面向大规模无线网的分布式接入点选择和波束赋形优化方法

To accommodate the explosive demand for wireless data, a large number of heterogeneous access points (APs) are densely deployed to provide overlapped coverage for mobile users. The resultant large scale wireless network (LSWN) has become the tendency of future wireless networks. In addition to traditional network management approaches such as beamforming, AP selection can further improve the network spectrum efficiency by optimizing the AP-user association. However, the frequently switching AP-user association and the high complexity of solving the large scale problems in a centralized manner increase the difficulties of network management. In this proposal, we consider maximizing the network spectrum efficiency by jointly optimizing the AP-user association and beamforming, and aim to propose distributed algorithms to solve the large scale optimization problem efficiently. First, to avoid frequently switching AP-user association, we design a novel AP selection strategy balancing the spectrum efficiency and the AP-user association stability, and then formulate the joint AP selection and beamforming problem correspondingly. Second, we establish the distributed problem-solving framework by performing complexity analysis and problem separation. Finally, we propose low complexity algorithms within this distributed framework. Specifically, considering that the network nodes may have different computation capabilities and thus the synchronous distributed algorithms can become inefficient for waiting for the slowest node, we develop asynchronous distributed algorithms to achieve high efficient network management and data transmission. It can be anticipated that the proposed research will get breakthroughs and innovations on the management for LSWN. Methodologies developed will promote the development of large scale wireless communication systems.

密集部署大量异构接入点的大规模无线网是无线网络发展趋势。为提高网络频谱效率，可在波束赋形等方法基础上进一步对网络接入关系进行优化。然而，接入关系频繁切换导致网络管理混乱，大维优化问题集中式求解的高复杂度加重了网络管理负担。为此，项目面向大规模无线网的频谱效率优化问题，以接入点选择和波束赋形联合优化为技术路线开展研究：首先，为避免接入关系频繁切换，研究兼顾频谱效率和接入关系稳定性的接入点选择策略，并基于该策略建立接入点选择和波束赋形大维联合优化问题模型；其次，研究该大维优化问题的复杂度以及分解和降维方法，为其构建分布式求解框架；最后，在上述框架下研究低复杂度分布式算法，特别是针对网络节点的异构特性研究基于异步策略的分布式优化算法及收敛条件，突破低速节点运算能力对算法效率的限制，实现高效分布式网络管理和数据传输。研究成果有望形成知识产权，为构建大规模无线通信系统提供理论和技术支撑。

密集部署大量异构接入点的大规模无线网是无线网络发展趋势。为提高网络频谱效率，可在波束赋形等方法基础上进一步对网络接入关系进行优化。然而，接入关系频繁切换导致网络管理混乱，大维优化问题集中式求解的高复杂度加重了网络管理负担。为此，项目面向大规模无线网的频谱效率优化问题，以接入点选择和波束赋形联合优化为技术路线开展研究：首先，为避免接入关系频繁切换，研究兼顾频谱效率和接入关系稳定性的接入点选择策略，并基于该策略建立接入点选择和波束赋形大维联合优化问题模型；其次，研究该大维优化问题的复杂度以及分解和降维方法，为其构建分布式求解框架；最后，在上述框架下研究优化问题的低复杂度分布式算法，实现高效分布式网络管理和数据传输。在项目研究周期内，项目组成员围绕上述内容开展研究工作，并取得了一系列研究成果。具体而言，从接入关系的基站端出发，提出了一种考虑接入关系稳定性的基站激活和波束赋形联合优化算法；从接入关系的用户端出发，提出了一种考虑接入关系稳定性的用户接入控制和波束赋形联合优化算法；同时还将基站端和用户端一并考虑，提出了一种基站激活、用户接入控制和波束赋形联合优化算法；将接入控制技术运用于设备直连网络，提出了一种传输模式选择和传输波束联合优化算法；提出了一种面向极大极小公平网络的接入控制和波束赋形联合优化算法；等等。研究成果在国内外重要期刊和会议发表论文19篇，申请专利6项，毕业博士研究生3名，硕士研究生9名；参加国内外学术交流20余人次。研究成果形成了知识产权，为构建大规模无线通信系统提供理论和技术支撑。密集部署大量异构接入点的大规模无线网是无线网络发展趋势。为提高网络频谱效率，可在波束赋形等方法基础上进一步对网络接入关系进行优化。然而，接入关系频繁切换导致网络管理混乱，大维优化问题集中式求解的高复杂度加重了网络管理负担。为此，项目面向大规模无线网的频谱效率优化问题，以接入点选择和波束赋形联合优化为技术路线开展研究：首先，为避免接入关系频繁切换，研究兼顾频谱效率和接入关系稳定性的接入点选择策略，并基于该策略建立接入点选择和波束赋形大维联合优化问题模型；其次，研究该大维优化问题的复杂度以及分解和降维方法，为其构建分布式求解框架；最后，在上述框架下研究优化问题的低复杂度分布式算法，实现高效分布式网络管理和数据传输。研究成果有望形成知识产权，为构建大规模无线通信系统提供理论和技术支撑