LTE-A飞蜂窝系统的动态资源分配与性能评价研究

The introduction of femtocell in LTE-A networks can significantly extend indoor wireless coverage and strengthen the signal intensity. The deployment of femtocells alleviates the need for more macrocell base stations, thus greatly reduces the operational cost. This project will focus on the modeling, solving, as well as analyzing the resource allocation and performance analysis problems in the LTE-A femtocell system. The detailed contents include: (1) characterizing the statistic features of channel states and users' behaviors, and modeling the channel and power allocation problem as a Markov Decision Process; (2) using state aggregation, Monte Carlo simulation as well as value function approximation techniques in approximate dynamic programming to develop an approximate algorithm for solving the dynamic resource allocation problem; (3) formulating a stochastic Petri net model for various dynamic resource allocation policies, solving the model by approximation methods, such as model decomposition and refinement techniques, to evaluate the stationary performance of the system; (4) proposing a stochastic packet arrival model for femto mobile stations and service models under different resouce allocation policies using moment generating functions in order to construct a framework for stochastic QoS analysis.

在LTE-A网络中，引入低功耗飞蜂窝（Femtocell）能够显著增大室内无线信号覆盖范围和强度，减少宏蜂窝部署数量，降低运营成本。本项目拟对LTE-A飞蜂窝系统中的资源分配与性能评价问题进行建模、求解与分析，具体研究内容包括：（1）研究LTE-A系统的信道状态与用户行为特征，建立动态分配信道与功率的马尔科夫决策过程模型；（2）运用近似动态规划方法，通过状态空间聚合、Monte Carlo模拟以及值函数近似等方法，设计动态优化模型的近似求解算法；（3）针对资源动态分配策略，建立LTE-A飞蜂窝系统的随机Petri网模型，运用模型分解与精化技术近似求解平均性能指标，评价系统的稳态性能；（4）运用随机网络演算理论，构建LTE-A飞蜂窝系统中飞蜂窝移动站的分组到达模型，并通过矩母函数求解资源分配策略的信道服务模型，建立LTE-A飞蜂窝系统的随机边界性能评价框架。

本项目运用随机网络演算、随机Petri网、近似动态优化等理论，对LTE-A飞蜂窝系统中的资源分配与性能评价问题进行建模、求解与分析，具体研究内容包括：（1）LTE-A飞蜂窝网络的资源分配策略研究；（2）LTE-A飞蜂窝网络的干扰协调方案研究；（3）LTE-A飞蜂窝网络的小区选择切换和接纳控制算法研究；（4）LTE-A飞蜂窝网络的时延分析与性能优化研究；（5）LTE-A飞蜂窝网络的身份认证和密钥协商机制研究；（6）LTE-A飞蜂窝网络的频谱资源定价策略及应用领域研究。本项目通过运用马尔科夫决策过程理论，建立了LTE-A飞蜂窝系统资源分配MDP模型，基于近似动态规划理论设计收敛速度快、求解精度高的近似求解算法，得到MDP模型的动态资源分配策略。利用随机Petri网与随机网络演算理论，对该资源分配策略作用下的系统进行建模，在验证模型正确性后，分析LTE-A飞蜂窝系统平均性能与随机边界性能。上述项目研究成果，一方面，将针对最大化吞吐量、最大化系统容量及最小化系统能耗等目标，研究了LTE-A飞蜂窝系统中信道与功率等资源的动态分配问题，从而为设计高效的LTE-A飞蜂窝系统资源动态分配算法提供理论指导；另一方面，通过研究LTE-A系统中部署飞蜂窝所带来的性能增益，及其随用户动态行为特征与信道状态分布等因素变化的规律，并进行定量的理论分析，为LTE-A飞蜂窝系统的性能优化提供理论依据。