異構網絡智能化控制與優(yōu)化的關鍵技術研究

密級： 保密期限： 博士研究生學位論文 題目： 異構網絡智能化控制與 優(yōu)化的關鍵技術研究 學 號： 098031 姓 名： 李一喆 專 業(yè)： 通信與信息系統(tǒng) 導 師： 田輝教授 馮志勇教授 學 院： 信息與通信工程學院 2012年 6月25日獨創(chuàng)性(或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進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注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名： 日期： 關于論文使用授權的說明學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學位論文屬于保密在 年解密后適用本授權書。非保密論文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書。本人簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 北京郵電大學博士論文摘要異構網絡智能化控制與優(yōu)化的關鍵技術研究摘 要當前移動通信的一個關鍵問題就在于有限的頻譜資源和人們無限的通信需求之間的矛盾。但是由于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)在空間和時間上存在著一些固有的限制，現(xiàn)有系統(tǒng)對頻譜資源的利用率卻相對不高。隨著通信技術的發(fā)展，為了提高系統(tǒng)容量，未來的通信系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)出了一種異構化的趨勢，主要包括一、網絡覆蓋范圍的異構，二、資源使用優(yōu)先級的異構，三、網絡技術標準的異構。這樣異構化的網絡可以改善通信系統(tǒng)的性能，從空間和時間上進一步開發(fā)和提高頻譜等無線資源的利用率，在一定程度上解決通信需求增長與頻譜資源緊缺的矛盾，但是網絡異構化也帶來了一些問題，其中一個關鍵的挑戰(zhàn)就是如何對異構網絡進行有效的控制與優(yōu)化操作，從而保證網絡高效地運行，實現(xiàn)提高頻譜等無線資源利用效率和整個網絡容量的目標。因為異構化的網絡雖然形式不同，但都存在著網絡種類和數(shù)量多、結構復雜、管控目標多元化、需要調整的參數(shù)繁多等特點，相對于傳統(tǒng)網絡，異構網絡不僅對于網絡性能的需求更多，要求更高，而且網絡運行中控制和優(yōu)化的難度也大大地增加，因此傳統(tǒng)的主要以人工方式進行的網絡規(guī)劃、設計、管理和維護已不能很好地滿足網絡運維的要求，需要研究智能高效的無線網絡設計、管理與優(yōu)化方法，實現(xiàn)網絡資源的高效管控和利用、網絡間的干擾消除，網絡元素的有效協(xié)作，以達到提高頻譜等無線資源效率和系統(tǒng)性能的目的。面對無線網絡異構化的趨勢，本論文針對異構網絡亟需提升系統(tǒng)性能和實現(xiàn)高效管控的挑戰(zhàn)，充分考慮不同異構網絡在網絡層次關系、網絡優(yōu)化目標和可用優(yōu)化方法等方面的特點與共性，結合通信網絡理論與人工智能等數(shù)學算法，研究了在異構化的網絡中進行智能的控制與優(yōu)化，從而提高頻譜效率和網絡容量的關鍵技術與方法。本論文的主要創(chuàng)新點如下：針對異構化網絡中控制和優(yōu)化所面臨的高要求、高復雜度的挑戰(zhàn)，探索了異構網絡中智能化的控制與優(yōu)化技術。首先針對覆蓋范圍異構的層疊網絡的資源分配基本問題，通過借鑒頻率軟復用的思想，實現(xiàn)了在宏蜂窩與femtocell網絡之間有效地劃分可用頻譜的方法，其次研究了引入認知技術來進一步提高femtocell網絡對宏蜂窩網絡空閑頻譜的利用率的方法。進而結合啟發(fā)式算法，在層疊網絡中實現(xiàn)以容量最大化為目標的信道與功率的高效分配。在解決了資源分配問題后，進一步研究了在層疊異構網絡運行過程中，引入啟發(fā)式算法來智能地優(yōu)化網絡參數(shù)的技術。首先針對家庭環(huán)境中的層疊網絡覆蓋，研究了利用多天線技術的基于波束賦形的天線參數(shù)優(yōu)化方法，從空間的角度降低層疊網絡的干擾并提高容量。其次建立了公共環(huán)境中層疊網絡的容量模型，并提出了基于模擬退火法的天線與功率的聯(lián)合優(yōu)化方法，盡可能地降低網絡中的干擾和提高資源效率。結合無線通信技術發(fā)展的新趨勢，研究了層疊網絡中的控制與優(yōu)化的新技術。首先提出了適于層疊網絡的低開銷的層疊網絡環(huán)境下的聯(lián)合多點通信技術，利用多點協(xié)作來減小小區(qū)間干擾和提高容量。其次通過功率優(yōu)化和接入控制來在不影響系統(tǒng)性能的前提下盡可能地降低femtocell網絡中的能耗，實現(xiàn)femtocell網絡中的綠色通信。第三，引入了神經網絡方法，建立基于神經網絡模型的femtocell網絡管控系統(tǒng)，高效地優(yōu)化網絡的多項運行參數(shù)，進而優(yōu)化網絡的性能。在關于層疊異構網絡研究的基礎上，根據(jù)不同異構網絡在網絡間關系、優(yōu)化目標和方法上的相似性，針對主次異構網絡和接入技術異構網絡的控制與優(yōu)化問題進行了研究。首先針對主次用戶共存網絡中兩個不同的典型場景，建立主次網絡容量的模型，并基于凸優(yōu)化理論和拉格朗日方法，研究了主次用戶協(xié)作的頻譜與功率分配最優(yōu)解，以及在一定的速率限制條件下，次級用戶多播網絡中的無線資源分配方法。其次，針對多接入技術標準的異構接入網絡中用戶進行網絡選擇的問題，引入啟發(fā)式算法，以保證用戶的服務和網絡整體性能為前提，綜合考慮影響通信質量的因素和設備的能耗，提出了基于用戶選擇的多重網絡覆蓋下多模終端的接入選擇策略。關鍵詞：頻譜利用率，異構化網絡，層疊網絡，主次用戶網絡，異構接入網絡，無線資源分配，無線參數(shù)優(yōu)化，綠色通信北京郵電大學博士論文ABSTRACTTHE KEY TECHNOLOGIES RESEARCH ON INTELLIGENT CONTROL AND OPTIMIZATION IN HETEROGENEOUS NETWORKSABSTRACTCurrently a key issue in the mobile communications lies in the contradiction between the limited spectrum resources and explosively increasing demand of multimedia service. But there are some inherent limitations of traditional communications systems in space and time, which make the utilization of existing spectrum resources still not high. To improve the system capcacity, the development of communication systems in the future shows a heterogeneous trend that prompts the potential for spectrum efficiency as much as possible in terms of time and space, which includes the following three aspects: firstly, heterogeneous networks of different coverage. Secondly, the heterogeneous networks of different use priorities of wireless resources. Thirdly, the heterogeneous networks of different technical standards. These three kinds of heterogeneous networks could improve the performance of the communication system and alleviate the contradictions between the growth in communication service and spectram source scarce, but they also bring some technical chanllenges, the most important one of which is how to effectively control and optimize the heterogeneous networks. In spite of different forms of heterogeneous networks, they all have the same key objective to improve the utilization of spectrum resources, and have many things in common in relationship between different levels of network, optimization requirements and the methods used. They have similar characteristics of multiple network types, complex structure, diversification of performance targets and large number of parameters to be adjusted, so the traditional manual-based network planning, design, management and maintenance can no longer well meet the network operation requirements. It is needed to study smart and efficient wireless network design, management and optimization method for heterogeneous networks of new features, which can combine with communication theories and mathematical methods to achieve efficient control and utilization of network resources, elimination of interference between networks, effective collaboration of network elements, and so on.To deal with the problems in controlling and optimizing of the heterogeneous networks and achieve the goal of further enhancing spectral efficiency, this thesis studies a variety of key technologies of intelligent control and optimization in the heterogeneous network to use spectral more effectively and improve network capacity. The first chapter of the thesis describes the problems faced by the wireless communication system and the development trend of isomerization, then elaborates the background of the heterogeneous network, the basic concepts and the status quo, and derived the focuses of this study that researching on key technologies of intelligent control and optimization, in order to implement effective operation and maintenance at heterogeneous networks, and improve utilization of spectrum resources and network capacity. The main innovations of this thesis are as follows:Firstly, we describe the two-tier heterogeneous networks problems and the status quo, then starts the researching from three aspects: efficient allocation of resources of the two-tier network, the intelligent optimization of network parameters and new technologies to enhance network performance. Based on cognitive technologies, heuristic algorithms and neural network, we proposed a series of intelligent control and optimization methods such as the two-tier network spectrum allocation strategy, channel and power allocation method, the antenna optimization technology, joint optimization technique of the wireless parameters, coordinated multi-point transmission technology, energy-saving methods and control system model. The simulation results show that the above methods improve the performance of the overlay network from the allocation of resources, interference cancellation, capacity maximization and so on, resulting in improving the radio resource utilization, reducing the interference of the network and effectively enhancing the capacity of the network.Then we study the control and optimization methods of resources use priorities based heterogeneous network and technology standard based heterogeneous network. After review of the background and research of these two heterogeneous networks, we focus on primary and secondary user network, in two typical scenarios propose approaches maximizing the overall network capacity through the secondary users channel and power allocation and on premise of ensuring the quality of the primary users service. Then we study the method of users choosing the most appropriate network to access in accordance with the characteristics of the different networks and their own needs for multi-standard networks, which allows users to get a better quality of service (QoS), and ensures the overall network performance. In particular, we think low energy consumption as an important consideration, in order to as much as possible realize the green network communication.KEY WORDS: Spectrum utilization, heterogeneous networks, overlay network, primary and secondary users networks, heterogeneous access networks, radio resources allocation, optimization of wireless parameters, green communication北京郵電大學博士論文目錄目錄第一章移動通信系統(tǒng)的異構化發(fā)展趨勢31.1移動通信發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀31.1.1移動通信發(fā)展的歷史31.1.2現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)51.2移動通信系統(tǒng)發(fā)展的異構化趨勢61.2.1基于不同覆蓋范圍的層疊網絡61.2.2基于不同資源使用優(yōu)先級的主次用戶網絡81.2.3基于不同技術標準的異構接入網絡91.2.4異構化網絡所面臨的問題101.2.5異構化網絡中控制與優(yōu)化技術的研究111.2.5.1研究的意義111.2.5.2研究的現(xiàn)狀121.3本文所做貢獻及內容結構14參考文獻16第二章層疊網絡無線資源優(yōu)化分配的關鍵技術192.1引入認知的層疊網絡頻譜分配方法與分布式資源分配技術192.1.1系統(tǒng)模型202.1.2引入認知的宏蜂窩與femtocell層疊網絡的頻譜分配技術212.1.3宏蜂窩覆蓋下的femtocell網絡中分布式無線資源分配技術222.1.4仿真與性能分析252.2基于強化學習的公共femtocell網絡無線資源分配技術262.2.1強化學習算法272.2.2基于Q學習的femtocell網絡資源分配方法292.2.3仿真與性能分析342.2.4本章小結36參考文獻36第三章層疊網絡的無線參數(shù)的控制與優(yōu)化393.1家庭環(huán)境Femtocell的天線參數(shù)優(yōu)化技術393.1.1系統(tǒng)模型403.1.2家庭環(huán)境femtocell天線優(yōu)化方法413.1.3仿真與性能分析433.2基于啟發(fā)式算法的公共femtocell網絡無線參數(shù)優(yōu)化算法453.2.1模擬退火法463.2.2系統(tǒng)模型473.2.3公共Femtocell網絡的功率與天線聯(lián)合優(yōu)化算法483.2.4仿真與性能分析543.2.5本章小結57參考文獻57第四章層疊網絡優(yōu)化的新技術研究614.1Femtocell網絡的聯(lián)合多點通信技術614.1.1系統(tǒng)模型634.1.2femtocell網絡的聯(lián)合多點通信技術644.1.3仿真與性能分析674.2層疊網絡的節(jié)能技術684.2.1系統(tǒng)模型694.2.2Femtocell網絡的節(jié)能方法704.2.3仿真與性能分析764.3基于神經網絡的層疊網絡參數(shù)整體優(yōu)化算法784.3.1系統(tǒng)模型794.3.2基于神經網絡的femtocell網絡的參數(shù)優(yōu)化方法804.3.3仿真與性能分析834.3.4本章小結84參考文獻84第五章主次網絡和異構接入網絡的控制與優(yōu)化875.1基于拉格朗日法的主次用戶網絡的聯(lián)合無線資源分配技術875.1.1拉格朗日算法885.1.2系統(tǒng)模型905.1.3主用戶協(xié)作下的多認知用戶資源分配方法915.1.4仿真與性能分析935.2基于拉格朗日法的次級用戶組播網絡中的資源分配優(yōu)化方法955.2.1系統(tǒng)模型965.2.2最大限度降低掉話率的功率與速率控制方法965.2.3仿真與性能分析985.3基于強化學習的異構接入網絡的接入選擇方法1005.3.1系統(tǒng)模型1015.3.2基于Q學習的接入網絡選擇方法1025.3.3仿真與性能分析1035.3.4本章小結106參考文獻107第六章總結和展望1096.1論文總結1096.2未來研究展望109致謝111附錄1：縮略語表113附錄2：博士期間科研成果情況117北京郵電大學博士論文第一章 移動通信系統(tǒng)的異構化發(fā)展趨勢第一章 移動通信系統(tǒng)的異構化發(fā)展趨勢本章簡要回顧移動通信的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，并探討了現(xiàn)有通信系統(tǒng)所面臨的主要技術挑戰(zhàn)以及提高頻譜資源利用效率的關鍵目標，闡述了網絡異構化的發(fā)展趨勢，引出網絡異構化所面臨的控制與優(yōu)化的問題，進而說明本文所做的研究工作。1.1 移動通信發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀1.1.1 移動通信發(fā)展的歷史移動通信已成為對人類社會影響最深刻的技術之一，正越來越深入地應用于生產和生活的各個方面，本節(jié)將簡要回顧移動通信的發(fā)展歷史，從而引出現(xiàn)有移動通信的背景、演進路線、技術特點及其面臨的問題等。無線通信技術起源于19 世紀五六十年代。自從Maxwell與Hertz分別從理論上和實驗中證明了電磁波的存在后，人們利用電磁波進行通信的嘗試就未曾停止過。Marconi完成了第一次利用電磁波橫跨大西洋的傳送，開啟了無線電通信的新時代。到了1928 年，美國Purdue 大學學生發(fā)明的超外差式無線電接收機成為了第一種投入實際應用的無線通信系統(tǒng)。接下來，美國和歐洲又陸續(xù)退出了公用移動電話系統(tǒng)，針對頻譜資源利用效率不足的問題，1978年美國貝爾實驗室提出了具有里程碑意義的小區(qū)制蜂窩組網理論，并開發(fā)了第一種蜂窩移動通信系統(tǒng)高級移動電話業(yè)務（Advanced Mobile Phone Service, AMPS）系統(tǒng)，它為移動通信系統(tǒng)在全球的廣泛應用開辟了道路-1尹長川，羅濤，樂光新編著,多載波寬帶無線通信技術：北京郵電大學版社，2004年.-1。進入20 世紀80 年代中期，歐洲建立了ETACS、NMT-450等模擬制式的頻分雙工的第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)，日本也建立了類似的NTT/JTACS/NTACS等1G系統(tǒng)。1G 系統(tǒng)采用蜂窩組網和頻率復用等關鍵技術，有效地解決了當時的常規(guī)移動通信系統(tǒng)所面臨的頻譜利用率低、容量小及業(yè)務的服務質量差等問題，在商業(yè)上取得了巨大的成功。不過，1G 系統(tǒng)在技術和體制上也存在諸多局限，如頻譜利用率低，同頻干擾和互調干擾、系統(tǒng)保密性差及提供的業(yè)務種類比較單一等。為了解決第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)中存在的技術缺陷，采用數(shù)字調制技術的第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)或2G 系統(tǒng)從20 世紀90 年代開始逐漸發(fā)展起來，包括歐洲的GSM（Global System Mobile）,美國的DAMPS 和日本的JDC 等，以及1993 年，美國推出了基于碼分多址（Code Division Multiplex Access，CDMA）接入技術的IS-95 系統(tǒng)。進入20世紀80年代，蜂窩移動通信系統(tǒng)已經在世界范圍內大規(guī)模應用。為了實現(xiàn)全球移動通信系統(tǒng)的無縫漫游，給用戶提供更好的服務體驗，1985 年國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了未來公共陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS）的概念，意欲在全球建立統(tǒng)一的移動通信系統(tǒng)標準，從而實現(xiàn)全球漫游。FPLMTS 是第三代移動通信系統(tǒng)的前身，其目的是實現(xiàn)任何人在任何時間、任何地點，能向任何人傳送任何信息。1995年ITU 將FPLMTS 更名為國際移動電信2000（IMT-2000），即第三代移動通信系統(tǒng)或3G 系統(tǒng)。并且在新千年到來之際確定了包括歐洲標準WCDMA，美國標準cdma2000，中國標準TD-SCDMA等在內的第三代移動通信系統(tǒng)（IMT-2000）。和第二代移動通信系統(tǒng)相比，第三代移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率有了大幅提高，且具有了承載多媒體業(yè)務的能力。圖1-1移動通信系統(tǒng)的演進隨著用戶對無線傳輸服務要求的進一步提高，3G系統(tǒng)2Mbits/s的峰值速率仍然顯得較低，不能滿足移動計算等業(yè)務的要求，并且3G所采用的CDMA技術的給運營商帶來的專利權成本和日趨激烈的新加入的運營商的競爭，使得運營商不得不加快技術革新，推動網絡演進，支持新的無線業(yè)務，從而在競爭中立于不敗之地?；趯σ苿油ㄐ艑拵Щ恼J識和寬帶接入移動化的需求， 3GPP推出了第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的演迸版本LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)1-1-沈嘉，索士強，全海洋等編著，3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計，人民郵電出版社，2008年.，帶來了移動通信的一次階段性技術變革?；谡活l率復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO)等新技術的LTE系統(tǒng)充分地從時間、頻域和空間角度開發(fā)了頻譜資源的利用率，并且利用分集的原理提高了信號的質量和傳輸可靠性，極大地改善了通信系統(tǒng)的性能1-1-肖睿，LTE-Advanced及其關鍵技術，技術前沿，2009.3.。目前我國具有自主知識產權的TD-LTE系統(tǒng)已經進行了局部地區(qū)的網絡試運行，即將投入商用。在此基礎上，2008年3月3GPP又展開了LTE-Advanced的標準化工作，應用多種新技術，如：增強的多輸入多輸出（MIMO）、協(xié)作多點通信技術（Coordinated Multiple Point Transmission/Reception）、中繼（Relay）通信技術等來進一步提高移動通信系統(tǒng)的性能及頻譜資源利用率，從而配合國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)啟動的第四代移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced的標準制定工作231-21-31-1-華為技術有限公司，LTE-Advanced關鍵技術及標準進展，電信網技術，2010.5。1.1.2 現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)雖然無線通信系統(tǒng)經過多年的演進和技術的創(chuàng)新，但仍然存在著一些比較關鍵的問題，其中如何獲得足夠的頻譜資源便是最重要的挑戰(zhàn)之一。在無線通信系統(tǒng)中，對覆蓋范圍和信號質量的要求使得蜂窩系統(tǒng)可用的頻譜局限在一定的波段內，根據(jù)香農的信息論，無線通信的容量直接受可用頻譜帶寬的限制，因此頻譜的局限性也就限制了無線通信網絡的容量。而隨著互聯(lián)網、物聯(lián)網等飛速發(fā)展，人們通過無線網絡隨時隨地獲取數(shù)據(jù)和多媒體服務的需求急劇增長，這就與有限的頻譜資源之間產生了日趨尖銳的矛盾。為了滿足社會生產和生活的需要，研究如何在有限的帶寬下盡可能提高無線通信系統(tǒng)容量已經成為學術界和工業(yè)界共同的關注熱點。在現(xiàn)有的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，提升系統(tǒng)容量主要是從香農信息論的另一個方面考慮，即提高信號傳輸?shù)馁|量。為此提出了在蜂窩通信系統(tǒng)中的多種信號傳輸方法，包括調制和編碼技術、信號功率控制、多輸入多輸出（MIMO）技術、分集技術等。這些技術有效地提高了接收信號的信噪比，從而在一定程度上改善了蜂窩系統(tǒng)的容量，緩解了通信需求與有限資源之間的矛盾。然而，隨著各種無線應用業(yè)務層出不窮，用戶對通信系統(tǒng)容量的要求與日俱增，單從提高信號質量入手已不能完全解決通信容量不足的問題，需要從其它角度考慮來提高容量和頻譜資源的利用率。現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)，由于網絡結構模式的限制，在提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率上有著幾個明顯不足。一是網絡的空間資源利用不足,現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的宏蜂窩小區(qū)的半徑較大，因而頻率復用的距離也較大，自然頻譜重復利用率低，如果采取分割宏蜂窩小區(qū)，減小宏小區(qū)半徑的方法理論上可以提高頻譜利用率，但是需要解決產生的多方面的干擾。二是在傳統(tǒng)的“條塊分割”的靜態(tài)頻譜使用政策下，頻譜資源的利用非常不均衡。從時間角度來看，在一部分地區(qū)的某些頻段上，一定的時間內使用無線通信業(yè)務的用戶數(shù)非常龐大，從而造成頻譜資源十分緊張，而在其他時間段中有可能用戶數(shù)急劇下降，導致該地區(qū)的這些頻譜資源大量空閑，得不到有效的利用。而該地區(qū)的另一些頻段的使用情況則可能呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，即不同的時間內不同頻段的忙閑狀況不一致，卻都無法進行互補，形成了頻譜資源的嚴重浪費。從頻譜的角度來看，有些頻段上業(yè)務總是非常繁忙，甚至部分用戶得不到可靠的服務，而在另一些頻段上業(yè)務卻相對稀少，造成了頻譜的空洞。隨著無線業(yè)務種類的飛速發(fā)展，頻譜需求呈指數(shù)迅猛增長，頻譜資源的供需不平衡的矛盾問題日益突出，已經嚴重制約了無線通信的發(fā)展。三是在無線網絡的發(fā)展過程中，由于商業(yè)競爭和不同業(yè)務的需要，建設了許多技術標準不同、相互獨立的無線網絡，例如普遍共存的2G到4G的無線通信系統(tǒng)以及每一代系統(tǒng)的不同的無線接入網絡。這就造成了不同網間的資源及利用的不均衡，以及孤立的網絡間缺少有效的合作從而浪費了資源整合的潛力。無線網絡建設、運營和管理也面臨著極大的困難。1.2 移動通信系統(tǒng)發(fā)展的異構化趨勢為了解決現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的不利于頻譜資源充分利用的幾個主要問題，提高頻譜效率和系統(tǒng)的容量，未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展正呈現(xiàn)出一種異構化的趨勢。所謂異構化，包括三個方面：1. 從空間開發(fā)的角度提高頻譜資源利用率，形成基于不同的空間覆蓋范圍的層疊網絡；2.從時間開發(fā)的角度提高頻譜資源利用率，形成基于不同資源使用優(yōu)先級的主次用戶網絡；3. 從優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜利用率角度出發(fā)的，基于不同接入技術標準的異構網絡。本文的研究工作也將著眼于這三種網絡，研究這異構化網絡的智能控制與優(yōu)化關鍵技術，實現(xiàn)對異構網絡資源的有效管控，從而提高系統(tǒng)的整體性能和提升無線資源的利用效率。下面將對層疊網絡、主次網絡和多標準網絡作進一步闡述。1.2.1 基于不同覆蓋范圍的層疊網絡蜂窩無線系統(tǒng)的基本特性就是用有限的頻譜來盡量滿足無限的業(yè)務需求，這是通過以盡可能的大密度來復用頻譜，同時最小化由此帶來的設備間的干擾而實現(xiàn)的。隨著現(xiàn)在無線寬帶業(yè)務的數(shù)據(jù)率不斷上升，對網絡容量的要求也隨之提高，因此許多研究工作專注于如何改進信號模式、編碼技術以及收發(fā)端的物理層技術等等，來滿足無線通信的要求。但是，這仍然難以跟上快速增長的業(yè)務需求，盡管如3G，4G技術的革新可以帶來預計2到5倍頻譜利用率的提升，卻還是無法滿足用戶呈指數(shù)增長的數(shù)據(jù)率需求。在不得不增加可用頻譜資源這個前提下，采取更小的小區(qū)模式，減小頻譜復用半徑，提高頻譜復用率成為解決以上問題的必由途徑。因此涌現(xiàn)出了許多小覆蓋范圍的小區(qū)技術，如microcell, picocell等，而最新出現(xiàn)的femtocell，則成為了其中的佼佼者和代表1-1- V.Chandrasekhar, J. G. Andrews, and A. Gatherer, “Femtocell networks: a survey,” IEEE Commun. Mag., vol. 46, no.9, pp. 59-67, Sept.2008.。Femtocell又稱femtocell蜂窩式基站，是一種基于移動技術的低功率、低成本的無線接入點，通過XDSL、電纜、光纖等鏈路與網關相連接，并由網關實現(xiàn)到移動核心網的連通。它為室內或公共場所的用戶提供無線語音和數(shù)據(jù)接入服務，與宏蜂窩共享頻段或使用專門的頻段，使宏蜂窩覆蓋下更多的用戶可以接入網絡。根據(jù)不同的環(huán)境femtocell可以支持416個用戶，F(xiàn)emtocell有適用于CDMA、GSM、UMTS、LTE等各種標準和支持2G、3G的產品，覆蓋半徑為1050米。峰值速率可達上百兆1-1-Simon R. Saunders, Stuart Carlaw, Andrea Giustina, Ravi Raj Bhat, V. Srinivasa Rao and Rasa Siegberg, Femtocells: Opportunities and Challenges for Business and Technology, 2009 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 978-0-470-74816-9.1-1- Carlaw, S and Wheelock, C. Femtocells market challenges and opportunities cellular based fixed mobile convergence for consumers, enterprises and SMEs dedicated to benefits of femtocells. ABI Research, 2007.1-1- Carlaw, Stuart. Challenges facing the Femtocell Market - A Realistic View? Dallas: Avren Events, 2007. Second International Conference on Home Access.1-1- Will Franks, Ubiquisys. Femtocell practical: lessons learned from real world deployments. Dallas: Avren Events, December, 2007. Second International Conference on Home Access Points and Femtocells.1-1- Bubley, Dean. Femtocell-aware mobile handsets. London: Disruptive Analysis Ltd, 2008.。與其他微小區(qū)技術相比，femtocell具有即插即用的自動配置和智能的自主優(yōu)化等自組織功能，并具有部署靈活、成本低廉和網絡性能提升高效等特點。因為femtocell是由用戶自行部署來直接安放在用戶家中或中小型企業(yè)的室內環(huán)境，所以節(jié)省了運營商的站址選取費用、網絡基站設備運營與維護的費用等。femtocell既可以作為移動網絡的延伸，又是固定網絡和移動網絡融合的橋梁，femtocell設備集成了傳統(tǒng)宏蜂窩網絡中多個網元的功能，適應未來網絡拓撲扁平化發(fā)展趨勢，有利于保護運營商在固定寬帶網絡的投資。進一步地，femtocell網絡技術的應用一方面可以拉近無線終端同基站之間的距離，降低信號經無線鏈路傳播造成的衰減而提升信噪比，以及復用宏蜂窩網絡的頻譜，從而大大提高網絡的容量。另一方面隨著室內無線通信業(yè)務量及所占整體業(yè)務的比重快速增長，未來無線網絡室內覆蓋不足的問題日益突出，F(xiàn)emtocell為解決這一問題提供了一條快速有效的途徑。傳統(tǒng)的提高室內覆蓋的手段，可以通過室外的宏基站來進行，如增加宏基站的數(shù)目、調整宏基站的天線覆蓋方向、提高發(fā)射功率等。但是這種方法缺點是：能耗大、成本高、效率低、室內覆蓋效果提升不足。此外，針對公共地區(qū)室內覆蓋增強的技術還有一些基于室內天線和網絡部署的解決方案，比如分布式天線技術（Distributed Antenna System, DAS）和微蜂窩基站技術（Picocell）等，并可以解決大型商業(yè)中心、辦公樓宇、會展中心、機場和火車站等熱點地區(qū)的室內覆蓋不足的問題1-1- Wenchi Cheng, Hailin Zhang, Liqiang Zhao and Yongzhao Li, “Energy Efcient Spectrum Allocation for Green Radio in Two-tier Cellular Networks”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Poramate Tarasak, Tony Q.S. Quek and Francois Chin , “Closed Access OFDMA Femtocells under Timing Misalignment”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Ritesh Madan, Ashwin Sampath, Naga Bhushan, Aamod Khandekar, Jaber Borran, Tingfang Ji, “Impact of Coordination Delay on Distributed Scheduling in LTE-A Femtocell Networks”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Tariq Elkourdi and Osvaldo Simeone, “Outage and Diversity-Multiplexing Trade-off Analysis of Closed and Open-Access Femtocells”, in IEEE Globecom, Miami, Florida, USA, December2010.1-1- Jie Zhang, Guillaume de la Roche, “Femtocells : technologies and deployment”, 2010 John Wiley & Sons Ltd，ISBN 978-0-470-74298-3 (cloth).1-1- K. Graham, “Femtocells beyond the home and office”, Femtocell Europe Conference, London, June 2008.1-1- H. Claussen, L. T. W. Ho, and L. G. Samuel, “An overview of the femtocell concept” ,Bell Labs Technical Journal, vol. 3, no. 1, pp. 221245, May 2008.。然而，這些方法依然存在著施工周期長、部署難、不易管理、網絡建設和運營成本高等缺點，不易部署于或覆蓋家庭房屋和企業(yè)辦公室等一些私有場所，而這些地方隨著業(yè)務量和業(yè)務在整個網絡比重的不斷增長，在B3G/4G網絡中正占據(jù)越來越重要的地位。Femtocell技術可以進一步深入覆蓋家庭和企業(yè)等私有環(huán)境。鑒于femtocell網絡技術的諸多優(yōu)點，femtocell與宏蜂窩共存的層疊網絡理論上可以有效地滿足B3G/4G網絡在高容量和廣覆蓋方面的兩方面的要求。通過對femtocell網絡進行優(yōu)化的部署和管理來實現(xiàn)最大化femtocell與宏蜂窩共存下的層疊網絡容量，可以彌補無線網絡室內覆蓋不足、滿足無線網絡擴容，提高頻譜資源利用率和靈活部署的需求。因此，femtocell網絡技術對于解決B3G/4G網絡建設的網絡容量提升和室內覆蓋優(yōu)化的瓶頸問題有著重要意義。宏蜂窩與femtocell共存的層疊異構網絡將成為一種極具應用前景的組網架構模式，如圖1-2所示。Femtocell作為一個新興的技術受到了世界各地設備制造商、電信運營商的廣泛關注，美國的Sprint network在07年就開始了femtocell商用的嘗試，而新加坡的Starhub，日本的軟銀，和美國的Verizon也在08和09年開始了femtocell的試用，而美國的沃達豐，T-Mobile,AT&T等公司也宣布將發(fā)展femtocell。預計到2012年，全球Femtocell產品預計年出貨量將超過1900萬，發(fā)展趨勢相當可觀1-5。圖1-2 宏蜂窩與femtocell組成的層疊網絡1.2.2 基于不同資源使用優(yōu)先級的主次用戶網絡在日益復雜的電磁環(huán)境下，頻譜競爭日趨激烈，頻譜已經成為了一種異常寶貴的資源，在傳統(tǒng)的“條塊分割”的靜態(tài)頻譜使用政策下，頻譜資源的利用非常不均衡。從時