无线宽带移动网络中面向用户体验保障及用户行为驱动的时频资源转换机制研究

Aiming at addressing the difficulty in provisioning satisfied quality-of-experience (QoE) to the users in a wireless broadband mobile network suffering from explosive increase of data traffic, in this proposal we propose to study a novel solution based on an approach named time-frequency resource conversion (TFRC). In this solution, we take into consideration the behavior of the communications' end user, human beings, when optimizing the network performance. In specific, when allocating the wireless resources, we decrease the spectrum resource of a connection serving an application which is not focused by its end user, by utilizing the proposed approach to generate the "artificial spectrum holes". Thanks to the newly proposed approach, the network is able to admit more data traffic without degrading the QoE of the existing wireless users. The proposed research will be directed at four thrusts: 1) the tradeoff problem among the per-user QoE risk, the efficiency of time-frequency resource conversion, and the fairness of QoE risk sharing when applying the proposed approach; 2) optimizing TFRC based on predictable traffic load; 3) adaptive and optimized design of the transport layer protocol suitable for TFRC technique; and 4) connection admission control for a network with TFRC and TFRC-based inter-cell interference suppression. On one hand, the research outcome will lead to new ideas and design approaches to resource optimization and QoE provisioning in the wireless broadband mobile networks; on the other hand, it will provide theoretical guide to the practical development of this newly proposed technique.

本课题针对无线宽带移动网络数据流量快速增长和用户QoE保障需求间的潜在矛盾提出了一种基于时频资源转换的全新解决方法。提出把硬件性能不断提升后通信的使用者"人"的行为作为网络优化的一个因素考虑进来- - 在无线资源分配时，通过时频资源转换以制造"人工频谱空洞"的方式来减少对用户体验不起作用的连接所占用的频谱资源，以此帮助网络在不降低现有用户QoE的情况下更加高效地吸收更多的数据流量。围绕时频资源转换，本课题主要研究以下四项关键技术：时频资源转换中的风险、效率和公平性折中问题、基于负载预测信息的时频资源转换优化方案、针对时频资源转换的传输层协议适变优化方案，以及基于时频资源转换的接入控制和邻小区同频干扰抑制。课题的探索和结果一方面将为无线宽带移动网络的资源优化和用户体验保障提供新的研究思想和设计方法，另一方面也将为该技术未来可能的实用化发展提供理论指导。

为了解决目前无线宽带移动网络拥塞和用户QoE保障难的问题，提出了一种利用用户行为信息的新无线资源管理策略——时频资源转换。其基本思想是尽可能把无线资源用在对用户QoE起主导作用的正在被关注的业务或者连接上。相反，通过回收用户不关注的连接所占用的频谱资源来制造“人工频谱空洞”，从而帮助网络承载更多的业务流量或者提高用户的QoE保障能力。. 因为时频资源转换是一项全新的技术，所以我们在开展研究时希望能同时展现其对于系统层面性能指标的影响。为此，我们首先设计了基于QoE风险函数优化的最优单用户时频资源转换策略。其次，选择网络的会话层性能作为系统层面的技术指标，设计了面向最优单用户时频资源转换的LTE类小区双门限接入控制策略。然后，从分析和仿真两方面研究了LTE类型网络使用该新技术后的性能增益。从而首次完整地给出了时频资源转换技术的一种实现方法，并且系统地证明了该技术对于网络容量提升和用户QoE保障的作用。. 然而，如果要在接入控制层面为网络设置最佳的系统参数，我们会受到高维诅咒问题的影响。鉴于这一具体问题对于所提技术实际落地的影响，我们以LTE类型的蜂窝网络为例，进一步研究了基于时频资源转换的调度算法设计。我们把利用时频资源转换的请求调度问题建模成一个联合请求、信道和时隙分配的优化问题。针对这一优化问题，我们设计了一种离线的基于通货紧缩和序列固定的多项式时间复杂度算法。为了使时频资源转换技术能够在实际使用中有更好的应用价值，我们还设计了两种基于该技术的在线调度算法。仿真表明所设计的基于时频资源转换的调度算法无论在系统收益还是请求完成率两方面都优于没有基于时频资源转换的调度算法，说明该技术对于提高运营商收益和保护用户QoE性能的双赢效果。最后，我们通过理论分析研究了时频资源转换对于在线调度算法的性能增益，仿真验证了分析的准确性。. 为了进一步减少中心化时频资源转换策略带来的开销问题，我们还从多用户联合但分布式的频谱资源管理入手，研究了基于拍卖理论的在用户QoE风险约束下的分布式接入控制和频谱资源管理问题。所提方案中的接入控制决策是根据基站和网络内所有用户的状态信息一起做出的，能够自适应网络负载变化，所以可有效满足制造充足但又不过多的“人工频谱空洞”以适应动态变化的流量需求和确保被时频资源转换用户的QoE要求。