異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分布式博弈分配技術(shù)研究.pdf

1、為了支持未來爆炸性增長的移動用戶數(shù)目并滿足不斷提升的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，新一代無線網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)高密度布設(shè)的小基站(家庭基站/微微小區(qū)/中繼節(jié)點)＋微小區(qū)＋宏小區(qū)的異構(gòu)多層蜂窩網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(HCN，Heterogeneous Cellular Network)中，同層小區(qū)以及不同層小區(qū)之間干擾的存在制約了網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步提升。因此，如何設(shè)計高效的資源分配機(jī)制來有效克服干擾的影響成為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個重要研究方向。
　　目前

2、，為了以低開銷獲得優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)性能，自配置、自管理的分布式資源分配方式已成為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。而作為一門分析與處理智能的理性決策者之間沖突與合作行為的學(xué)科，博弈理論被認(rèn)為是用于研究分布式資源分配問題的有效工具?；谝陨显?，本文將圍繞如何提升網(wǎng)絡(luò)中的整體容量、用戶的滿意度以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃蔬@三個關(guān)鍵性能指標(biāo)為切入點，使用博弈理論研究異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中分布式資源分配機(jī)制的設(shè)計問題。主要內(nèi)容如下:
　　1、提出了一種完全分布式的

3、子信道分配策略，并證明了其在提升網(wǎng)絡(luò)整體容量方面的有效性。在正交信道布設(shè)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中(規(guī)避了宏蜂窩與毫微微蜂窩Femtocell之間的層間干擾)，如何利用子信道分配技術(shù)有效緩解Femtocell間的相互干擾，是提升網(wǎng)絡(luò)整體容量的核心問題。本文第二章將該問題建模為一個非合作速率最大化博弈模型，并設(shè)計了一種完全分布式的子信道分配算法。由于執(zhí)行該算法時無需在不同F(xiàn)emtocell之間引入信令交互，因此其更加適用于具有隨機(jī)布設(shè)特性以及回程鏈

4、路容量有限的Femtocell網(wǎng)絡(luò)。隨后，在給定條件下證明了所提出算法可以漸進(jìn)收斂到所研究問題的一個帕累托有效解。更為重要的是該算法無需對所構(gòu)造博弈模型中納什均衡(NE，Nash Equilibrium)的存在性提出嚴(yán)格要求，因此在普適條件下依然具有良好性能。
　　2、提出了一種聯(lián)合子信道分配與功率控制的分布式傳輸控制機(jī)制，并證明了其在提升用戶整體滿意度方面的有效性。對于使用正交信道布設(shè)機(jī)制的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在隨機(jī)布設(shè)的Femtoc

5、ell中滿足用戶業(yè)務(wù)需求、提升其數(shù)據(jù)傳輸速率的同時，如何設(shè)計合理的資源分配機(jī)制進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體性能，是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。本文的第三章針對該系統(tǒng)研究了分布式子信道選擇以及功率控制問題，首先基于Femtocell網(wǎng)絡(luò)中用戶速率需求可能無法同時滿足這一事實，利用S函數(shù)刻畫了用戶的滿意度(效用)并將該問題建模為一個非合作的傳輸控制博弈模型。其次，提出了一種基于效用的全分布式傳輸控制算法。最后，通過理論分析證明該算法在給定條件下可以漸進(jìn)收斂

6、到所研究問題的一個全局有效解，并且無需要求此解為所構(gòu)造博弈模型的一個NE。所設(shè)計算法具有更快的收斂速度并能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)中的用戶滿意度及傳輸容量。
　　3、提出了一種分布式子信道與功率資源的聯(lián)合分配策略，并證明了其在提升數(shù)據(jù)傳輸能量效率方面的有效性。對于同信道布設(shè)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在保障宏蜂窩用戶QoS的條件下，如何設(shè)計有效的資源分配機(jī)制緩解層間干擾、提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃剩蔀榫G色通信研究中的一個關(guān)鍵問題。本文的第四章針對上述場景

7、將子信道與功率資源的聯(lián)合分配問題建模為一個具有耦合約束的混合整數(shù)多目標(biāo)非凸優(yōu)化問題。為求解該問題，首先通過連續(xù)化松弛整數(shù)變量構(gòu)造了一個具有帶寬定價的非合作博弈模型，設(shè)計了一個分布式算法以獲取該模型中具備帕累托有效性的NE。隨后，針對原問題，兼顧公平性以及有效性、提出了相應(yīng)的分布式資源分算法。所提出算法將子信道與功率資源的聯(lián)合分配問題轉(zhuǎn)化為一維的定價因子搜索問題，降低了問題求解的復(fù)雜度。此外，分析表明具有不同優(yōu)先級的小蜂窩用戶可以通過調(diào)整