论文总字数：32975字

摘 要

移动通信技术的发展以及移动设备的普及导致了移动数据流量爆发式的增长。近年来，传统的宏蜂窝网络已经难以满足用户的需求，小蜂窝网络技术应运而生。然而，小蜂窝网络中小基站的密集部署，使得传统的集中式功率控制算法并不可行。因此，本文基于博弈理论，就小蜂窝网络中的功率控制方法展开研究。

首先，研究了小蜂窝网络中基于非合作博弈的功率控制方法。首先，构建了一个包含所有小基站的非合作博弈，建立了一个以能效为优化目标的非凸优化问题。然后，利用无参数分式规划的性质以及透视函数的概念，将非凸优化问题转化为凸优化问题。接着，利用混合罚函数法，将带约束的凸优化问题转化为无约束的凸优化问题。最后，证明了纳什均衡的存在性和唯一性。

其次，研究了小蜂窝网络中基于议价合作博弈的功率控制方法。首先，构建了一个包含宏基站和所有小基站的议价合作博弈，建立了一个以能效、谱效为目标的优化问题。然后，推导出了一个基站功率的封闭解。最后。设计了一种联合干扰感知功率控制算法。

最后对两种功率控制方法进行仿真分析。结果表明，基于非合作博弈的方法能实现更高的能效，但并不意味着能实现更高的谱效，而基于议价合作博弈的方法牺牲了部分能效来提高谱效。

关键词：小蜂窝网络、非合作博弈、议价合作博弈、功率控制

Abstract

The development of mobile communication technology and the popularity of mobile devices have led to the explosion of mobile data traffic. Nowadays, the traditional macrocell network has been difficult to meet the needs of users, and small cell networks (SCNs) emerged at the historic time. However, due to the large number of small cell base stations (SBSs) deployed in SCNs, conventional centralized power control schemes may not be practical. Thus, in this paper, the power control problem of small cell networks based on game theory is investigated.

First, the power control based on non-cooperative game theory for small cell networks is investigated. Firstly, a non-cooperative game involving all small base stations is formulated, and a non-convex optimization problem is established to maximize the energy efficiency (EE) of each SBS. Then, with the properties of parameter-free fractional programming and the concept of perspective function, the non-convex optimization problem is transformed into a convex optimization problem. Then, the mixed penalty function method is exploited to transform the constrained convex optimization problem into an unconstrained convex optimization problem. Finally, the existence and uniqueness of Nash equilibrium (NE) are proved.

Second, the power control based on bargaining cooperative game theory for small cell networks is investigated. Firstly, a bargaining cooperative game involving the macro base station and all small base stations is formulated, and an optimization problem aiming at both energy efficiency and spectral efficiency (SE) is established. Then, a closed-form power coordination solution is derived. Finally, a joint interference-aware power control algorithm is proposed.

Finally, two power control schemes are simulated and analyzed. As a result, the scheme based on non-cooperative game theory can achieve higher energy efficiency, but it does not mean that it can achieve higher spectral efficiency, while the scheme based on bargaining cooperative game theory sacrifices part of energy efficiency to improve spectral efficiency.

Key words: small cell networks, non-cooperative game theory, bargaining cooperative theory, power control

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 小蜂窝网络 1

1.2.1 系统架构 1

1.2.2 主要优势 2

1.2.3 面临挑战 2

1.2.4 功率控制 3

1.3 博弈论 3

1.3.1 定义 3

1.3.2 分类 3

1.3.3 纳什均衡 4

1.4 研究现状 4

1.5 论文架构 5

第二章 基于非合作博弈的功率控制方法 6

2.1 引言 6

2.2 系统模型 6

2.3 非合作功率控制方案 7

2.3.1 优化问题的建立 7

2.3.2 迭代算法的设计 8

2.3.3 优化问题的凸转化 8

2.3.4 约束条件的消除 11

2.4 纳什均衡的存在性和唯一性 12

2.5 本章小结 13

第三章 基于议价合作博弈的功率控制方法 14

3.1 引言 14

3.2 系统模型 14

3.3 议价合作博弈功率控制方案 15

3.3.1 优化问题的建立 15

3.3.2 优化问题的简化 17

3.3.3 针对宏基站功率的封闭解 18

3.3.4 针对小基站功率的封闭解 19

3.3.5 迭代算法的设计 20

3.4 本章小结 21

第四章 仿真结果 22

4.1 仿真参数 22

4.2 收敛性验证 22

4.3 用户数的影响 23

4.4 小基站数的影响 24

4.5 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 全文总结 26

5.2 未来展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪论

研究背景

无线通信技术的飞速发展，引发了无线数据流量的爆发性增长。近年来，一些大型电信设备制造商已经预测，用户对无线数据流量的需求将在未来几年内呈指数增长^[1]。然而，传统的宏基站仅能够处理语音信号之类的低数据流量，无法为拥挤的热点区域提供足够的流量满足需求。与此同时，受建筑、树木等障碍物的影响，宏基站有覆盖不均的问题，且随着信号频率的提高，信号穿透能力越来越弱，单纯依靠宏基站，将产生大量弱覆盖区域和盲点。因此，传统的宏蜂窝网络已经无法有效支撑无线通信技术的高速发展，发展小蜂窝网络势在必行。

小蜂窝网络

系统架构

小蜂窝(Small cell)泛指宏蜂窝(Macrocell)以外的基站，其功率更低，覆盖范围更小，所服务的用户设备也更少。简单的物理学可以证明，减小无线电发射器和接收器之间的距离可以有效地降低所需的传输功率，同时克服路径损耗、衰落以及噪声^[1]。

小蜂窝包括飞蜂窝(Femotcell)、微微蜂窝(Picocell)和微蜂窝(Microcell)，飞蜂窝主要用于家庭和企业等室内环境，微微蜂窝主要用于机场、车站、商场等公共场所，微蜂窝主要用于室外补盲补热如无法部署宏基站的市区、农村或市区热点地区等，发生功率与覆盖半径如表1.1所示^[2]。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：32975字