Using Particle Swarm Optimization to Perform Resource Allocation for Downlink Traffic of LTE-A Networks

With more and more mobile devices developed and more and more corresponding network applications emerging, how to efficiently allocate network resource of LTE-A networks becomes a critical issue. In this thesis, we first define a new resource allocation model for downlink traffic of the LTE-A network and then utilize the well-known metaheuristic algorithm, Particle Swarm Optimization (PSO), to find an approximate optimal solution on transmission path selection and radio channel allocation. Moreover, our simulation results demonstrate that our PSO algorithm indeed has the ability to find an efficient resource allocation solution for the LTE-A downlink traffic, that is, with as minimum overall latency on data transmission of the whole system as possible.行動通訊網路已經進入到第四代，網路速度也越來越快，但隨著智慧型手機普及與相關網路應用程式增多，這衍生出網路資源分配的課題，所以如何有效的分配網路資源便是一個值得研究的方向。在此論文中，我們嘗試將無線通訊網路實用上的問題先以理論的方式定義數學模型，再設計可行的演算法進行處理，來求得近似最佳的解答。具體而言，我們替LTE-A網路下行流量設計一個資源分配的數學模型，再根據此模型定義一個最佳化問題並找出最佳的傳輸路徑選擇以及無線通道分配，讓整體系統資料傳輸具最小延遲，以使整體資源達到最有效的運用。而由於此資源分配是一個NP-hard問題，通常是藉由萬用啟發式演算法來求解。於此論文中，我們利用Particle Swarm Optimization (PSO)演算法來找出該最佳化問題的近似最佳解，以盡可能得到最好的資源分配，尤其，實驗結果顯示我們提出的方法確實可以有效的降低系統的資料傳輸延遲時間。摘要.....................................................I Abstract................................................II 目錄...................................................III 圖目錄..................................................IV 表目錄...................................................V 第1章 導論.............................................1 1.1 前言.............................................1 1.2 研究動機與目的...................................1 1.3 論文架構.........................................2 第2章 背景知識.........................................3 2.1 LTE系統介紹......................................3 2.2 LTE傳輸架構......................................4 2.3 LTE頻段..........................................6 2.4 LTE relay 技術...................................7 2.5 路徑損耗(Pathloss)...............................7 2.6 LTE- Macro cell propagation model................8 2.7 訊號雜訊比(SINR)與資料率(data rate)..............9 2.8 最佳化演算法....................................11 2.9 粒子群搜尋法 (Particle swarm optimization)......11 第3章 LTE下行鏈路系統模型.............................14 3.1 建構可能傳輸的Edge..............................15 3.2 干擾天線之集合..................................15 3.3 接受天線之SINR..................................16 3.4 接收天線之最大資料率(Data Rate).................16 3.5 接收天線之資料量................................17 3.6 接收天線之資料率(Data Rate).....................19 第4章 下行鏈路的最佳化問題............................21 第5章 以粒子群演算法找尋最佳解........................25 第6章 模擬實驗........................................32 6.1 模擬環境........................................32 6.2 模擬結果........................................38 第7章 結論及未來展望..................................44 參考文獻................................................4