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第五代移动通信
( 2018-05-27 阅读次 作者:)

对目前国内和国际蜂窝移动通信网络的无线资源优化问题进行了广泛的调研和比较深入的研究,主要研究工作及贡献体现在如下四个方面:

  蜂窝小区间的频率资源分配问题,又称“信道分配”问题,最早在20世纪70年代就有学者进行过专门的研究,其目的是为了提高蜂窝网的频谱利用率、通信容量、以及减少蜂窝小区间的相互干扰。小区间的频率或信道分配,系指在蜂窝移动通信系统中,在多信道共用的情况下,以最有效的频谱利用方式,为每个小区的移动用户提供尽可能多的可用信道资源。

  目前蜂窝移动通信系统小区间的信道分配方式大致可以分为如下三种:
  固定信道分配(Fixed Channel Assignment,FCA);
  借用信道分配(Borrow Channel Assignment,BCA);
  动态信道分配(Dynamic Channel Assignment,DCA)。

  对于一个实际的蜂窝网,虽然一个频率(或载波)往往含有多个物理信道(TDMA时隙或CDMA码道),但是当一个蜂窝小区(简称小区)的物理信道的需求数发生变化时,相应的频率需求数也往往会发生变化,小区间的频率分配和物理信道的分配,其算法在实质上是一样的。

  DCA则并不给每个小区预先分配信道,而是将所有信道都集中在一个公共信道池中,信道和小区之间没有固定联系,每个小区只在有新的用户发起呼叫,需要为其分配信道时,网络控制中心(如GSM移动通信系统的移动交换中心)才会给该小区分配相应数量的信道。一旦某小区有用户通信结束,信道释放,该小区不需要再使用该信道,则网络控制中心立即将空闲信道收回到公共信道池中。这样,如果某小区的用户数短时间内急剧增加,网络控制中心就会从公共信道池中给该小区分配更多的信道,以维持该小区的服务质量(阻塞率),只要本小区新增的用户数在一定范围内,则该小区的阻塞率就不会随着用户数的增加而明显增加。相反,对于有些通信负荷较轻的小区,如郊区、农村地区的蜂窝小区,网络控制中心就会相应地给这些小区分配较少的信道,不会造成频率资源的浪费。由此可见,DCA技术的最大优点,就是可以动态地适应随时间变化的通信负荷,自适应地调节各小区的通信容量(可容纳的总用户数)。但DCA也有一个最大的缺点,就是算法非常复杂!实时性要求也很高!这就要求DCA算法的运行速度足够快,以满足移动通信的实时性要求。

图1 蜂窝网区群结构示意图

  1) 小规模蜂窝网的动态信道分配(Dynamic Channel Assignment,DCA)算法。研究了国内外现有的移动通信系统DCA算法能量函数的不足之处,提出了一种新的DCA能量函数(也称代价函数),该能量函数不仅考虑了传统DCA算法的三大约束条件(同场地约束,邻道约束,同道约束)、各小区信道需求数,而且压缩了整个蜂窝网的频率需求总数,即采用了最少的频率总数,提高了频谱利用率。此外,新的能量函数还避开了传统能量函数所采用的小区兼容矩阵,从而使能量函数的各个惩罚参数的调节具有更大的灵活性。

  每个小区分配5个信道(中等通信负荷),然后运行NCNN,得到的信道分配结果如图2所示:

图2 每小区5个信道的分配表(频率压缩)

  2) 大规模蜂窝网的DCA算法。根据现有文献的广泛调研,国内外现有的DCA算法均只考虑了小规模蜂窝网,其小区数目最多没有超过49个,对于大规模蜂窝网的DCA算法,则一直是国际上的研究空白。而实际的蜂窝网却都是大规模的,小区数目成千上万。因此,欲使DCA算法真正由理论走向工程实践,就必须解决大规模蜂窝网的DCA问题。在此背景下,采用NCNN,提出了一种大规模蜂窝网的DCA算法,该算法首先将大规模蜂窝网分割成多个小规模的分布式蜂窝子网,然后提出了一种改进的能量函数,通过构造子网间的干扰信道表,避开了相邻子网间的相互干扰,以及每个子网内小区间的相互干扰,最后在每个蜂窝子网内独立地运行DCA程序,从而使NCNN的性能保持与小规模蜂窝网DCA算法的同等水平。

图 3 449小区的大规模蜂窝网(分割成9个49小区的子网)

  3) 认知无线电蜂窝网(Cognitive Radio Cellular Network,CRCN)的动态频率分配(Dynamic Spectrum Allocation,DSA)算法。国内外现有的认知无线电DSA技术,普遍集中在Ad hoc网、Mesh网等分布式网络结构。而对于吞吐量更大,技术更成熟的CRCN,则由于每个小区的可用频率不再像普通蜂窝网那样固定不变(随时可能被主用户占用),如何为CRCN的每个小区分配可用频率,并避开对主用户的干扰、以及CRCN小区间的相互干扰,国内外现有的研究成果中,对此问题一直悬而未解。采用大规模蜂窝网DCA算法的能量函数,提出了一种新的DSA算法,该算法根据主用户的占用频率信息,给CRCN的每个小区构造了一个干扰频率表,从而使CRCN能像普通蜂窝网那样进行动态频率分配,并避开了对主用户的干扰、以及小区间的相互干扰。此外,该算法还通过锁定每个小区最低编号的频率,使每个小区能够长时间相对固定地分配一个频率,作为本小区的公共控制信道,便于基站对小区内认知用户的调度和管理。

图4 一个49小区CRCN的频率占用示意图

  4) 小区内多用户OFDM系统的动态子载波、比特、功率联合分配算法。国内外现有的算法,按其优化目标可以分为两大类,一是基站发射功率最小化,即MA优化;二是吞吐量最大化,即RA优化。由于RA优化可以通过迭代的MA优化来实现,所以重点研究了MA优化。现有的MA优化算法普遍存在的问题,是算法的效率不够高,不能很好地满足移动通信系统的实时性要求。采用NCNN,提出了一种新的MA优化算法的能量函数,解决了小区内多用户OFDM系统的动态资源分配问题。相比国内外现有的算法,算法具有更高的效率和性能,可较好地满足移动通信系统的实时性要求。

表1 32子载波8用户的OFDM子载波信道增益

  本人印象最深的就是每次荆州九龙渊广场焰火晚会,当十万民众聚集在荆州古城东门时,当时几乎90%的手机都无法正常通信,这给老百姓的生活带来了极大不便,尤其是在聚会现场需要联系某人或寻找老人小孩更是困难,如果能够解决这个生活中的通信问题,将会极大提高目前国内蜂窝移动通信网络的服务质量。针对此问题,本人自2012年开始,在先期理论研究的基础上,针对目前国内大规模蜂窝移动通信网络的优化存在的问题,进行了深入研究,发现现有的蜂窝网资源优化问题都只能解决小规模蜂窝网,而实际的蜂窝网都是大规模的,如果要想真正走向实用化,则必须解决大规模蜂窝网的资源优化问题。于是本人再次对国内大规模蜂窝网优化问题进行了理论研究,成功提出了一种大规模蜂窝网的资源优化解决方案,并于2014年4月成功获得国家发明专利授权。目前在荆州市民盟各级领导的支持和帮助下,正在将本专利进行技术转让,和三大运营商(中国移动、中国联通、中国电信)进行技术层面的洽谈,以使本专利尽快走向实用,真正服务于社会,服务于我们每一个老百姓。

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