1、家庭資源管理優化策略一、立題依據（包括目的、意義、國內外現狀和發展趨勢，需結合科學發展趨勢來論述科學意義；或結合國民經濟和社會發展中迫切需要解決的關鍵科技問題來論述其應用前景。附主要參考文獻目錄）（不少于 800 字）移動通信網在近些年來獲得了巨大的發展，在演進中向著第四代通信網過渡。用戶不斷增長的需求和業務量指數級的增長，都對本地室內覆蓋和質量提出了更高的要求。同時在 Wi-Fi等低成本無線網絡競爭下，移動運營商如果不能提供一個室內通話的經濟和高質量方式，幾乎會喪失未來的大部分市場。針對移動通信網和ernet/IP 網融合的趨勢，各標準化組織提出了家庭(稱為 HeNB 或 Femto)技術。

2、家庭HeNB 是一種小型、低功率蜂窩技術，通過固網寬帶回程，面向住宅或企業環境，實際上是在有線網末端最后的無線化，主要用于室內場所，作為蜂窩網在室內覆蓋的補充，通過有線網絡連接運營商網絡，為用戶提供移動網無線話音及高速數據業務。不僅提高了可靠性，而且降低了宏蜂窩網絡的業務負載。家庭所在網絡及其相關網元共同組成了家庭子系統，是移動通信網中重要的室內接入側場景，其與傳統宏共同組成了雙層網絡(Two-Tier Network)系統。家庭響。的引入對于傳統規劃的宏蜂窩網絡結構造成了影這種通信環境的復雜性使得家庭和宏蜂窩之間的干擾管理問題變得尤為重要。因此，對 LTE 系統在宏蜂窩和家庭實意義?；旌暇W絡

3、下的干擾管理就具有十分的理論價值和現目前，3GPP RAN4 工作組集中了和 TDD 家庭的干擾管理方案，為了保持與 3GPP LTE 以往版本的兼容性，針對引入 HeNB 后同信道干擾的問題，3GPP LTE 建議采用無線資源分配的度出發，實現干擾管理。進一步的，相對于單一無線資源分配策略，為了適應于劇烈網絡條件變化，針對多用戶需求和有限無線資源的資源動態聯合分配成為抑制雙層網絡系統中干擾的更為有效的途徑。無線資源分配體制的設計方法是跨層聯合設計，其是打破傳統的分層設計的理念，將原來被分割的網絡各層作為的整體進行設計、分析、優化和控制，綜合利用有限的無線資源，以提高整個網絡的性能。按照這個理

4、念，無線資源分配模型通常采用最大化網絡效用模型，通過建立效用函數，將系統中各類資源對于不同層用戶的效用成實數，并將所有用戶的效用作為系統優化的目標，而將系統對各種資源的限制作為模型的約束條件，從而將資源分配問題轉化為數學優化問題。13GPP TS 36.300 V10.1.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio Acs (E-UTRA) and EvolvedUniversal Terrestrial Radio Ac 09 2010.s Network (E-UTRAN): Overall description: Stage 2”, 3GPP,23.

5、 LTE系統中家庭干擾管理J. 2011, 等. 干擾控制技術在LTE家庭中的應用J. 現代電信科技, 2010, 40(5)-2010, 40(5). LTE系統中家庭456技術的J. 2011,. LTE系統在同構及異構網絡下的干擾共存J. 2010,.Donghan C, Min S K, Howon L, et al. A study on the green cellular network with femtocellsJ. 2011, 235-240.7Lopez-Perez D, Valcarce A, de la Roche G, et al. OFDMA femtocell

6、s: A avoidanceJ. Communications Magazine, IEEE, 2009, 47(9)-2009, 47(9).onerference8Chandrasekhar V, Andrews J, Gatherer A. Femtocell networks: a surveyJ. Communications Magazine, IEEE, 2008,46(9):59-67.9,. IMT-Advanced跨層優化技術J. 中興通訊技術, 2011,17(5):20-23.Liu Z, Almhana J, McGorman R. A Traffic Specifi

7、c Energy Saving Strategy for Mobile S ions in Wireless Networks: Wireless Communications and Mobile Computing Conference, 2008. IWCMC 08. ernational, 2008C.Bennis M, Guruacharya S, Niyato D. Distributed Learning Strategies for erference Mitigationin Femtocell Networks: Global IEEE, 2011C.munications

8、 Conference (2011), 201112 Nazir M, Bennis M, Ghaboosi K, et al. Learning based mechanisms forerference mitigation inself-anized femtocell networks: Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), 2010Conference Record of the Forty Foursilomar Conference on, 2010C.13 Xiao X, Xiaoming T, Yizhen J, et al.

9、An energy-efficient hybrid structure with resource allocation in OFDMA networks: Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2011 IEEE, 2011C.二、內容和目標（說明課題的具體內容，目標和效果，以及擬解決的關鍵科學問題。此部分為重點闡述內容）（不少于 2500 字）2.1課題目標本旨在針對 LTE 家庭輔助雙層網絡中的干擾抑制進行基礎理論研究和，從無線資源分配與優化方面提出解決方案，為家庭雙層網絡中高效利用頻譜、功率等資源，實現高

10、質量、高能效的無線傳輸提供理論依據。在信道調度與功率分配方面，為了對層間干擾和同層干擾進行管理和抑制，采用凸優化和非合作博弈論等數學工具建模，提出基于超模博弈的信道與功率聯合分配機制，高效合理地實現自適應調度策略。在致密部署區域的 femtocell 層， femto數量的激增會帶來不可預期的干擾，擬引入基站動態開/閉的策略，建立合理的容量模型，實現小區自適應的動態開閉以及相應的用戶調度，在保證用戶服務質量的基礎上實現雙層網絡能效的優化?？傊緦⒅饕鉀Q下一代移動通信系統中引入家庭后的雙層網絡中層內和層間干擾帶來的問題和，實現頻譜和功率等資源的高效、低能耗、合理的分配。2.2 課題內容為實現

11、上述的目標，本的內容主要包含以下兩點：結合 femtocell 雙層網絡的特征，滿足不同層用戶的服務質量需求，建立基于能效的優化目標函數，應用超模博弈非線性數學規劃的方法進行求解，實現信道和功率聯合調度問題，從而減小同層干擾和跨層干擾，優化 femtocell 雙層網絡的網絡效用，提高全網的能量效率。2.2.1 信道和功率聯合資源分配策略宏的遠大于家庭，同時其較家庭擁有的子載波資源，所以在聯合資源調度的過程中不僅需要考慮同層干擾，更需要關注跨層干擾。宏或家庭資源調度的任何變動都將產生相應的同層和跨層干擾，影響其他小區的性能，進而影響整個網絡的性能，這就引入了第二個要解決的問題，如何在雙層網絡中

12、合理的進行資源調度，也就是如何進行子載波資源和功率資源的聯合調度，使得網絡性能最優。a) 基于干擾定價的聯合優化目標函數傳統意義上的性能評價指標是以最大化網絡吞吐量為目的，通常通過在一定約束條件下增大來實現的，這會增加網絡的能量損耗。在綠色通信中，為了綜合考慮網絡吞吐量以及相應的能量損耗，能效的概念被引入，度量了以每焦耳能量所能傳輸的數據速率。由于家庭本身的并不高，所以這種基于能效的優化目標在實際雙層網絡的資源調度中更具實用性。充分考慮 IMT-Advanced 系統中不同類型間的聯合組網方式的特點，將通過合作的方法解決同頻干擾的問題。在以能效為效用函數的基礎上，充分超模博弈的特點，為了獲得帕

13、最優解，進一步引入定價函數，用以約束博弈者的自私行為以達到博弈的均衡點。b) 基于迭代優化的聯合資源調度問題由于子載波分配和功率分配問題具有一定關聯性，這就使得雙層網絡中的資源調度問題更為復雜。由于聯合調度是一個 NP 難問題，所以通常通過“兩步”迭代調度的方法求其次優解，并證明迭代算法的收斂性。在功率分配方面，設計基于超模博弈的功率控制自優化機制，根據基于能效的非合作博弈模型，為宏和家庭建立基于能效和定價的效用函數，能更高效的提高資源利用率。在博弈過程中，各最大化其各自的效用，從而確定功率優化自調整決策，實現功率的分布式配置管理，并通過博弈過程，網絡的整體能效。在子載波分配方面，采用匈牙利算

14、法，根據圖論的理論將子載波分配的問題轉化為二分圖最大匹配問題，將子載波集合和用戶集合作為二分圖的兩部分，尋求最大匹配，也即找到滿足約束條件的最優子載波分配方案。傳統的求解方法是先找出全部匹配，然后保留匹配數最多的，然而這種算法的時間復雜度為邊數的指數級函數，因此，采取匈牙利算法這種更為高效的算法，利用增廣求解最大匹配，能更高效的實現最優子載波分配。在分別分析功率分配載波分配的基礎上，通過聯合資源調度得到最優功率-子載波資源分配方案，最大化網絡性能指標，提高網絡的整體能效。2.2.2動態開/閉策略目前，3GPP節能的工作組主要有 SA5 和 RAN3，自 R9 開始提出有關節能增效的方案，包括：

15、提高 RF 功放效率或減小使用 RF 的個數、把多載波聚合到一個單載波鏈傳輸、采用動態開/閉部分小區、采取非連續發射或非連續接收的方式進行通信以及動態分配頻譜等。其中，現有的動態開閉機制受到無線環境時變性、移動用戶負載不均衡、業務流量多變且分布不均勻的限制，容易造成用戶掉話率高、網絡性能降低，尤其是在家庭雙層網絡點可控性變差，網絡環境與網絡架構也更為復雜，傳統單一節點網絡中的節能管理與相應的控制方案不能滿足 IMT-Advanced 移動通信網絡環境快速多變的要求，難以針對用戶的服務需求多樣性和網絡流量負載決策的時變性，以較低的系統開銷和能源消耗實現高速率、高服務質量通信。盡管單個家庭的能耗很

16、低，但隨著部署數量和密度的增加，其能耗累積非常巨大，并且復雜多變的網絡結構使得管理和優化雙層網絡相當。因此，基于家庭的雙層網絡中，femto基于綠色接入的 femto動態開閉策略十分有意義。動態開閉策略，在保證用戶服務質量的前提下，擬建立基于負載均衡的容量效用模型，提出有效的動態開閉、執行機制，同時實現動態的頻譜資源分配，實現綠色接入，提高頻譜利用率，優化網絡的魯棒性，實現節能增效，為下一代移動通信系統能方案的實施提供重要的理論依據。a) 基于負載均衡及用戶服務質量的容量效用模型針對動態開閉的門限設置，也即建立合理的容量效用模型，應兼顧負載與用戶質量兩個重要元素，目前所動態開閉效用模型多未能充

17、分考慮小區業務流量模型的特點，從而不能更為有效地節能；或一味只追求網絡能耗的最小化而忽略用戶服務質量。因此，有必要結合小區業務流量模型特點和用戶 QoS 需求略。高效節能的小區黑白動態調整策因此，擬考慮建立基于小區負載和用戶服務質量的效用模型，給網絡負載和用戶 Qos 賦予不同權重取和，運用合理的數學工具建模，實現滿足用戶的服務質量要求的前提下有效地減小網絡能耗。b) femto動態開閉執行算法雙層網絡中難以控制站點的引入及用戶服務質量需求的多樣性，網絡拓撲結構的多變性，網絡負載的動態時變性，導致動態開閉觸發條件的設置受多種影響。當觸發條件設置較高，將會調節機制變得低效，從而致使全網絡節能效果

18、不顯著，還將帶來網絡開銷大的影響；當觸發條件設置較低，將會導致關閉小區用戶業務中斷與覆蓋盲點，進而網絡性能嚴重，用戶服務質量隨之變差。因此，在保障用戶服務質量前提下，如何根據無線網絡復雜多變的特性設置合理的動態開閉觸發條件實現網絡的節能增效是本課題需要解決的問題之一。c) 時頻資源動態分配用戶服務質量需求的多樣性，網絡拓撲結構的多變性，網絡負載的動態時變性以及網絡無線環境的復雜性使得雙層網絡中無線資源優化分配策略極大的。同時針對動態開閉策略下，需要綜合考慮負載的變化和用戶的 Qos 保證來設計更為適用的資源動態分配方案適應蜂窩無線網絡中高動態性的網絡環境，為用戶合理分配頻譜資源，改善服務質量，

19、系統能效，實現綠色接入。三、方案設計及可行性分析（包括：800 字）方法，技術路線，理論分析、計算、實驗方法和步驟及其可行性等）（不少于3.1方案3.1.1 信道和功率聯合資源分配策略擬引入超模博弈理論，針對系統資源受限的特點，首先設計一種符合超模博弈的效用函數，在效用函數中考慮減小跨層干擾的問題，在求解過程中先將問題分解為已知功率分配的信道分配問題，接著在已經信道調度結果的基礎上分配功率，實現適用于雙層網絡的多信道多用戶的資源分配機制，優化家庭雙層網絡的網絡效用，提高資源利用率。功率控制方面，通過分析基于能效和定價因子的效用函數模型以及博弈決策，證明功率控制滿足超模博弈的條件，進而應用超模博

20、弈的理論求解最優功率分配，實現網絡能效最大，并證明均衡點的存在性和唯一性。子載波分配方面，需要在滿足子載波的約束條件下，尋求子載波與用戶間的最佳配對，擬考慮采用圖論中的匈牙利算法進行求解，該算法能有效降低計算復雜度，更高效的進行子載波分配，網絡整體能效性能。3.1.2 家庭動態開/閉策略由于開閉的延時一般都遠長于時頻資源動態分配，因而可以考慮在短延時內分析網絡負載以及用戶質量來進行資源分配，在長延時條件下根據容量效用模型進行家庭開閉和執行。資源分配方面，頻率、功率資源的分配和復用，一方面需要考慮如何降低家庭間以及宏與家庭間的干擾，同時還需要盡可能最大化能量效率，實現頻譜效率和能量效率的最優折中

21、。開閉和執行方面，擬采用聚類算法，其原理簡單并便于處理大量數據。但它對初始聚類中心依賴性比較大，可能會陷入局部最優值。而且當聚類數比較大的時候，這種缺點更為明顯，往往要經過多次聚類才有可能達到較滿意的結果。因此將聚類用于家庭分類時如何優化的算法性能還需要深入。3.2 可行性分析本，內容具體，選題具備前瞻性。本擬引入家庭的雙層網絡中資源分配，實現高效的信道與功率等資源的分配，有效抑制雙層網絡中的跨層和同層干擾，提高頻譜有效性和能量有效性。通過廣泛收集了國內外在家庭，信道調度與功率分配及移動性管理等方面的最新成果，深入調研了本課題所涉及的各項的現狀，并分析了目前已有方案所存在的缺陷，為本課題的打下

22、了堅實的基礎。本人曾參與過多項國家專項、國家自然基金等科研項目，在過程中形成了較為成方法，了解已有的成果、分析和解決方法，能夠有針對性的進行創造性思維?？傊?，本擬采用的理論分析的方法可操作性強，擬采用的技術路線對各種均做了充分考慮，充分利用國內導師和所在的各項學術資源，為課題的順利進行打下基礎。四、本課題可能的創新之處（不少于 500 字）與現有的成果相比，本課題的創新和特色之處在于在引入家庭的雙層網絡中資源分配策略，包括基于干擾定價的非合作博弈聯合資源分配策略，家庭動態開閉策略，從而有效解決家庭雙層網絡中的資源分配問題，具體如下：4.1 信道和功率聯合資源分配策略對于現有中對雙層網絡中跨層干

23、擾問題，本文引入超模博弈理論，針對系統資源受限的特點，首先設計一種符合超模博弈的效用函數，在效用函數中考慮減小跨層干擾的問題，實現適用于雙層網絡的多信道多用戶的資源分配機制，優化家庭雙層網絡的網絡效用，提高資源利用率，較好的解決了跨層干擾問題。同時對于現有網絡中資源有效性不高的缺點，本文將針對家庭雙層網絡中資源分配中的能量有效性問題，實現的減少，能夠提高能量有效性，實現網絡的“綠色”節能環保。4.2 家庭動態開/閉策略動態開/閉機制未能充分考慮小區業務流量模型的特點，從而不能更為目前所有效地節能；或一味只追求網絡能耗的最小化而忽略用戶服務質量。因此，本文將結合小區業務流量模型特點和用戶 QoS 需求高效節能的動態開/閉動態調整策略。目前大多數資源分配機制只是為了網絡性能（如網絡吞吐量、系統容量等），沒有考慮網絡能效這一質量指標；少部分資源分配機