周期性蜂窝机器通信调度关键技术研究

Existing cellular machine-to-machine (M2M) communication methods are based on distributed random competition. For these existing methods, the wireless resource utilization efficiency is low. To solve this difficulty, we propose the periodic cellular M2M communications concept. Concretely speaking, we have recognized that most cellular M2M communications actually generate data in the periodic manner. To make full utilization of this periodicity property, the periodic access method shall be adopted in which all machine users shall transmit their data on the wireless resources which are scheduled and reserved by cellular base stations according to the periodicity properties of all machine users. In this periodic access method, the key is the scheduling algorithm whose task is to multiplex the periodic data which is generated by the massive machine users with different periods and quality-of-service requirements as compact as possible. Therefore, using the scenario as the clue, this project decomposes the key scheduling problem of periodic cellular M2M communication into the following ten specific sub-problems: basic scheduling, capacity analysis, traffic shaping, robustness enhancement, interference control based scheduling, interference avoidance based scheduling, cross-layer resource scheduling, multi-mode coexistence scheduling, mode handoff, and adaptive scheduling. By studying and solving these sub-problems in sequence, we can finally get the complete scheduling scheme for practical cellular M2M communications which can realize the significant improvement of cellular M2M communication capacity performance.

已有的蜂窝机器通信方法都是基于分布式随机竞争的，其无线资源利用效率低下。为了解决这个难题，我们提出了周期性蜂窝机器通信的概念。具体来说，我们辨识出大多数蜂窝机器通信其实是以周期性方式产生数据的。为了利用该周期性特征，应该采用周期性接入方法，即机器用户在蜂窝基站根据周期性规律调度预约的无线资源上传输数据，从而可以提高无线资源利用效率。在周期性接入方法中，关键在于其中的调度算法，即如何将具有不同周期与服务质量要求的海量蜂窝机器用户的周期性数据尽可能紧凑地复接在一起。为此，本项目以场景为线索，将周期性蜂窝机器通信中的调度关键问题依次分解为基础调度、容量分析、流量整形、鲁棒性增强、干扰控制调度、干扰避免调度、跨层资源调度、多模式共存调度、模式切换、自适应调度等十个具体子问题，逐层推进开展研究工作，最终得到适用于实际蜂窝机器通信的完整调度方案，以实现蜂窝机器通信容量的根本性提高。

本项目围绕蜂窝机器通信中的资源管理问题，针对基本场景、蜂窝直通场景、使用蜂窝未授权频段接入场景、以及蜂窝边缘云计算场景，以保证机器用户服务质量、高效利用无线资源为目标，全面开展相应的蜂窝机器通信资源分配与调度算法研究工作，提出适用于不同蜂窝机器通信场景的资源管理方案，并运行计算机仿真试验对所提方案进行性能评估与分析验证，完成了研究任务。本项目共发表论文22篇，其中SCI检索论文7篇，EI检索论文15篇，申请或授权中国发明专利7项。对本项目取得的重要结果简介如下。首先，针对基本场景，提出了多业务横向隔离的无线资源分配方案；提出了基于粒子群优化的和基于模拟退火的基站选址算法；提出了一种迭代进行的无线资源分配和基站部署的联合优化算法以优化通信覆盖范围；与江苏省电力公司南京供电公司合作开展智能电网无线专网试点应用工作，获中国电力企业联合会2016年度电力行业信息化优秀成果一等奖与2018年度中国电力科学技术进步奖三等奖。第二，针对蜂窝直通场景，研究了蜂窝直通的干扰图构造问题，提出了一种干扰图构造协议，包括公告和冲突解决两个阶段，并以迭代的方式执行。对该协议进行了理论分析，并研究了该协议与实际干涉图的收敛性。第三，针对使用蜂窝未授权频段接入场景，分别针对理想信道和饱和业务模型以及快速衰落信道和不饱和业务模型的条件下，为蜂窝非授权频段接入与WiFi共存系统建立了二维离散马尔科夫模型，理论推导了共存信道效率性能的解析表达式，并评估了网络规模、信道差错、竞争窗长度及退避阶大小对系统性能的影响。在该理论模型基础上，提出了一种自适应蜂窝非授权频段接入机制，提出了一种基于广播能量图案的蜂窝无授权频谱接入内部协调及系统间冲突避免机制。第四，针对蜂窝边缘云计算场景，提出了基于粒子群搜索、混合最早结束时间、部分关键路径等思路的计算资源分配算法；提出了一种对蜂窝边缘云计算系统进行建立数学模型与理论分析延时性能的完整方法，包括建立延时图、拥堵接入点或链路估计、以及延时图最长路径计算等步骤；提出了一种计算接入点信息表结构以及相应的蜂窝边缘云计算系统中的分布式计算资源选择方法；提出了一种基于延迟李雅普诺夫函数的子载波、基站、发射功率和计算虚拟机资源的联合调度算法。上述研究成果与所提算法将为解决蜂窝机器通信中的资源分配与调度问题起到重要作用。