基于多网融合和能效的无线网络关键技术研究.docx
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基于多网融合和能效的无线网络关键技术研究
《基于多网融合和能效的无线网络关键技术研究》
项目总结报告
一、项目概况
项目名称：
基于多网融合和能效的无线通信网络关键技术研究
立项时间：
2016.7
项目编号：
BY2016076-13
项目负责人：
衡伟
合作企业：
溧阳二十八所系统装备有限公司
经费情况：
江苏省科技厅拨款60万元、合作企业配套160万元。
在项目执行过程中实际省拨款60万元，企业实际配套170.5万元，使用情况见决算表。
主要研究内容：
1）引入协作博弈论，建立基于协作博弈论的协作中继网络基本框架，建立基于原节点多目标优化模型，提出协作中继网络资源分配方案，并通过理论分析和仿真实验验证，评价和比较所提算法的性能。
2）研究不同的休眠网络拓扑结构，建立以最小化系统能耗为目标的优化模型，在满足用户服务质量的前提下，分析不同负载的休眠网络拓扑结构对系统能耗的影响，提出低复杂度的休眠小区用户介入算法，通过仿真验证，评价所提算法的性能。
3）研究协作通信系统中基于能效的基站动态成簇方案以抑制簇内小区间的同频干扰，提出能够自适应地跟踪信道信息变化的动态成簇算法，使其相对静态成簇方案有明显改善，通过仿真验证所提算法的性能。
4）研究跨层优化的方法论，对共存的异构网络多网融合的空中接口进行建模、优化空中接口紧耦合联合接入策略，建立普适、准确的空中接口抽象模型，刻画异构网络的空中接口特性，以提高多网融合系统的整体接入性能。
二、项目实施情况
本项目主持单位东南大学，合作企业溧阳二十八所系统装备有限公司。
项目实施计划如下：
序号
时间段
内容
1
2016年7-12月
重点研究“基于基站休眠模式的能量节省算法”，研究不同小区拓扑结构和用户接入算法对系统能耗的影响，并进行深入细致的理论分析和仿真验证
2
2017年1-6月
重点研究多小区协作动态成簇算法，以能量有效为系统级别优化目标提出计算复杂度较低的基站成簇算法，并通过计算机软件进行仿真验证
3
2017年7-12月
将基站休眠技术和多小区协作动态成簇算法相结合，提出以能效最优化为目标，考虑不同类型的用户分布和服务质量对系统性能的影响，形成不同的优化问题，寻找低复杂度的优化算法。
4
2018年1-6月
研究协作中继网络资源分配算法，设计新的对称协作中继网络结构，引入单位能量、能量均衡率等参数，将网络能耗均衡、网络覆盖率等多种因素进行综合考虑。
进行多网融合中空中接口耦合联合接入技术研究。
进行仿真，完成必要的实验和测试，以验证其性能。
建立多网融合无线通信性能评估实验平台1套。
从项目起始至本阶段末，将累计提交不少于5篇高质量学术论文，累计申报4项发明专利，累计培养博士研究生1-2名，硕士研究生2-3名。
撰写结题报告
东南大学主要负责项目总体方案制定、关键技术研究、多网融合无线通信性能评估实验平台硬件电路设计、软件算法设计、验收文件，单位溧阳二十八所系统装备有限公司负责工艺设计、评估实验平台数据分析及应用等。
在上述项目组织和运行机制的框架下，双方组成联合研发团队，进行项目攻关，在完成项目任务书指标的前提下，对本项目提出更加具有前瞻性和实用性的任务需求，通过对移动无线网络中的多网融合紧耦合联合接入机制及降低能耗的资源分配算法的研究，提高当前移动无线网络多网融合空中接口切换的准确性和可靠性，保障用户的QoS需求，降低网络运营成本，进一步推动多网融合无线通信技术的研发和应用；建立多网融合无线通信性能评估实验平台1套；发表学术论文13篇（其中SCI检索6篇，EI检索5篇）；申请国家发明专利12项（其中6项已获授权）；培养博士研究生3名（其中2人已获博士学位），硕士研究生8名；该项目为企业新增效益约2500万人民币，新增利税210万人民币。
本项目预算包括：
江苏省科技厅拨款60万元、合作企业配套160万元。
在项目执行过程中实际省拨款60万元，企业实际配套170.5万元，使用情况见决算表。
项目已经完成，达到了合同要求的各项指标。
经费执行符合合同预算。
三、项目技术情况
1.主要研究内容及技术路线
1.1.基于能效的单小区协作中继网络资源分配算法
协作中继网络可以有效地扩大无线通信系统的覆盖范围，提高无线链路的通信质量，被认为是5G移动通信系统的关键技术之一。
随着微蜂窝及微微蜂窝技术在5G通信网络中的应用，小区范围不断缩小，中继节点发射功率小、部署灵活等特性使得协作中继技术非常适合于5G网络。
因此，在未来的5G网络中，协作中继技术将会起到举足轻重的作用。
已有关于协作中继网络资源分配问题的相关研究大都是基于网络节点的无私性展开的，即网络中的所有节点都无条件配合源节点的协作传输，而未考虑协作个体的利益得失。
在绝大多数实际无线协作场景中，节点通常资源受限，因此对于来自于网络中其他节点的协作请求，中继节点通常表现出自私性。
这要求决策者在资源分配算法的设计过程中，既需要考虑网络整体利益又要兼顾节点的个体利益。
本课题针对由自私性两节点组成的对称协作中继网络，提出了一种基于非协作博弈论的带宽资源分配算法。
以非协作博弈论为工具，建立了一种带有竞价机制的对称协作中继网络博弈模型，通过建立有效的激励机制，使得自私节点能通过协作资源的共享而获得公平的回报，从而积极参与协作传输。
仿真数据表明，所提出的纳什均衡带宽分配策略和Pareto改进策略，在系统效能方面较之平均分配方案提高最高可达30%以上。
1.2基于能效的多小区协作网络基站调度算法研究
本课题对基于基站休眠能量节省算法进行了详细深入的研究，首先研究了蜂窝网络在低负载业务场景下的能量节省问题。
在保证用户的最小数据速率的条件下，通过休眠模式使系统的能量消耗最小。
休眠小区的用户如何接入周围活跃的小区的基站对能量节省问题至关重要。
我们提出了一种低复杂度的接入算法，即用户轮询基站接入算法。
提出算法的复杂度比穷搜算法要低，但是和穷搜算法具有相同的性能。
在低业务负载条件下，我们所提的算法比基站全开的情况下能节省更多的功率。
1.3基于能效的多小区协作网络自适应动态成簇算法研究
多基站协作，在无线通信系统中也称为多小区协作、网络MIMO、协作多点传输（CoMP），为充分开发系统空间自由度提供了可能，在一个合作单元内的基站合作形成一个簇，如图3.1所示，区域内基站合作形成两个簇（浅色区域和深色区域）。
这样通过协作，簇内小区间的干扰将得到有效抑制。
理论上，同一簇内基站数目越多，对小区间干扰抑制越明显；但在实际中，更多的小区协作意味着更多的反馈开销、计算开销和骨干网络传输开销，这一情况使得同一簇内小区数量不能太多。
部分场景下，过分协作将会降低网络的能量效率。
已有的协作多点传输文献中，对网络自适应决定是否采用协作多点技术的研究尚不完善。
因此，本课题设计了一种新的低复杂度动态成簇方案，能够自适应的跟踪信道信息的不断变化，可以使得系统性能相对静态成簇方案得到明显的改善。
1.4异构网络多网融合中空中接口紧耦合联合接入技术研究
传统的无线通信系统是根据严格分层模块化设计思想得到的，不能最大限度地发挥无线通信系统的性能，传统的分层设计得到的系统通常只能考虑在最差通信条件下工作的状态，无法充分利用有限的无线传输资源，损失了无线通信系统的无线频谱资源利用率和性能。
系统级仿真需要考虑很多参数，虽然具有较高分辨率，但是系统仿真较长的仿真时间将产生沉重的计算负担。
特别是当需要快速的评估某些瞬时条件改变后系统的性能时，漫长的仿真过程和冗长的仿真时间将变得不可接受。
因此，采用链路级仿真（LinkLevelSimulation,LLS）和系统级仿真分层的策略，对于无线通信系统性能的评估是必不可少的。
另外，无线通信系统对空中接口的依赖性决定了异构网络紧耦合融合的关键在于异构的空中接口技术的紧耦合联合接入。
不同的通信网络的空中接口技术存在明显的差异，因此针对某一种特定无线网络的空中接口优化策略无法适用于异构网络融合构成的通信系统。
同时，不同网络的通信协议分层不尽相同，因此，针对异构网络融合的优化必须考虑异构网络层间信息的交互，即跨层设计与优化。
本课题研究了跨层优化的方法论，对共存的异构网络多网融合的空中接口进行建模、优化空中接口紧耦合联合接入策略，建立普适、准确的空中接口抽象模型，刻画了异构网络的空中接口特性，提高了多网融合系统的整体性能和能效。
多网融合无线通信性能仿真平台实物如图4.8所示
图多网融合无线通信性能评估实验平台实物图
2.项目解决的关键技术问题
（1）在协作中继网络中，用户何时请求其他节点的协作是研究的重点，建立判定准则使用户能够通过协作中继获益。
针对中继节点的选择和功率分配问题，通过合理的资源分配算法提出了中继节点需的资源分配方案，以提高用户的服务质量；
（2）针对多小区多用户场景不同的负载情形，在保障用户服务质量的前提下，以能量消耗最小化为目标函数，分析了不同拓扑结构对系统能耗影响，提出了根据用户负载变化的能耗最小小区休眠网络拓扑结构；
（3）提出了基于能耗模型的低复杂度动态成簇算法，有效解决了算法过于复杂不能实际应用的问题。
同时，将此算法引入到以能效为目标的优化函数中，分析了系统发送功率、天线数目、反馈开销等对能效的影响，建立了动态簇类型和系统能耗的折中关系模型；
（4）异构网络多网融合空中接口紧耦合融合需要充分考虑到不同网络空中接口技术之间的差异性，环境因素对于不同的空中接口技术具有明显不同的影响，而且不同空中接口的分层协议结构也存在较大的差异。
这给异构网络融合带来了极大的挑战。
项目基于跨层的异构网络融合进行建模进而对异构网络多网融合空中接口的紧耦合融合进行了整体优化，获得优化的多网融合策略，提高了异构无线网络的系统性能和能效。
3.项目突破性进展及创新之处
（1）针对能量有效性，展开协作中继网络中的资源分配算法研究
本课题在保障QoS的前提下，以提高能量有效性为目标，以博弈论等数学方法为工具，通过建立有效的激励机制，使得自私节点能通过协作资源的共享而获得公平的回报，从而积极参与协作传输。
相关研究成果已发表学术论文4篇（详见论文列表[5][7][11][13]）、申请中国国家发明专利4项（详见申请专利列表[2][3][4][6]）、获授权专利一项（详见授权专利列表[1]）。
（2）基于用户负载对网络拓扑结构和用户接入算法进行研究
在多小区低负载场景下，本课题基于基站休眠策略，在满足用户不同的服务质量要求下，建模成一个能量消耗最小化问题。
针对休眠小区的用户如何接入周围活跃小区基站的问题，在保障系统能耗较低的前提下，提出了一种基于基站休眠模式的移动台轮询接入基站算法。
该算法能显著降低系统的能量消耗，并具有较低的复杂度，对未来无线通信系统具有重要的指导和现实意义。
相关研究成果已发表学术论文5篇（详见论文列表[1][4][6][8][12]）、申请中国国家发明专利1项（详见申请专利列表[1]）。
（3）提出低复杂度的动态成簇算法，建立动态簇类型和系统能效的折中关系模型
本课题从协作机制（区分协作与不协作）入手，设计了新的低复杂度动态成簇方案，能够自适应的跟踪信道信息的不断变化，可以使得系统性能相对静态成簇方案明显改善。
相关研究成果已发表学术论文1篇（详见论文列表[2]）。
（4）基于异构网络普适的性能评估标准和跨层优化理论，对异构网络各自不同的空中接口技术以及分层协议模型进行逻辑上的统一
本课题对异构网络多网融合的空中接口进行了建模，通过建立基于跨层策略的多网融合理论模型，对异构网络空中接口的紧耦合融合进行整体优化，获得优化的多网融合策略，并且搭建了多网融合无线通信性能评估实验平台。
相关研究成果发表学术论文3篇（详见论文列表[3][9][10]）、申请中国国家发明专利1项（详见申请专利列表[5]）、获授权专利4项（详见授权专利列表[2][3][4][5]）。
四、合同任务指标完成情况
完成以下研究内容及技术指标：
（1）本课题在保障QoS的前提下，以提高能量有效性为目标，以博弈论等数学方法为工具，通过建立有效的激励机制，使得自私节点能通过协作资源的共享而获得公平的回报，从而积极参与协作传输。
（2）对休眠小区的用户如何接入周围活跃小区基站的问题，在保障系统能耗较低的前提下，提出了一种基于基站休眠模式的移动台轮询接入基站算法。
该算法能显著降低系统的能量消耗，并具有较低的复杂度，对未来无线通信系统具有重要的指导和现实意义。
（3）提出低复杂度的动态成簇算法，建立动态簇类型和系统能效的折中关系模型，从协作机制（区分协作与不协作）入手，设计了新的低复杂度动态成簇方案，能够自适应的跟踪信道信息的不断变化，可以使得系统性能相对静态成簇方案明显改善。
（4）对异构网络多网融合的空中接口进行了建模，通过建立基于跨层策略的多网融合理论模型，对异构网络空中接口的紧耦合融合进行整体优化，获得优化的多网融合策略。
（5）发表学术论文13篇，其中SCI检索7篇，EI检索6篇；申请国家发明专利12项，其中获授权发明专利6项。
（6）建立多网融合无线通信性能评估实验平台1套，其中基带模块：
250MSPS采样率，16bit分辨率，8通道；多网融合中无线通信性能的评估支持蜂窝移动通信3G、4G/LTE、LTE-A、局域网Wifi等无线通信网络制式。
（7）提出有效提高无线通信网络系统能效的方法，实验仿真验证其节能效率最高可达30%以上。
（8）培养博士研究生3名（其中2人已获博士学位），硕士研究生8名。
（9）该项目为企业新增效益约2500万人民币，新增利税210万人民币。
五、项目绩效分析
本课题在保障网络QoS的前提下，分别针对单小区多用户协作和多小区多用户协作场景，从能量有效性的角度出发，深入开展协作中继网络资源分配、基站休眠策略、动态成簇算法方面的研究；并根据多种通信网络独特的技术要求和制约因素，研究了异构网络多网融合空中接口紧耦合联合接入技术，提出了提高整体无线通信系统的性能和能源利用效率的方法。
基于多网融合和能效的无线通信网络关键技术是下一代宽带通信及未来网络的重要研究方向之一，随着无线宽带接入用户规模和高速宽带业务的普及，基于多网融合和能效的无线通信网络体系结构及资源分配技术将受到产业界、学术界越来越多的关注。
本项目基于东南大学移动通信国家重点实验室与中国电子科技集团公司二十八所全资子公司溧阳二十八所系统装备有限公司建立的产学研合作平台，根据溧阳二十八所系统装备有限公司在下一代宽带通信领域的战略发展目标，开展了基于多网融合和能效的无线通信网络关键技术的研究。
本项目的研发，通过深入的理论分析和实验验证，形成较为完整的绿色通信技术体系，为4G之后及5G的绿色通信系统提供技术支撑，提高整体通信系统的性能和能源利用效率，项目成果将不仅可以应用于一般无线通信网络，而且可以满足应急通信、交通、电力、银行等特殊的无线通信网络需求。
该项目已为企业新增效益约2500万人民币，新增利税210万人民币。
因此，本项目的实施可以有效提升我省在下一代宽带通信及未来网络技术方面的研发及产业化水平，有利于贯彻落实“江苏省‘十三五’科技创新规划”，大力发展互联网经济，促进江苏经济社会转型升级。
六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
本项目组经过2年的工作，已经全面完成项目合同规定的预期目标。
但在本项目研发过程中发现还有许多问题值得持续深入研究与探索：
如，本项目中研究场景大部分是针对单收发天线而言的，如果将所研究问题推广到多收发天线场景，那么，相应的问题以及算法会变得复杂。
如何在多天线甚至大规模天线阵列场景中进行系统谱效和能效的优化是一个可以继续研究的内容。
另外，如何将链路性能感知与跨层设计进一步结合，提供更优化的系统性能，还有待于更深入的研究。
例如，利用实时无线链路实时的状态动态地调整无线系统的准入控制、无线资源分配、用户的调度等技术。
附：
获授权发明专利：
[1]衡伟，龙芳，梁天，一种无线通信网络中多源单中继系统的协作中继策略，中国国家发明专利ZL201510157793.2（申请时间：
2015.04.07，授权公告日20180223）
[2]衡伟、张清华、陈雪倩、胡津铭，LTE/LTE-A链路级仿真中SNR有效区间的搜索方法,中国国家发明专利ZL201510279901.3（申请时间：
2015.05.28，授权公告日20181106）
[3]衡伟，胡津铭，朱云帆，陈雪倩，张清华，一种基于波束运算和分组平均的LTE-A双码本预编码选择方法，中国国家发明专利ZL201510247370.X（申请时间：
2015.05.15，授权公告日20171103）
[4]衡伟，余诗洋，张清华，胡津铭，孟超，一种MMSE检测下的链路级仿真到系统级仿真的接口方法，中国国家发明专利ZL201510245738.9（申请时间：
2015.05.15，授权公告日20170222）
[5]衡伟，殷庆荣，一种预测ISP域内任意两节点之间路由路径的方法,中国国家发明专利ZL201510142659.5（申请时间：
2015.03.30，授权公告日20171128）
[6]田阳；魏国升；周超；胡迪；周磊；周学；李娜；一种用于纤维复合板成型的自加热平台，中国国家发明专利ZL201510452912.7，（申请日2015.7.29，授权公告日：
20170322）（溧阳二十八所系统装备有限公司）
已申请发明专利：
[1]衡伟，胡津铭，一种异构网络中D2D通信的高能量效率资源复用方案，中国国家发明专利201710269591.6（申请时间：
2017.04.24）
[2]衡伟，张国栋，基于斯坦科尔伯格博弈的D2D功率控制及干扰管理方法，中国国家发明专利201710258255.1（申请时间：
2017.04.19）
[3]衡伟，张国栋，一种异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，中国国家发明专利201610236886.9（申请时间：
2017.04.18）
[4]衡伟，张国栋，一种基于非协作博弈的认知无线电网络动态频谱共享方法，中国国家发明专利201610243236.7（申请时间：
2016.04.20）
[5]衡伟，张清华，李翔，林爽爽，韩冠男，一种基于LTE-A的链路级到系统级仿真的接口方法，中国国家发明专利201610512678.7（申请时间：
2016.07.01）
[6]衡伟，梁天，一种双向协作中继信道计算转发编码系数向量搜索方法及通信方法,，中国国家发明专利201610616663.5（申请时间：
2016.07.29）
[7]田阳；魏国升；王倩；汤琪琪；孙嘉；胡迪；李胤；朱牧朗；一种蜂窝显示板及其制备方法，中国国家发明专利201710231787.6，（申请日2017.4.19）（溧阳二十八所系统装备有限公司）
发表的学术论文
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[5]J.Hu,W.Heng*,G.ZhangandX.Li,"EnergyEfficientResourceAllocationinTimesharingMultiuserSystemsWithHybridEnergyHarvestingTransmitter,"inChinaCommunications,vol.14,no.8,pp.83-92,Aug.2017.（影响因子：
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000407541800010）
[6]G.Zhang,W.Heng*,T.Liang,C.MengandJ.Hu,"ANovelTwo-StageDynamicSpectrumSharingSchemeinCognitiveRadioNetworks,"inChinaCommunications,vol.13,no.6,pp.236-248,June2016.（影响因子：
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[8]K.Wang,W.Heng*,J.Hu,X.LiandJ.Wu,"Energy-EfficientResourceAllocationforEnergyHarvesting-PoweredD2DCommunicationsUnderlayingCellularNetworks,"2018IEEE88thVehicularTechnologyConference（VTC-Fall）,Chicago,2018（录用）.
[9]J.Wu,W.Heng*,J.Hu,X.LiandK.Wang,"Long-termChannelEstimationforMM-WaveHybridBeamformingSy
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