著移動(dòng)通信寬帶化和寬帶通信移動(dòng)化成為人們的共識(shí)，越來(lái)越多新的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。最近爆發(fā)的“微信收費(fèi)”事件也從側(cè)面反映了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的龐大與新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的迅速增長(zhǎng)。因此，更好的覆蓋、更高的頻譜資源利用率成為移動(dòng)通信追求的目標(biāo)。圖1-1 北美市場(chǎng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)流的需求6傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)一般是由宏基站部署組網(wǎng)。但隨著傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Macrocell Networks)中鏈路容量達(dá)到理論上的香農(nóng)極限，為滿足用戶日益增加的數(shù)據(jù)速率需求，傳統(tǒng)的辦法是增加站點(diǎn)的密度或者獲取更多可以利用的頻譜7。（1）在早些年宏基站部署相對(duì)比較稀疏的場(chǎng)景中，增加宏基站的部署不會(huì)增加很大的干擾，更容易獲得較大的小區(qū)分裂增益。但在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，隨著宏基站部署比較密集，增設(shè)新的站點(diǎn)會(huì)使小區(qū)間的干擾變得十分嚴(yán)重，也就是說(shuō)小區(qū)分裂的增益十分有限；同時(shí)，宏基站的布站成本也相對(duì)較高。（2）增加頻譜供給的方法則成本高昂：無(wú)線頻譜屬于稀缺資源，國(guó)外的頻譜拍賣經(jīng)常拍出百億元以上的天價(jià)，無(wú)線頻譜如此昂貴的價(jià)格加上政府對(duì)頻譜資源的管制，使得運(yùn)營(yíng)商獲取更多頻譜的辦法可行性不高?？傊?，如果不進(jìn)行變革，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即使通過(guò)昂貴的傳統(tǒng)的持續(xù)投入，即通過(guò)購(gòu)買頻譜增大系統(tǒng)帶寬和增加宏基站部署的方法，也無(wú)法跟上用戶對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)需求的腳步。2) 宏蜂窩面臨的挑戰(zhàn)2：室內(nèi)業(yè)務(wù)需求劇增與宏蜂窩室內(nèi)覆蓋不高的矛盾。近來(lái)研究表明，超過(guò)50%的語(yǔ)音業(yè)務(wù)和70%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)8，而且這一比例還有擴(kuò)大的趨勢(shì)，如何增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋成為運(yùn)營(yíng)商十分關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。進(jìn)一步的，第三代和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)通常部署在較高的頻段，雖然此頻段無(wú)線電波的穿透能力強(qiáng)，但是穿透損耗也大，導(dǎo)致室內(nèi)特別是在家庭與企業(yè)環(huán)境中用戶的業(yè)務(wù)需求得不到滿足，因此室內(nèi)業(yè)務(wù)激增對(duì)宏小區(qū)(Macrocell)室內(nèi)覆蓋能力造成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1）解決方案1：為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)1，可以通過(guò)部署低功耗的微基站彌補(bǔ)宏基站布站成本高的弱點(diǎn)，如部署微微小區(qū)(picocell)、中繼站(Relay Station, RS)、分布式天線系統(tǒng)(Distributed Antenna System，DAS)等。2）解決方案2：針對(duì)挑戰(zhàn)2，可采用部署家庭基站 (femtocell, 也被稱為Home eNodeB、毫微微小區(qū)、HeNB、FBS、FAP)增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋，滿足用戶的室內(nèi)業(yè)務(wù)量需求。為應(yīng)對(duì)宏蜂窩所面對(duì)的挑戰(zhàn)，以上提到的解決方案1和解決方案2的共同思路都是采用更小規(guī)模的低功率接入點(diǎn)進(jìn)一步拉近用戶與其服務(wù)基站的距離，減小信號(hào)到達(dá)用戶時(shí)的衰減，增強(qiáng)熱點(diǎn)地區(qū)或者補(bǔ)充盲區(qū)的覆蓋，并為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)分流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流。消費(fèi)者強(qiáng)烈的移動(dòng)數(shù)據(jù)需求所造成的挑戰(zhàn)促使傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷著從以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為中心并追求覆蓋范圍最大化的電路交換到以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心的追求容量最大化的分組交換的變革6，采用更新的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)(比如LTE/LTE-A)，引入軟硬件整合更緊密的家庭基站、中繼站、微微小區(qū)等小型化基站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化趨勢(shì)的集中體現(xiàn)。在LTE-Advanced中，femtocell、relay、picocell共同構(gòu)成了IMT-Advanced異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)7(Heterogeneous Network, HetNet )，如圖1-2所示9。簡(jiǎn)而言之，造成挑戰(zhàn)1和挑戰(zhàn)2說(shuō)的根本原因是用戶日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求與無(wú)線頻譜稀缺的矛盾。一個(gè)有效的解決方法是部署異構(gòu)低功率節(jié)點(diǎn)，拉近收發(fā)端的距離，增大單位空間頻譜利用效率。圖1-2 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)HetNet下面主要介紹IMT-A異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的femtocell與two-way relay技術(shù)。1.1.3 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Femtocell早在20世紀(jì)80年代，就已經(jīng)誕生了“小蜂窩”(Small Cell)的概念6，“小蜂窩”用來(lái)描述當(dāng)直徑為千米級(jí)別的宏小區(qū)分割為尺寸較小的微小區(qū)時(shí)采用的概念12。在20世紀(jì)90年代，微微小區(qū)的先驅(qū)開始出現(xiàn)，其小區(qū)的半徑從幾十米到幾百米不等，用來(lái)彌補(bǔ)宏小區(qū)覆蓋的不足和避免過(guò)載的發(fā)生。但是從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這些小區(qū)只是宏小區(qū)的微型化，和宏小區(qū)區(qū)別不大，還是要遵從宏小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與管理。盡管在Southwest Bell 與Panasonic曾提出類似家庭基站的采用PSTN(Public Switched Telephone Network)做有線回程的室內(nèi)覆蓋解決方案，但是由于缺乏IP回程，其在技術(shù)上與商業(yè)上均存在不小的問(wèn)題，故未得到大規(guī)模部署613。直到2003年，倫敦大學(xué)的學(xué)者將“小蜂窩”自配置與自部署的研究可以直接應(yīng)用于femtocell網(wǎng)絡(luò)61415，這標(biāo)志著現(xiàn)代femtocell技術(shù)的成型，其技術(shù)特征是基于IP的回傳網(wǎng)絡(luò)以及其與宏小區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)X2接口6。正如上一個(gè)小節(jié)中提到的，移動(dòng)數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)與室內(nèi)業(yè)務(wù)量激增讓宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)，最有效的辦法是減小小區(qū)尺寸與獲得更多可用帶寬17，但現(xiàn)有條件下很難有大量便宜的頻譜帶寬可用，且不易實(shí)現(xiàn)。家庭基站使得小區(qū)尺寸變小，拉近了用戶終端與接入點(diǎn)的距離，可有效獲得頻率空間復(fù)用增益，同時(shí)，先進(jìn)軟硬件技術(shù)的整合使得低成本家庭基站的商用成為可能。Femtocell是一種低功耗，低成本的使用本地連接(如光纖或者DSL)作為回程(backhaul)的用來(lái)增強(qiáng)室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋或彌補(bǔ)盲區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)9。Femtocell基站的所有權(quán)歸屬用戶，一般是由用戶自行安裝的，采用即插即用的方式9。作為Macrocell的有益補(bǔ)充，能夠提供更好的室內(nèi)覆蓋并滿足用戶對(duì)高數(shù)據(jù)速率的需求，在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信中發(fā)揮著重要作用16。另一方面，家庭基站低功耗的特點(diǎn)，以其較少的碳排放量能夠滿足綠色通信的需求。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，用戶可以自行搭建家庭基站，以及其自操作性，可以有效的降低其運(yùn)營(yíng)成本(OPEX)。家庭基站的接入方式有封閉接入(Close Access)、開放接入(Open Access)、混合接入(Hybrid Access)等方式，在封閉接入方式中，只有封閉用戶組(Closed Subscriber Group，CSG)成員方可接入1819。家庭基站的典型部署場(chǎng)景包括普通民居、大學(xué)、企業(yè)、商場(chǎng)等場(chǎng)所。與普通的宏基站相比, 家庭基站具有體積小、發(fā)射功率低、用戶自行安裝和維護(hù)、即插即用等特點(diǎn)，特別是在減輕宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重負(fù)載等問(wèn)題上有突出優(yōu)勢(shì)，因而家庭基站具有非常廣闊的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)外各大運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商都給予家庭基站以極大的關(guān)注，在北美、新加坡等地區(qū)，家庭基站已經(jīng)得到了較好的商用20；在美國(guó)，Sprint Nextel在2008年開始全國(guó)范圍內(nèi)供應(yīng)家庭基站；在歐洲，英國(guó)在2009年開始他們的第一個(gè)家庭基站部署；隨后，其他國(guó)家也陸續(xù)展開商用部署。在亞洲，日本軟銀移動(dòng)、NTT DoCoMo，中國(guó)聯(lián)通均在2009年推出了他們的家庭基站服務(wù)，根據(jù)Femto Forum統(tǒng)計(jì)，在2011的第二個(gè)季度增加了60%部署家庭基站的運(yùn)營(yíng)商，包括8家世界排名前十的運(yùn)營(yíng)商6。由于femtocell的巨大商業(yè)潛力和前景，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP、3GPP2等標(biāo)準(zhǔn)化組織都給予了femtocell以大量的關(guān)注2122。同時(shí)，femtocell要想在全球內(nèi)部署，在不同運(yùn)營(yíng)商之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，互聯(lián)互通，鑒權(quán)計(jì)費(fèi)等功能，則需要標(biāo)準(zhǔn)化體系的支撐。1.1.4 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Two-way relay針對(duì)傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)邊緣覆蓋較弱、存在盲區(qū)等現(xiàn)象，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)HetNet中引入了無(wú)線中繼技術(shù)2324。中繼站(Relay Station/RS、Relay Node/RN)是使用無(wú)線鏈路作為回程的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，中繼最初的概念源于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)25，中繼站將超過(guò)源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的用戶。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，為了解決小區(qū)的邊緣覆蓋和覆蓋盲點(diǎn)的問(wèn)題，可以引入中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)提升小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，原來(lái)的盲點(diǎn)區(qū)域可以通過(guò)部署中繼站來(lái)進(jìn)行覆蓋，通過(guò)部署中繼節(jié)點(diǎn)還可以在一些熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行容量增強(qiáng)；中繼站亦可用來(lái)應(yīng)對(duì)1.1.2中提到的挑戰(zhàn)1。但傳統(tǒng)的無(wú)線中繼技術(shù)存在一定不足，其最大的缺點(diǎn)是中繼受限于物理層技術(shù)，會(huì)浪費(fèi)時(shí)隙資源，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中繼技術(shù)完成兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)間的一次信息交換傳輸需要耗費(fèi)四個(gè)時(shí)隙，如圖1-3所示。圖1-3 傳統(tǒng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中繼4時(shí)隙工作模式雙向中繼(Two-way relay)是克服傳統(tǒng)單向無(wú)線中繼時(shí)隙浪費(fèi)、提高中繼傳輸效率的一種有效方法。雙向中繼網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding)26的思想，也就是通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的輔助實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)之間交互信息。在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中又細(xì)分為3時(shí)隙工作方式和2時(shí)隙工作方式。3時(shí)隙工作方式是基于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)編碼(digital network coding, DNC)，其工作原理如圖1-4所示，兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)(用戶和宏基站)通過(guò)中繼站完成信息交互，用戶和宏基站發(fā)送信息給中繼站分別耗費(fèi)1個(gè)時(shí)隙，中繼站再將收到的信號(hào)編碼后廣播出去，用戶和宏基站分別根據(jù)自己發(fā)送的數(shù)據(jù)和收到的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算得到對(duì)方發(fā)給自己的信息。這種方法比傳統(tǒng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式提高了一個(gè)時(shí)隙的效率。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量，研究者提出了基于模擬網(wǎng)絡(luò)編碼(analog network coding, ANC)的2時(shí)隙工作方式27。如無(wú)特別說(shuō)明，下文中的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)特指2時(shí)隙工作模式下的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)。雙向中繼傳輸模式分為兩個(gè)階段：多址接入(Multiple Access, MA)階段和廣播(Broadcast, BC)階段。在多址接入階段，所有的用戶同時(shí)發(fā)送信號(hào)給中繼站；在廣播階段，中繼站將收到的信號(hào)放大廣播給所有的用戶。利用無(wú)線雙向中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換的兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)收到中繼節(jié)點(diǎn)廣播階段的信號(hào)后，通過(guò)去掉各自在多址接入階段發(fā)給中繼站的信息來(lái)獲得對(duì)方發(fā)給自己的信息，如圖1-5所示。圖1-4 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼中繼3時(shí)隙工作模式圖1-5 雙向中繼2時(shí)隙工作模式1.2 IMT-A異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀盡管femtocell與two-way relay等異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以彌補(bǔ)覆蓋盲區(qū)、增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋，滿足用戶呈指數(shù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。但是家庭基站與雙向中繼站的引入會(huì)對(duì)現(xiàn)有的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成一定的沖擊，未來(lái)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。1.2.1 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)1）挑戰(zhàn)1：Femtocell的引入帶來(lái)的干擾管理問(wèn)題。家庭基站的引入所帶來(lái)的最受關(guān)注的、最被廣泛討論的問(wèn)題就是干擾管理問(wèn)題16。干擾如此嚴(yán)重的主要原因是家庭基站和宏基站共享相同的頻帶，但即使家庭基站采用與宏基站鄰近的獨(dú)立頻段部署時(shí)，也會(huì)因?yàn)閹廨椛洚a(chǎn)生干擾，特別是在密集部署場(chǎng)景中干擾問(wèn)題尤為嚴(yán)重6。如果把家庭基站側(cè)與宏基站側(cè)各看做一層，則雙層(Two-Tier)網(wǎng)絡(luò)中的干擾可分為同層干擾和跨層干擾，在同層干擾和跨層干擾中分別存在上行干擾和下行干擾。家庭基站對(duì)宏小區(qū)造成干擾，正如同作用力和反作用力一樣，干擾也是相互的，家庭小區(qū)對(duì)宏小區(qū)造成干擾的同時(shí)，宏小區(qū)也會(huì)對(duì)家庭小區(qū)造成干擾，如何抑制和管理這些干擾，增強(qiáng)覆蓋成為切實(shí)需要面對(duì)的問(wèn)題。2）挑戰(zhàn)2：Femtocell網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問(wèn)題。通常認(rèn)為在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線資源主要包含以下四個(gè)維度：空域資源、頻域資源、時(shí)域資源和功率域資源211?？沼蛸Y源中的智能天線已經(jīng)被廣泛用在TD-SCDMA系統(tǒng)中；第一代移動(dòng)通信中的頻分復(fù)用和LTE系統(tǒng)中的正交頻分復(fù)用則是有效利用頻域資源的典范；GSM系統(tǒng)中的時(shí)分復(fù)用很好的利用了時(shí)間域的資源；CDMA系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)是提高功率域資源利用率的典范1。資源分配是抑制干擾、提高容量、增強(qiáng)覆蓋的利器。而無(wú)線資源是有限的，但用戶對(duì)業(yè)務(wù)需求是不斷增長(zhǎng)的。如何有效的分配這些有限的無(wú)線資源，特別是頻譜資源與功率資源，來(lái)滿足增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，成為家庭基站高效的控制干擾、提高系統(tǒng)容量要面臨的問(wèn)題之一。3）挑戰(zhàn)3：Femtocell的引入帶來(lái)的移動(dòng)性管理問(wèn)題。隨著家庭基站的大量部署，用戶在家庭基站和宏基站的移動(dòng)性問(wèn)題成為異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重要的問(wèn)題之一。成千上萬(wàn)的家庭基站與宏基站之間的移動(dòng)性造成大量的切換94；而且，由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改變，傳統(tǒng)的切換流程很難直接應(yīng)用到異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中，切換流程需要進(jìn)行一定的修正。家庭基站引入宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)后，家庭基站與宏基站的功率不對(duì)等，覆蓋范圍不對(duì)稱所帶來(lái)的切換問(wèn)題也一直困擾著研究者95。傳統(tǒng)的切換判決算法無(wú)法準(zhǔn)確判斷移動(dòng)車輛中的用戶的切換要求，這就會(huì)造成不必要切換。家庭基站中的切換判決參數(shù)對(duì)移動(dòng)性性能有較大影響，不合適的參數(shù)設(shè)置將會(huì)導(dǎo)致無(wú)線鏈路失敗RLF(Radio Link failure)和不必要切換。家庭基站的密集部署和用戶的頻繁移動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致大量的切換信令、無(wú)線鏈路切換失敗和不必要切換，如何減小這些信令對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊并減少切換失敗與不必要切換是亟待解決的問(wèn)題。4）挑戰(zhàn)4：雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中的資源分配與物理層安全容量問(wèn)題?；谀M網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，由于其特殊的傳輸方式和無(wú)線通信的廣播特性，異構(gòu)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)容易受到竊聽者的竊聽而損失信息量，同時(shí)其安全性也性存在一定問(wèn)題，容易受到攻擊108?？紤]到網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)情況，無(wú)線通信中“消極”的竊聽者存在的場(chǎng)景比“積極”的攻擊者存在的場(chǎng)景更常見109。而異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)中竊聽者的存在造成信息泄露的物理層安全問(wèn)題一直沒有得到完美解決，如何在存在竊聽風(fēng)險(xiǎn)的情況下提高物理層安全容量，讓竊聽者獲取的信息盡可能的少，是異構(gòu)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配中的一個(gè)難題。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，研究者們已經(jīng)開展了一些研究工作，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都對(duì)Femtocell與two-way relay等異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)給予大量關(guān)注，以femtocell發(fā)表論文數(shù)據(jù)舉例，（學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對(duì)Femtocell與