论文摘要
随着无线通信技术以及Internet的飞速发展,人们对通信业务的需求逐渐由单纯的语音通话转化为复杂的混合业务,诸如音频、视频、数据等等,从而导致人们对服务质量（Quality of Service,QoS）的需求不断提高。因而,在资源受限且信道环境恶劣的无线通信网络中,如何高效利用资源显得越来越重要。所以本文将资源利用率与QoS需求之间的权衡作为贯穿全文的线索。按照网络结构从简单到复杂的顺序,本文对无线资源分配中的几个热点问题进行了深入的研究。1.在最基本的单跳同构的网络中,对基于有效容量的资源分配问题进行了研究。基于有效容量理论,推导得出了无线多用户正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA）网络的连续（离散）有效容量区,并证明了这个有效容量区是凸区域。为了获得该区域的边界点,运用凸优化理论以及泰勒展开近似等数学工具,提出了渐近最优的资源分配算法。基于上述推导所得出的有效容量区,本文进一步考虑了到达过程和服务过程的时变特性,以及业务的不同特性,研究了带不同类业务的多用户OFDMA网络中,基于有效容量的资源分配问题,即在保证时延QoS需求的前提下,提高系统的资源利用率。运用有效容量与凸优化理论等工具,针对连续和离散情况分别建立了最优资源分配的数学模型,并相应提出了渐近最优的子载波和功率分配算法。2.对基于协作通信与异构网络技术的资源分配问题进行了研究,设计了一个全新的异构协作系统架构。在该架构中,移动台（Mobile Stations,MSs）是双模的,具有OFDMA网络和Ad Hoc网络的天线。其中MSs与基站（Base Station, BS）之间通过OFDMA网络进行通信,而MSs之间通过Ad Hoc网络进行通信。基于该异构协作系统架构,本文首先研究了单个Ad Hoc中继的资源分配问题,即系统中需要传输业务的MSs（Active MSs）只可以选择一个空闲的MS（Inactive MS）作为其中继节点协助其进行通信,并将上述系统中的资源分配问题建模为一个优化问题,然后提出了一个公平且高效的联合资源分配算法。随后,基于所设计的异构协作系统架构,进一步将系统模型扩展到多个Ad Hoc中继,即系统中的Active MSs可以选择多个Inactive MSs作为其中继节点协助其进行通信。上述系统的资源分配问题仍然被建模为一个优化问题,即在保证各MS的QOS需求的前提下,提高系统的资源利用率,最大化系统速率。然后,针对该优化问题提出了基于拉格朗日对偶法的资源分配方案以公平高效地解决这个问题。此外,本文还进一步提出了一个全分布式的资源分配方案,从而进一步降低系统整体的计算复杂度。3.在多小区的场景下,对绿色通信中的节能与基站管理问题进行了研究。针对相对实际的无线通信网络场景,首先将基站管理问题建模为一个优化问题,即对网络中的所有基站进行开/关决策,在保证所有MSs的QoS需求的前提下,提高系统的资源利用率,从而最大化整个网络的能量节约值。为了解决这个优化问题,本文提出了一个新颖的联盟构型博弈算法和2个MS关联策略,即带完全关联策略的联盟构型博弈（Coalition Formation with Fully Association,CF-FA）和带能效关联策略的联盟构型博弈（Coalition Formation with Energy-Efficient Association,CF-EEA）。随后,将偏离函数（?）（Defection Function）这个全新的概念引入本文,对所提出算法的稳定性进行了分析。此外,为了减少网络全局的信令开销,并且为了便于网络规模的扩大,进一步提出了一个基于联盟构型博弈的分布式基站管理算法,并给出了相应的协议实现方案,而代价是需要花费比集中式算法更多的执行时间。不过在这样一种应用场景下,以更长的算法（协议）执行时间为代价换取分布式实现的方案是完全可取的。随后,为了给基站管理研究提供一个努力的方向,并为所提出的基站管理方案提供一个参照的标准,本文对网络中基站节能的上界进行了推导。最后,基于简化后的典型网络及业务特征,对所提出的算法进行分析,并对BS开关决策结果、MS关联结果以及能量节约闭合表达式进行推导与分析。