未来宽带无线通信系统资源分配技术研究

论文摘要

在无线通信系统中,由于无线资源的紧缺,如何有效地调度和分配资源以满足通信业务需求成为下一代无线通信系统的核心问题之一。无线资源的分配和调度是一种进一步扩大信道容量、改善通信质量关键技术,对于优化和提高通信系统性能具有优越和不可替代的意义。本论文以未来无线通信的两项关键技术——协作传输和认知无线电为课题思路,以提高网络容量,增加网络资源利用率,考虑系统公平性及满足不同用户的QoS业务需求等为目标,以最优化理论、博弈论以及市场理论等为理论雏形,重点、深入地展开未来宽带无线通信系统资源分配技术的研究。本论文蒙多项国家863、国家自然科学基金及国际科技合作等项目的支持,围绕协作通信系统和认知无线电系统切景分析,深入地研究未来宽带无线通信中的资源分配技术,积极探索新的解决方案,取得了如下研究成果：（1）针对OFDM两跳中继协作系统,提出了一种适合多业务QoS的资源分配算法。综合考虑多种业务模型的QoS要求及差异业务调度公平性,设计一种自适应累积效用函数（AU-函数,Aggregated Utility Function）的优化目标；通过联合中继选择及子载波、功率分配,从而在保证业务QoS、用户公平性的基础上提高系统性能。仿真结果表明,所提算法在系统吞吐量、时延、丢包率、缓存状态等方面性能得到了改善,且AU函数累积的形式有利于针对不同的QoS指标进行优化。（2）针对多用户协作中继网络,设计用户协作传输模型,并提出一种分布式的分层博弈（HG, Hierachical Game）算法分析用户协作上行传输的资源分配算法。首先,通过用户配对将多用户网络分解成多个两用户协作传输网络,采用HG算法来解决协作资源分配问题。分层博弈模型包括两层博弈：在用户层面,采用两用户判决的纳什博弈来分布式地解决协作策略选择问题,即“是否协作”；在基站层面,使用合作博弈联合解决资源分配问题,即“怎样协作”。在所提HG算法中,相互协作是互惠的且总的效用可转移,证明了存在一个唯一的纳什均衡解。另外,进一步讨论了奖惩因子,证明如果用户更关心下一个时隙的传输并且进行适当的功率控制的话,用户会选择协作策略。因此,如果通过价格激励措施（如功率,带宽等）,用户的自私行为可以得到更好的引导。仿真结果表明所提算法能够通过鼓励用户相互协作提高传输效率,并且在系统容量和改善不良单用户传输方面有很好的性能表现。（3）为了提高协作系统的吞吐量,提出一种基于网络编码（NC, Network Coding）的OFDMA全双工协作中继传输方案,分析该方案下的两个经典的性能评价指标——系统容量和中断概率,并给出了闭式的表达式。相比于直接传输（DT, Direct Transmission）和普通的协作传输（CT, Cooperation Transmission）模式,基于网络编码的协作传输（CT NC,Netwrok Coding based Cooperative Transmission）可以取得比CT模式高11.8%的链路容量增益,比DT模式提高32.5%（SNR=20左右）,同时中断概率比CT降低50%,比DT降低达100%（SNR=5左右）。可见,由于网络编码增益,CTNC在系统容量和稳健性比DT和CT都有所提高。同时,进一步提出一种双层纳什议价均衡（DLNBS, Double LayerNash Bargaining Solution）算法以解决基于网络编码的全双工协作中继传输方案的资源分配问题,考虑协作用户吞吐量均衡,分别通过子载波议价均衡和功率议价均衡来协调用户对之间的子载波和功率分配。仿真结果表明,所提DL NBS博弈资源分配方案与传统资源分配算法相比,不仅更适用于分布式用户协作场景,且能取得公平性和有效性的折中。（4）针对频谱共享和竞争问题,引进OODA认知环构建一种新型认知无线电网络频谱共享行为分析模型。并在此基础上,借鉴经济学理论,提出了一种基于效用函数设计的双重拍卖理论的频谱竞争方案,基于主、次网络用户在频谱管理问题的行为特征不同,考虑到无线信道的时变性,传输预测及频谱交易历史等问题,在判决过程适当中引入一定的预测和学习因素,分别设计主、次用户的决策效用函数,巧妙地解决了主次网络之间的频谱共享问题。基于主用户和次用户之间的频谱供求关系,考虑了两种场景：供过于求,即主用户较多（MPLS, More Primary Users Less Secondary User）和供不应求,即次用户较多（LPMS, Less Primary Users More Secondary User）情况下的主次用户交互具体过程。同时,在解决了主次网络之间的频谱共享问题之后,提出了四种拍卖出价指标解决次网络内部的频谱竞争问题。仿真结果表明,在两种供求关系下,所提算法能有效地解决主次网络之间的频谱共享问题,四种出价拍卖策略各有侧重的解决了次网络内部的频谱竞争问题,并较之传统集中式认知接入方式性能取得可比拟的频谱效率,且降低了网络部署成本,便于利用分布式自主交易的方式来达到频谱共享接入的目的。此外,考虑认知无线电网络的动态智能特性,建模多个自治次用户策略性地接入可用机会频谱的认知无线电网络,提出一种基于增强型学习策略的双重拍卖机制来处理主次用户频谱接入竞争问题。考虑到用户的自私性、机会频谱接入的有限性和时变性,环境变化及多用户不同的传输需求,基于增强型学习策略分别设计次用户的出价机制和主用户保护价格机制。该机制可以影响主次用户之间频谱接入,所有用户的当前收益及回报。基于观察已分配历史资源情况、行为及状态现状及预测未来收益,增强型学习方法可以逐步改进次用户的出价策略和主用户的保护价格策略,达到最佳的信道接入策略,从而有效地来竞争频谱机会。仿真结果表明,所提基于增强型学习策略的双重拍卖算法能大大改善用户的竞价策略,用户丢包、出价效率、传输速率等性能都得到极大的提高。综上所述,本论文针对无线资源分配,针对未来无线通信中协作通信和认知无线电两项关键技术,在物理层基于OFDM传输方式,并结合最优化理论、博弈论等数学理论,以提高网络容量、网络资源利用率及满足用户公平性、不同QoS业务需求等为目标,考虑跨层设计思想,深入地研究了信道、功率、传输时隙、频率等多重资源分配。为协作通信及认知无线电技术在未来无线移动通信中的应用和优化从理论上进行了探索性的研究。

论文目录

摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章绪论

1.1 背景综述

1.1.1 无线信道和分集技术

1.1.2 协作中继技术

1.1.3 认知无线电

1.2 无线资源分配的研究

1.2.1 目标及分类

1.2.2 效用函数设计

1.2.3 跨层优化

1.3 主要工作及创新点

1.3.1 课题研究思路

1.3.2 论文创新点

1.3.3 攻读学位期间主要工作

1.4 本文的组织结构

本章参考文献

第二章基于基础设施中继的OFDMA资源分配研究

2.1 中继协作技术及研究现状

2.2 系统模型和问题描述

2.2.1 传输模型

2.2.2 AU函数设计

2.2.3 优化模型描述

2.3 基于中继选择和资源分配的AU函数

2.3.1 中继和子载波联合选择

2.3.2 子载波上功率分配

2.4 仿真与结果

2.4.1 业务模型

2.4.2 仿真参数

2.4.3 结果分析

2.5 本章小结

本章参考文献

第三章基于用户中继的博弈资源分配研究

3.1 用户中继协作技术及研究现状

3.2 网络场景及上行传输模型

3.2.1 网络传输场景

3.2.2 两用户传输模型

3.3 用户对协作问题建模

3.3.1 两用户决策纳什博弈

3.3.2 资源分配的合作博弈

3.4 分层博弈分析

3.4.1 用户侧Nash均衡

3.4.2 基站侧资源分配

3.5 参数α和β的讨论

3.6 多用户协作网络

3.7 仿真及结果分析

3.7.1 仿真场景及参数设置

3.7.2 算法收敛性

3.7.3 调节因子α,β的影响

k的影响'>3.7.4 价格因子λ_k的影响

3.7.5 系统性能分析

3.8 本章小结

本章参考文献

第四章协作网络编码性能分析及其资源分配研究

4.1 协作网络编码技术及研究现状

4.2 基于网络编码的用户协作中继网络性能分析

4.2.1 传输模型建模

4.2.2 基于信息论的系统容量及中断概率分析

4.2.3 仿真分析

4.3 基于网络编码的用户协作博弈资源分配

4.3.1 问题描述

4.3.2 双层NBS博弈资源分配

4.3.3 两用户资源分配过程

4.3.4 仿真分析

4.4 本章小结

本章参考文献

第五章认知无线电频谱分配机制设计

5.1 认知无线电频谱分配技术及研究现状

5.2 认知无线电网络频谱共享行为建模分析

5.2.1 网络行为特性

5.2.2 OODA认知环

5.2.3 频谱竞争的行为建模分析

5.3 基于效用函数设计的双重拍卖理论的频谱竞争方案

5.3.1 系统模型

5.3.2 效用函数设计

5.3.3 基于效用函数的双重频谱拍卖的动态频谱接入

5.3.4 次用户网络的互惠协商

5.3.5 仿真分析

5.4 基于增强型学习模型的双重拍卖动态频谱接入算法

5.4.1 系统模型和频谱拍卖市场建立

5.4.2 基于增强型学习的双重拍卖的动态频谱接入

5.4.3 仿真分析

5.5 本章小结

本章参考文献

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

附录一缩略语

附录二图表列表

絮语

附录三攻读博士期间发表的学术论文

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