《基于多网融合和能效的无线网络关键技术研究》

《基于多网融合和能效的无线网络关键技术研究》

项目总结报告

一、项目概况

项目名称：基于多网融合和能效的无线通信网络关键技术研究

立项时间：2016.7

项目编号：BY2016076-13

项目负责人：衡伟

合作企业：溧阳二十八所系统装备有限公司

经费情况：江苏省科技厅拨款60万元、合作企业配套160万元。在项目执行过程中实际省拨款60万元，企业实际配套170.5万元，使用情况见决算表。

主要研究内容：

1)引入协作博弈论，建立基于协作博弈论的协作中继网络基本框架，建立基于原节

点多目标优化模型，提出协作中继网络资源分配方案，并通过理论分析和仿真实验验证，评价和比较所提算法的性能。

2)研究不同的休眠网络拓扑结构，建立以最小化系统能耗为目标的优化模型，在满

足用户服务质量的前提下，分析不同负载的休眠网络拓扑结构对系统能耗的影响，提出低复杂度的休眠小区用户介入算法，通过仿真验证，评价所提算法的性能。

3)研究协作通信系统中基于能效的基站动态成簇方案以抑制簇内小区间的同频干

扰，提出能够自适应地跟踪信道信息变化的动态成簇算法，使其相对静态成簇方案有明显改善，通过仿真验证所提算法的性能。

4)研究跨层优化的方法论，对共存的异构网络多网融合的空中接口进行建模、优化

空中接口紧耦合联合接入策略，建立普适、准确的空中接口抽象模型，刻画异构网络的空中接口特性，以提高多网融合系统的整体接入性能。

二、项目实施情况

本项目主持单位东南大学，合作企业溧阳二十八所系统装备有限公司。

项目实施计划如下：

东南大学主要负责项目总体方案制定、关键技术研究、多网融合无线通信性能评估实验平台硬件电路设计、软件算法设计、验收文件，单位溧阳二十八所系统装备有限公司负责工艺设计、评估实验平台数据分析及应用等。在上述项目组织和运行机制的框架下，双方组成联合研发团队，进行项目攻关，在完成项目任务书指标的前提下，对本项目提出更加具有前瞻性和实用性的任务需求，通过对移动无线网络中的多网融合紧耦合联合接入机制及降低能耗的资源分配算法的研究，提高当前移动无线网络多网融合空中接口切换的准确性和可靠性，保障用户的QoS需求，降低网络运营成本，进一步推动多网融合无线通信技术的研发和应用；建立多网融合无线通信性能评估实验平台1套；发表学术论文13篇（其中SCI检索6篇，EI检索5篇）；申请国家发明专利12项（其中6项已获授权）；培养博士研究生3名（其中2人已获博士学位），硕士研究生8名；该项目为企业新增效益约2500万人民币，新增利税210万人民币。

本项目预算包括：江苏省科技厅拨款60万元、合作企业配套160万元。在项目执行过程中实际省拨款60万元，企业实际配套170.5万元，使用情况见决算表。

项目已经完成，达到了合同要求的各项指标。经费执行符合合同预算。

三、项目技术情况

1.主要研究内容及技术路线

1.1.基于能效的单小区协作中继网络资源分配算法

协作中继网络可以有效地扩大无线通信系统的覆盖范围，提高无线链路的通信质量，被认为是5G移动通信系统的关键技术之一。随着微蜂窝及微微蜂窝技术在5G通信网络中的应用，小区范围不断缩小，中继节点发射功率小、部署灵活等特性使得协作中继技术非常适合于5G网络。因此，在未来的5G网络中，协作中继技术将会起到举足轻重的作用。

已有关于协作中继网络资源分配问题的相关研究大都是基于网络节点的无私性展开的，即网络中的所有节点都无条件配合源节点的协作传输，而未考虑协作个体的利益得失。在绝大多数实际无线协作场景中，节点通常资源受限，因此对于来自于网络中其他节点的协作请求，中继节点通常表现出自私性。这要求决策者在资源分配算法的设计过程中，既需要考虑

网络整体利益又要兼顾节点的个体利益。本课题针对由自私性两节点组成的对称协作中继网络，提出了一种基于非协作博弈论的带宽资源分配算法。以非协作博弈论为工具，建立了一种带有竞价机制的对称协作中继网络博弈模型，通过建立有效的激励机制，使得自私节点能通过协作资源的共享而获得公平的回报，从而积极参与协作传输。仿真数据表明，所提出的纳什均衡带宽分配策略和Pareto改进策略，在系统效能方面较之平均分配方案提高最高可达30%以上。

1.2基于能效的多小区协作网络基站调度算法研究

本课题对基于基站休眠能量节省算法进行了详细深入的研究，首先研究了蜂窝网络在低负载业务场景下的能量节省问题。在保证用户的最小数据速率的条件下，通过休眠模式使系统的能量消耗最小。休眠小区的用户如何接入周围活跃的小区的基站对能量节省问题至关重要。我们提出了一种低复杂度的接入算法，即用户轮询基站接入算法。提出算法的复杂度比穷搜算法要低，但是和穷搜算法具有相同的性能。在低业务负载条件下，我们所提的算法比基站全开的情况下能节省更多的功率。

1.3基于能效的多小区协作网络自适应动态成簇算法研究

多基站协作，在无线通信系统中也称为多小区协作、网络MIMO、协作多点传输（CoMP），为充分开发系统空间自由度提供了可能，在一个合作单元内的基站合作形成一个簇，如图3.1所示，区域内基站合作形成两个簇（浅色区域和深色区域）。这样通过协作，簇内小区间的干扰将得到有效抑制。理论上，同一簇内基站数目越多，对小区间干扰抑制越明显；但在实际中，更多的小区协作意味着更多的反馈开销、计算开销和骨干网络传输开销，这一情况使得同一簇内小区数量不能太多。部分场景下，过分协作将会降低网络的能量效率。已有的协作多点传输文献中，对网络自适应决定是否采用协作多点技术的研究尚不完善。因此，本课题设计了一种新的低复杂度动态成簇方案，能够自适应的跟踪信道信息的不断变化，可以使得系统性能相对静态成簇方案得到明显的改善。

1.4异构网络多网融合中空中接口紧耦合联合接入技术研究

传统的无线通信系统是根据严格分层模块化设计思想得到的，不能最大限度地发挥无线通信系统的性能，传统的分层设计得到的系统通常只能考虑在最差通信条件下工作的状态，无法充分利用有限的无线传输资源，损失了无线通信系统的无线频谱资源利用率和性能。

系统级仿真需要考虑很多参数，虽然具有较高分辨率，但是系统仿真较长的仿真时间将产生沉重的计算负担。特别是当需要快速的评估某些瞬时条件改变后系统的性能时，漫长的仿真过程和冗长的仿真时间将变得不可接受。因此，采用链路级仿真(Link Level Simulation, LLS) 和系统级仿真分层的策略，对于无线通信系统性能的评估是必不可少的。另外，无线通信系统对空中接口的依赖性决定了异构网络紧耦合融合的关键在于异构的空中接口技术的紧耦合联合接入。不同的通信网络的空中接口技术存在明显的差异，因此针对某一种特定无线网络的空中接口优化策略无法适用于异构网络融合构成的通信系统。同时，不同网络的通信协议分层不尽相同，因此，针对异构网络融合的优化必须考虑异构网络层间信息的交互，即跨层设计与优化。

本课题研究了跨层优化的方法论，对共存的异构网络多网融合的空中接口进行建模、优化空中接口紧耦合联合接入策略，建立普适、准确的空中接口抽象模型，刻画了异构网络的空中接口特性，提高了多网融合系统的整体性能和能效。

多网融合无线通信性能仿真平台实物如图4.8所示