C-RAN架構下高能效的資源分配相關問題研究.pdf

1、快速日益增長的無線數(shù)據業(yè)務及大量普及的高速數(shù)據應用，促進了無線通信網絡標準從3G到4G到現(xiàn)在5G的演進，但同時也對現(xiàn)有的網絡架構帶來了許多新的挑戰(zhàn)，如由站點部署的密集化導致的系統(tǒng)功耗的增加等。而C-RAN(CloudRadio Access Network)作為一種新型的網絡架構，為現(xiàn)有網絡架構所面臨問題的解決提供了可能。C-RAN是云無線接入網英文名稱的縮寫，其特點在于將傳統(tǒng)基站中的基帶處理單元和前端無線發(fā)射單元從地理位置上分隔開，通

2、過高速光傳輸網絡將這兩個部分相連接，構成一種分布式RRH（Remote Radio Head，遠端射頻頭）結合集中式BBU（Baseband Unit，基帶處理單元）的架構。其優(yōu)勢一方面在于大大減少了基站選址建設部署方面的開銷及空調等相關配套設施的數(shù)量，降低了運營維護的成本及系統(tǒng)運行的能量消耗;另一方面，集中式的處理架構也使得一些大規(guī)模的資源分配及干擾協(xié)調算法在實際網絡中的應用實現(xiàn)成為可能，網絡性能能夠有效得到提升。而與此同時，C-RA

3、N全新的系統(tǒng)架構也帶來了一些新的技術層面的挑戰(zhàn)，需要針對性地設計高效的多天線協(xié)作算法及無線資源的聯(lián)合調度策略以充分利用C-RAN在架構上帶來的優(yōu)勢。在這樣的背景下，本文從C-RAN整體架構出發(fā)，以提高系統(tǒng)能效為目標，對其中的資源分配相關問題進行了研究，并提出相應的策略。
　　首先是在基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分多址）接入機制的C-RAN架構下進行頻率資

4、源分配及干擾協(xié)調相關方面的策略設計，這部分內容構成了本文的前兩個研究點。第一個研究點是針對同構小區(qū)的小區(qū)部署方式，采用基于部分頻率復用的策略進行頻率資源的分配。這里將小區(qū)劃分為邊緣區(qū)域和中心區(qū)域兩個部分，對于邊緣區(qū)域中的業(yè)務負載提出了一種新型的基于圖染色的動態(tài)頻率資源分配策略，同時考慮了鄰小區(qū)之間的干擾協(xié)調。對與小區(qū)中心區(qū)域的業(yè)務負載提出了以減少系統(tǒng)中處于工作模式BBU數(shù)量的資源分配策略，并將其與小區(qū)邊緣的頻率資源分配策略相結合，得出最

5、終的BBU與RRH的對應資源分配方式。通過仿真和分析驗證了所提策略的性能，相對于現(xiàn)有的較為固定的頻率資源費分配方式及傳統(tǒng)的無線通信網絡架構，其能夠有效提升系統(tǒng)頻率資源利用率，并降低系統(tǒng)總功耗，從而實現(xiàn)較高的能量效率。
　　第二個研究點針對采用基于異構小區(qū)部署的C-RAN架構下的頻率資源分配策略進行了研究，主要在研究點一的基礎上，改進所提出的圖染色算法，使之適用于異構網絡架構。并采用系統(tǒng)級仿真方式，對所提策略的性能進行了驗證。仿真結

6、果表明，相對于現(xiàn)有傳統(tǒng)架構下異構網頻率資源分配策略，所提策略相比于現(xiàn)有異構網架構下的頻率資源分配策略在能效上有了明顯的提高，同時在用戶公平性上也有所提高。與第一個研究點相結合，這兩方面的研究為現(xiàn)有第四代無線通信網絡架構向C-RAN架構的演進提供了資源分配策略上的依據及性能上的參考。
　　之后是在基于RRH多天線協(xié)作C-RAN架構下RRH和BBU的聯(lián)合資源分配策略的相關研究，由本文的第三和第四個研究點所構成。其中，第三個研究點針對靜

7、態(tài)的用戶業(yè)務，考慮多個RRH對用戶的協(xié)作傳輸，通過波束成形向量的設計來實現(xiàn)用戶之間的干擾抑制和資源分配。同時結合BBU自身基帶處理能力限制的約束條件，創(chuàng)新性地將RRH功耗與BBU功耗相結合構造能效效用函數(shù)，并以所提出的系統(tǒng)能效效用函數(shù)的最大化為目標構造優(yōu)化問題。在求解的過程中，將該問題等價地分解為波束成形向量的優(yōu)化問題及BBU資源的調度問題。其中BBU資源的調度問題被構造為一個裝箱問題，并提出了相應的次優(yōu)算法進行求解。通過對兩個子問題的

8、求解，本文設計了該型網絡架構下聯(lián)合RRH天線資源和BBU計算處理資源的資源分配策略，充分利用了BBU架構所帶來的優(yōu)勢。
　　第四個研究點考慮時延敏感類用戶業(yè)務，采用隊列的方式對用戶的數(shù)據到達和處理傳輸進行建模，創(chuàng)新性地從C-RAN整體架構出發(fā)，運用Lyapunov優(yōu)化方法構造結合用戶業(yè)務時延性能和系統(tǒng)能效的聯(lián)合優(yōu)化問題。對所構造的問題進行分解，分別得到數(shù)據許可控制，BBU處理速率控制及RRH到用戶的波束成形向量優(yōu)化三個子問題。通過

9、對這三個子問題的求解得到滿足系統(tǒng)長時能效優(yōu)化的聯(lián)合資源調度策略。仿真結果和理論推導顯示，通過相應的參數(shù)設置，可以在系統(tǒng)的能效性能和用戶業(yè)務的時延性能之間實現(xiàn)折中權衡。結合研究點三，這兩方面的研究為下一代基于多天線協(xié)作的無線通信網絡的設計構建和業(yè)務應用提供了理論及實踐應用上的參考。
　　本文的研究為C-RAN架構在當前及未來無線通信網絡中的應用給出了資源分配相關的策略設計和性能分析，為現(xiàn)有無線通信網絡的架構升級和下一代無線通信網絡的