异构无线通信网络中基于学习的分布式资源分配方法

论文总字数：30238字

摘 要

为了满足于日益增长的通信业务需求，引入了异构网络的概念，通过在宏基站覆盖范围中的热点区域部署低功率节点来提高热点区域的覆盖效果。由于低功率节点的引入带来了网络计算复杂度提高以及干扰等问题，资源分配问题在异构无线通信网络中是一项研究热点。

本文主要研究了异构无线通信网络中的上行资源分配问题。考虑用户上行功率与资源的联合分配以达到网络吞吐量最大化，采用博弈论的随机学习方法来解决这一问题。首先将原始问题转变成一个拥有加权效用函数的可解问题，并且给出求解权值的一个有效方法。然后，我们证明该资源分配问题可应用一个完全势博弈建模，并且存在至少一个纳什均衡，它是优化问题的全局或局部最优解。最后，我们应用了三种资源分配算法，包含集中式和分布式的，收敛到功率与资源联合分配的一个均衡点，并仿真分析了三种算法的性能。

关键词：异构网络，势博弈，资源分配

Abstract

The introduction of the concept of heterogeneous wireless network, improves the covering effect of hot spots by the deployment of low-power base stations in the hot spots in the coverage of macrocell base station. Since the introduction of the low power node has brought the network complexity and interference, problems of resource allocation in heterogeneous wireless networks is a hot research topic.

This paper investigates the problem of joint transmit power selection and resource allocation in a heterogeneous wireless network. We propose solving it the original throughput maximization problem by using game theoretic stochastic learning approaches. To this end, we first transform the original problem into a tractable form, which has a weighted utility function. Then we prove that an exact potential game applies and it exists the best Nash equilibria which is a near optimal solution of the original problem. Furthermore, we propose three different resource allocation algorithms, which contains distributed and centralized algorithms, then we analysis the simulated performance of those three algorithms.

Key words: heterogeneous network, potential games, resource allocation

目录

摘要 I

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 1

1.3本文的主要内容 2

第二章 异构网络与博弈 5

2.1异构网络概述 5

2.1.1异构网络特性与组网方式 5

2.1.2异构网络技术应用与挑战 7

2.2 博弈论概述 9

2.2.1博弈论的基本模型 9

2.2.2势博弈 11

2.3博弈论在异构网络中的应用 12

第三章 模型建立与问题描述 15

3.1系统模型 15

3.2问题描述 16

3.3势博弈描述 17

第四章 异构网络基于学习的资源分配方法 23

4.1基于最佳响应的分布式资源分配算法 23

4.1.1 算法描述 23

4.2基于最佳响应的集中式资源分配方法 23

4.2.1 算法描述 23

4.3基于随机学习的分布式资源分配方法 25

4.3.1 算法描述 25

4.3.2到纳什均衡的收敛性分析 26

4.4仿真结果与分析 29

第五章 总结 35

参考文献 37

第一章 绪论

1.1研究背景

随着1897年人类首次通过无线电实现远距离无线通信，无线通信经过百余年的发展和应用，目前已经成为当今通信领域研究的重中之重。进20余年来，随着人们通信需求的逐渐增高，无线通信技术也在迅猛发展。第四代无线通信系统目前已经进入商用阶段，下一代移动通信系统也在如火如荼的研究之中。

为了满足人们日益增长的通信需求，想要提升无线通信系统的性能，未来无线通信网络不仅需要在物理层研发出新的进展，更需要网络架构层面的变化。在实际通信系统中，业务流量在区域、时间不同的情况下差距很大，因此，想要提高通信网络的性能，现有通信系统需要更加灵活化。在这种背景下，将比传统蜂窝基站发射功率更小的基站节点，包括毫微微基站(Femto cell)、微微基站(Pico)、中继(Relay)和射频拉远节点等，引入传统的宏基站覆盖区域内，对特定区域实现重叠覆盖，能够有效提升热点区域的通信性能，从而提高网络的总体性能。目前，异构网络已经得到了学术界的认可，3GPP标准中已经对其做出的明确的定义。异构网络相对于传统网络来说，最主要的区别就是引入了低功率节点。这样，网络的资源分配情况就会更加复杂，特别是当低功率节点和宏基站使用相同时域和频域资源时，系统性能的提升将会在很大程度上干扰的影响。因此，资源分配问题在异构网络中是一项研究热点。

对于异构网络的资源分配，一个有效的方法就是应用博弈和学习算法，这是由于用户之间对于资源的关系是合作或者竞争的，使得小小区用户等用户的行为可以利用博弈论的一些特性来建模并分析。这其中关键方法在于收集周围环境信息，建立博弈论模型，并应用相关的学习算法来实现异构模型中低信号传输消耗的自寻优。

1.2研究现状

对于异构网络的资源分配问题，很多研究者根据不同的假设条件，给出了不同的解决方案。

对于在异构网络中分配频带资源，相关方案可以分为三类：第一类，相同的频带资源分配给所有基站共同使用；第二类，按照基站类型分配互不重叠的频带资源；第三类，基站使用的频带部分是独自占有的、部分与其他用户共有。文献[1]研究了家庭基站和宏蜂窝基站的频谱资源分配算法在同频组网场景下的应用。根据家庭基站与宏基站的位置关系，分配资源采用独立频谱或共享频谱的方式。文献[2]提出了一种基于分布式的自组织动态频谱资源分配算法，这种算法可以减少小区间干扰。

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