基于價(jià)格理論的無線網(wǎng)絡(luò)資源分配算法研究.pdf

1、近年來，隨著用戶對無線通信業(yè)務(wù)需求的不斷增加，無線通信網(wǎng)絡(luò)中的資源（帶寬，頻率，功率，時(shí)隙等）越來越緊張，因而越來越寶貴，如何有效地分配無線網(wǎng)絡(luò)中的資源是一個(gè)長期的開放性問題。價(jià)格理論通過價(jià)格解決市場上企業(yè)之間的選擇、競爭與合作，是一種有效分配市場資源的工具，已被應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)的資源分配上。本文利用價(jià)格理論的基本思想，研究了協(xié)作AF蜂窩小區(qū)上行鏈路的資源聯(lián)合分配問題、基于DF協(xié)議的協(xié)作OFDM系統(tǒng)的資源聯(lián)合分配問題和自私多徑多跳網(wǎng)絡(luò)的資

2、源聯(lián)合分配問題。此外，還研究了蜂窩小區(qū)中D2D通信的資源分配問題。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，研究了基于能量價(jià)格的協(xié)作AF蜂窩小區(qū)上行鏈路的資源聯(lián)合分配問題。以蜂窩小區(qū)的中繼和功率作為共享資源，利用價(jià)格理論對節(jié)點(diǎn)設(shè)定能量價(jià)格，提出蜂窩小區(qū)上行鏈路的協(xié)作模型及一種中繼選擇與功率分配方案。首先，給出了基于AF協(xié)議的多節(jié)點(diǎn)協(xié)作蜂窩小區(qū)的協(xié)作模型以及節(jié)點(diǎn)能量價(jià)格的定義；然后，歸納出系統(tǒng)最優(yōu)化問題，使總的能量代價(jià)最?。蛔詈?，提出基于貪

3、婪算法的聯(lián)合資源分配算法，包括基于貪婪算法的中繼選擇算法和給定源和中繼對的最優(yōu)功率分配算法兩個(gè)部分，基于貪婪算法的中繼選擇算法是針對多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的場景，分別為每個(gè)源節(jié)點(diǎn)選擇總能量代價(jià)最小的中繼節(jié)點(diǎn)，而對于某個(gè)源和中繼對，采用圖論的方法進(jìn)行最優(yōu)功率分配，使二者的總能量代價(jià)最小，此外還對分配方案的復(fù)雜性進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，與其它的資源聯(lián)合分配方案相比，基于貪婪算法資源分配求解算法不僅能夠均衡節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命

4、，而且還能發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。
　　接著，研究了基于壽命最大化的協(xié)作OFDM系統(tǒng)中資源聯(lián)合分配問題，探討如何在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行功率分配、子載波配對和中繼選擇。以協(xié)作OFDM系統(tǒng)的中繼、功率和子載波作為共享資源，利用價(jià)格理論對節(jié)點(diǎn)設(shè)定能量價(jià)格，提出了基于DF協(xié)議的協(xié)作OFDM系統(tǒng)的中繼選擇、子載波配對與功率分配方案。首先，給出了基于壽命最大化的協(xié)作OFDM系統(tǒng)模型。然后，歸納出系統(tǒng)最優(yōu)化問題，使總的能量代價(jià)最小。接下來，對模型求

5、解分別在和功率限制及單獨(dú)功率限制兩種條件下進(jìn)行。針對和功率限制條件，提出兩種求解方法，一是采用對偶方式求出系統(tǒng)的最優(yōu)解表達(dá)式，并用次梯度的方式搜索出最優(yōu)對偶點(diǎn)；二是提出一種實(shí)用的次優(yōu)資源分配算法，先采用圖論的方法求出給定子載波對的最優(yōu)功率分配，然后用基于貪婪算法的資源分配算法進(jìn)行子載波配對和中繼選擇。針對單獨(dú)功率限制條件，提出兩種求解方法，一是采用對偶方式求出系統(tǒng)的最優(yōu)解表達(dá)式，并用次梯度的方式搜索出最優(yōu)對偶點(diǎn)；二是提出一種實(shí)用的次優(yōu)資

6、源分配算法，先采用圖論的方法求出給定子載波對的最優(yōu)功率分配，然后用基于修正Hungarian算法的資源分配算法進(jìn)行子載波配對和中繼選擇。對兩種限制條件的資源分配算法既考慮了所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的能量消耗，又考慮了它們的剩余能量。仿真分析表明，提出的兩個(gè)資源聯(lián)合分配算法不僅能夠均衡節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，延長系統(tǒng)壽命，而且還能發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。
　　然后，利用拍賣理論研究了自私多徑多跳網(wǎng)絡(luò)中如何通過路由和帶寬等資源的聯(lián)合分配激勵(lì)中間節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)

7、作的問題。首先，將自私多徑多跳網(wǎng)絡(luò)的帶寬和路由分配問題建模為拍賣博弈模型，并進(jìn)行了機(jī)制設(shè)計(jì)；然后，使用凸優(yōu)化理論給出了最優(yōu)解求解方法；接著，針對線性代價(jià)函數(shù)和單調(diào)非線性函數(shù)，分別提出了基于最小代價(jià)路徑的帶寬與路由分配算法和基于混合注水的帶寬與路由分配算法。通過理論分析表明，兩種算法都是系統(tǒng)模型的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明：兩種算法都能夠有效地激勵(lì)中間節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，并且基于混合注水的帶寬與路由分配算法的運(yùn)算效率比注水算法高1倍。
　　最后

8、，借鑒前面幾章涉及到的最優(yōu)化問題求解的分解思想，圖論思想和Hungarian算法，研究了蜂窩小區(qū)下D2D通信中的資源聯(lián)合分配問題。首先，給出了蜂窩小區(qū)中D2D通信的系統(tǒng)模型，系統(tǒng)的目標(biāo)是在滿足蜂窩用戶和D2D用戶的信噪比要求下降低蜂窩小區(qū)的總干擾；然后，提出了基于修正Hungarian算法的聯(lián)合用戶配對和功率控制算法對問題進(jìn)行求解，該方案分為兩個(gè)部分：一是給定D2D用戶和蜂窩用戶對的最優(yōu)功率分配算法，二是基于修正Hungarian算法的