UMTS蜂窝-WLAN异构网络中的网络选择策略研究

【摘要】现有的通信网络是多种网络并存的网络：有线网络和无线网络并存；同种协议不同发展阶段的网络并存；不同协议的网络并存。不同的网络形成了复杂的异构网络环境,在相同的区域不同网络具有重叠的覆盖部分,在此区域中用户可选网络集合从传统的单一蜂窝网络增加至多种网络(相同协议或者不同协议的网络)。而由于无线局域网(WLAN,WirelessLocalAreaNetwork)接入点得到广泛的部署,并且其使用的频段与现有蜂窝网络频段不重叠,不会对蜂窝网络产生同频干扰,所以其适合与蜂窝网络融合,形成异构网络,为用户提供高数据速率的接入。在异构网络环境中,合适的网络选择策略不仅可以为用户提供可靠的服务,保证用户总是最优连接,同时可以提升网络的资源利用率。目前,蜂窝网络采用了TDMA、CDMA和OFDMA的多址方式,而WLAN采用基于CSMA/CA的多址方式。采用上述多址方式的蜂窝网络吞吐量计算需要考虑同频复用干扰,而WLAN由于采用了基于竞争的多址方式,其吞吐量的计算需要考虑用户在网络中的状态,包括碰撞状态、正确传输状态和冲突状态。此外,其吞吐量会受到网络中用户与WLAN接入点之间的信道差异而产生性能异常现象的影响。本文考虑两种网络不同多址方式对吞吐量的影响,采用对数的效用函数,建立了以用户最小速率和网络吞吐量为约束,以最大化异构网络效用为目标的优化问题。由于约束条件的非凸性,本文利用二项分布和泊松分布的近似以及WLAN中吞吐量与中断概率的极限关系,将非凸约束转换为分数约束,然后利用数学变换将分数约束转化为线性约束,并且利用对偶法求解问题的最优解,并提出了一种分布式算法来获取最优的网络选择结果。仿真结果表明,在用户热点分布和均匀分布时,所提算法均可以提升WLAN的利用率,降低WLAN中的性能异常对网络性能的影响。异构网络中WLAN提供高速率支持,但是高速率同样意味着终端高的功率消耗。在UMTS蜂窝-WLAN异构网络中,由于WLAN中的功耗模型中需要考虑网络中用户的传输概率和碰撞概率以及空闲概率,本文首先分析了UMTS蜂窝网和WLAN中用户的功率消耗,并据此建立了以用户最小速率和网络吞吐量为约束的最小化用户功率消耗的优化问题。由于约束条件的非凸性,无法直接利用凸优化理论求解。文中利用不等式缩放将乘性约束缩放为线性约束,然后利用优化理论求解最小化用户功率消耗的网络选择策略。文中仿真了用户热点分布和均匀分布场景中,随着用户数增加网络中用户功率消耗的变化。仿真结果表明,所提算法可以有效降低用户的功率消耗。
【作者】文春阳；
【导师】邱玲；
【作者基本信息】中国科学技术大学，通信与信息系统，2014，硕士
【关键词】蜂窝网络；WLAN；异构网络；网络选择；效用函数；功率消耗；优化；

【参考文献】
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