绿色节能通信网络中基站与用户的联合最优接入控制

【摘要】：随着移动网络的快速发展,移动蜂窝网络的能量消耗成本和碳的排放量剧烈增长,能量利用率已经成为了未来绿色节能蜂窝网络的设计准则。在一个典型的蜂窝网络中,基站消耗的能量占据整个网络消耗能量总量的60%-80%。此外,当网络中的业务量较少时,一个基站仍然耗费了其消耗能量最大值的90%。所以,为了提高绿色无线蜂窝网络的能量利用率,减少基站的能量消耗是至关重要的。 在考虑能量利用率和用户服务质量的情况下,动态基站控制机制,如关闭基站,将基站进入休眠模式等,以及用户的接入控制算法是蜂窝网络中的两个重要方面。尽管在之前的研究工作中,已经分别得到了这两种控制算法的最优策略,但是这两种控制机制至今还没有被结合起来。将基站和用户的接入控制过程联合考虑有助于得到两者的联合最优控制。于是,针对基站节能问题,本文提出了基站用户的联合接入控制算法,此算法能够在保证服务质量的同时,获得最大的能量利用率。同时,本文采用bits/J作为能量利用率的衡量标准；将阻塞率作为用户服务质量的衡量标准。而且仿真结果显示了能量利用率和用户服务质量之间的折中关系。此外,为了达到节能的目的,当一些小区中的基站需要关闭时,在开启的基站间应用CoMP网络来保证这些小区的用户服务质量。本文将问题表示为半马尔科夫决策过程。通过求解线性规划方程,能够获得最优解。仿真结果表明,与已有的基站动态控制算法的确定性决策不同,本文获得的最优控制策略是随机策略,换句话说,在某些特定的系统状态下,一个基站是按照一定的概率开启或者是关闭的。 然而,对于拥有许多基站和用户的大型网络,线性规划的方法在计算机上求解速度较慢。于是,本文通过对网络模型进行分析,将用户状态分为基站关联状态和基站非关联状态,然后对这两个状态分别进行分析和数学推导,从而得到基站-用户的联合最优控制策略。该方法得到的最优策略,与线性规划方法得到的最优策略大致相同,但是通过对计算时间的对比,可以发现,基于网络结构的方法计算时间较快,可以满足实时性的要求。未来的工作将考虑数据包流量和服务延迟等问题。 【关键词】：绿色蜂窝网络 基站节能 联合最优控制 结构式求解 随机策略
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 基站节能的研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究概况9-12
• 1.3 本文主要工作及内容安排12-14
• 2 绿色蜂窝网络系统模型14-24
• 2.1 CoMP网络14-21
• 2.1.1 CoMP网络概述14-15
• 2.1.2 CoMP的网络容量15-16
• 2.1.3 基站的能量计算模型16-17
• 2.1.4 CoMP网络中能量利用率的计算17-21
• 2.2 用户接入控制21-22
• 2.3 基站动态控制22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 3 基站-用户的联合最优接入控制24-47
• 3.1 马尔科夫决策过程概述24-25
• 3.2 基站-用户联合最优控制的马尔科夫决策模型25-33
• 3.2.1 状态空间25-26
• 3.2.2 决策时刻和行为空间26-27
• 3.2.3 状态转移概率27-29
• 3.2.4 报酬准则29-30
• 3.2.5 阻塞率限制30-31
• 3.2.6 基站-用户联合最优控制的求解31-33
• 3.3 基站-用户联合控制的最优策略33-46
• 3.3.1 能量利用率和阻塞率性能分析33-36
• 3.3.2 基站-用户联合最优控制策略36-40
• 3.3.3 两类用户的基站-用户联合最优控制40-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 基于网络结构的最优策略47-61
• 4.1 网络模型47-48
• 4.2 非基站关联状态分析48-51
• 4.3 基站关联状态分析51-54
• 4.4 满足阻塞率限制的最优策略54-59
• 4.5 计算效率的比较59-60
• 4.6 本章小结60-61
• 结论与展望61-62
• 参考文献62-64
• 附录A 式(4.1 )(4.2)的推导过程64-66
• 附录B 式(4.12 )中V_k~η(n)的单调性证明66-67
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况67-68
• 致谢68-69

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