基于微粒群的LTE-Advanced通信系统自适应资源分配算法

论文摘要

由于对高速率数据业务和多媒体业务需求的不断增加,以及移动网络和互联网的加速融合,使得人们对移动通信宽带化的需求日益迫切。在这种需求的驱使下,第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）在第三代移动通信（3G）和准宽带移动通信——长期演进系统（Long Term Evolution,LTE）的基础上提出了LTE的演进方案LTE-Advanced。2010年10月20日,LTE-Advanced标准被国际电信联盟无线通信部门确定为新一代移动通信（4G）的国际标准。该标准旨在LTE标准基础上进一步提高传输速率,降低系统延迟,增大系统容量。为了克服无线信道的时变性和频率选择衰落等问题,在LTE-Advanced中使用自适应资源分配技术可以根据无线信道的瞬时特性,向多个用户灵活地分配子载波,避开严重受损信道,提高信号的传输质量与系统的频谱利用率,从而实现频谱资源的高效利用。本文将重点研究LTE-Advanced通信系统的自适应资源分配问题。在实际的应用场景和业务下实现资源的最优化分配属于NP-hard问题,多项式时间内无法求得最优的资源分配方案。因此,如何在系统允许时间内寻找到可接受的次最优资源分配方案成为自适应资源分配技术实现的重点和难点。本文以微粒群算法为主要工具,对LTE/LTE-Advanced框架下的自适应资源分配问题进行了深入的研究。主要包括以下内容:首先,介绍了LTE（Long Term Evolution）以及LTE-Advanced提出的背景以及演进目标。并结合目前频谱资源的现状和面临的主要问题,阐述了自适应资源分配技术在LTE/LTE-Advanced通信系统提高频谱利用率中关键作用。第二,对LTE/LTE-Advanced通信系统中的资源分配问题进行数学建模分析。通过对目标函数的设计以及惩罚函数的引入,简化了数学模型中限制条件的约束,将复杂的自适应资源分配问题分解成多个最优化问题,得出了自适应资源分配的一般模型。同时,介绍了微粒群算法的基本原理,并针对其不足,提出了一种改进型的微粒群算法。该算法在保留原有微粒群算法（Particle Swarm Optimization）优点的同时,通过遗传算法（Genetic Algorithm）与微粒群算法的互补特性,在粒子更新过程中引入交叉和变异机制,增加了粒子的多样性,提高了算法的寻优能力。第三,通过对LTE系统的自适应资源分配问题进行建模分析,针对现有LTE系统自适应资源分配算法的不足,提出一种基于改进型微粒群算法的LTE系统资源分配算法,实现了在不同场景不同业务下的自适应资源分配。第四,在LTE通信系统的资源分配算法和相关结论的基础上,针对LTE-Advanced载波聚合技术的特点,提出基于微粒群的LTE-Advanced载波聚合资源分配方案。在成分载波分配阶段,对子载波采取了次最优预分配,并通过将成分载波分配细化为不同优化目标的两个步骤,实现了资源分配速度上和质量上的有效提升。第五,为进一步降低算法的时间复杂度,借鉴了基于微粒群的LTE-Advanced自适应资源分配算法中成分载波分两步进行的思想,提出一种基于固定式算法的LTE-Advanced次最优资源分配方案。该方案相比于微粒群的资源分配方案牺牲了部分资源分配效果,换取了资源分配的速度,降低了时间复杂度。最后,设计了针对以上算法的LTE-Advanced资源分配演示系统。该演示系统支持自定义的用户拓扑结构和算法参数,并可以根据系统的需要任意选择分配方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 LTE/LTE-Advanced 概述
• 1.1.1 LTE 的提出及演进目标
• 1.1.2 LTE-Advanced 的提出及演进目标
• 1.2 自适应资源分配研究现状
• 1.2.1 基于固定式算法的自适应资源分配
• 1.2.2 基于智能启发式算法的自适应资源分配
• 1.3 学位论文的主要研究内容和结构
• 第2章 自适应分配模型及微粒群算法
• 2.1 引言
• 2.2 自适应分配的一般模型
• 2.3 自适应资源分配模型的化简处理
• 2.4 微粒群算法
• 2.4.1 标准微粒群算法
• 2.4.2 改进型微粒群算法
• 第3章 基于改进型微粒群的LTE 系统资源分配算法
• 3.1 引言
• 3.2 LTE 通信系统自适应资源分配技术的问题和特点
• 3.3 解决方案
• 3.4 基于改进型微粒群的LTE 系统资源分配解决方案
• 3.4.1 LTE 通信系统资源分配问题在微粒群算法下的建模
• 3.4.2 基于微粒群的LTE 资源分配的基本流程
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于微粒群的LTE-Advanced 资源分配算法
• 4.1 引言
• 4.2 多载波聚合的动态资源分配问题
• 4.3 解决方案
• 4.4 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于载波交换的LTE-Advanced 资源分配算法
• 5.1 引言
• 5.2 主要思想
• 5.3 解决方案
• 5.3.1 初始化成分载波分配
• 5.3.2 成分载波分配调整
• 5.3.3 成分载波内子载波交换
• 5.4 仿真结果
• 5.5 微粒群算法与确定性算法对比实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 演示系统
• 6.1 总体设计
• 6.2 系统界面
• 结论
• 参考文献
• 附录A：基于微粒群的LTE 自适应资源分配算法
• 附录B：基于微粒群的LTE-Advanced 中载波聚合资源分配算法
• 附录C：LTE-A 中载波聚合资源分配确定性算法
• 附录D：子载波近似分配方案
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢