协作和感知网络中基于博弈论的资源分配研究

论文摘要

人们对便捷通信的强烈渴望推动了无线通信技术的飞速发展,新技术和新应用层出不穷。OFDM技术通过在子载波上并行传输,提高了频谱效率,对抗了多径衰落,已经成为下一代无线通信系统物理层首选的传输技术。协同通信技术以虚拟MIMO的方式获取空间分集,为MIMO技术的实用化另辟蹊径。感知无线电技术实现了动态频谱共享,使无线资源分配和利用的方式发生了根本的改变。资源的分配和调度是无线通信系统一个永恒的主题,如何在新技术和新系统中高效合理地管理稀缺的无线资源,成为未来无线通信系统急需解决的重要问题。面对新的问题,也产生了新的研究方法。协同通信技术引入了网络用户之间的互动,感知无线电技术使得网络用户具备了认知智能,资源分配中的竞争与合作行为受到了普遍的关注。经济学领域中强有力的数学工具——博弈论被自然地借鉴,用于分析无线资源分配中网络用户之间相互影响的决策行为。本论文以基于OFDMA的协同通信系统和感知无线电网络为背景,采用博弈论的观点,研究了这些系统中的资源优化分配问题,提出了相应的创新性解决方案,并进行了详细的理论分析和性能仿真。论文的主要贡献包括以下三个方面：1.在由一个基站和两个用户构成的三节点对称协作OFDMA上行系统中提出了一种基于规范纳什议价解的动态协作子载波和功率分配方案。在用户最大功率和最小速率约束下,同时考虑系统效率和用户间的公平性,资源分配问题被建模为两个参与人的子载波和功率分配议价博弈。引入等效直传信道增益将中继链路等效为直传链路,简化子了载波的分配。设计了子载波传输模式选择策略,为两个用户增添了选择子载波传输模式的博弈策略。开发了基于规范纳什议价解的动态子载波分配方案,以确保分配中效率和公平性的折衷。基于动态子载波分配的结果,在规范纳什议价解的框架下,设计了基于启发式算法和基于凸优化技术的功率分配方案,在每个用户分得的子载波上自适应地调节功率。通过计算机仿真,从子载波传输模式的选择以及不同传输模式的功率消耗的角度分析了相互作用的理性用户的决策过程。仿真结果表明,所提出的方案在两个用户的和速率、每个用户的速率以及用户间的公平性方面与基于最大最小公平的非合作方案相比都得到了改善。2.在基于OFDMA的感知无线电网络中提出了基于广义纳什议价解和基于RKS议价解的两种动态子载波分配方案,在用户数目和业务需求不对等的两个从网络小区之间实现了公平的子载波分配。采用一阶两状态马尔科夫链模型刻画出子载波上主用户的活动性,采用速率折扣因子体现主用户活动对感知用户使用子载波造成的速率损失。基于合作博弈理论,将从网络中两个小区之间的子载波分配问题建模为议价博弈,设计了基于广义纳什议价解和RKS议价解的动态子载波分配方案。小区内部的子载波分配被构建为一个指派问题,基于改进的匈牙利算法实现了子载波和感知用户之间的指派。仿真结果表明,所提出的两种方案可以在用户数目和业务需求不对等的小区之间实现公平的子载波分配。考虑到主用户的活动性,两种方案在对时变资源进行分配时公平性能可以得到进一步改善,明显优于基于最大最小公平算法的资源分配方案。3.在基于OFDMA的感知无线电网络中提出了一种基于VCG机制的多个赢家的子载波拍卖博弈,并结合迭代功率分配,实现了空间频率复用,最大化了从网络的和速率。在基于OFDMA的感知无线电网络中考虑到空间频谱复用,以干扰判据和邻接矩阵描述感知链路在子载波上两两之间的冲突关系,最大化从网络和速率的问题被建模为基于VCG机制的多个赢家的子载波拍卖博弈。通过逐一求解单个子载波上的二进制整数规划问题获得最优解。在子载波拍卖的基础上,结合功率分配进一步提高从网络的吞吐量。最大化干扰信道上和速率的功率分配问题被建模为一个非合作博弈,通过基于定价的迭代注水算法分配功率。仿真结果表明,所提出的结合功率分配的子载波拍卖方案有效地提高了感知无线电网络无线资源的利用效率

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线通信的发展历程
• 1.2 协同通信的基本概念和主要研究方向
• 1.3 感知无线电的基本概念和关键技术
• 1.4 无线资源管理的研究内容和方向
• 1.5 论文的主要内容及组织结构
• 1.5.1 论文的研究内容及意义
• 1.5.2 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 博弈论的思想方法和基本概念
• 2.1 博弈论的思想与方法
• 2.2 博弈的经典框架及其分类
• 2.3 合作博弈
• 2.3.1 合作博弈的定义
• 2.3.2 合作博弈的解
• 2.4 非合作博弈
• 2.4.1 非合作博弈的定义
• 2.4.2 非合作博弈的解
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于合作博弈的协作OFDMA网络资源分配
• 3.1 协作OFDMA网络资源分配研究背景
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 等效直传信道增益
• 3.2.2 传输模式选择策略
• 3.3 基于NBS的资源分配
• 3.3.1 博弈模型和问题建模
• 3.3.2 动态子载波分配
• 3.3.3 基于启发式算法的功率分配
• 3.3.4 基于凸优化技术的功率分配
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 附录
• 参考文献
• 第四章 基于合作博弈的OFDMA CRN资源分配
• 4.1 基于博弈论的CRN资源分配研究背景
• 4.1.1 博弈的模型和解应用
• 4.1.2 基于合作博弈的相关研究
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 OFDMA CRN资源分配系统模型
• 4.2.2 PRUs活动性建模
• 4.3 小区之间基于议价博弈的子载波分配
• 4.3.1 基于GNBS的动态子载波分配
• 4.3.2 基于RKSBS的动态子载波分配
• 4.4 小区内部基于匈牙利算法的子载波指派
• 4.5 仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 附录
• 参考文献
• 第五章 基于非合作博弈的OFDMA CRN资源分配
• 5.1 CRN中资源分配的非合作博弈
• 5.1.1 拍卖博弈简介
• 5.1.2 基于拍卖的CRN资源分配
• 5.2 OFDMA CRN中基于拍卖的子载波分配
• 5.2.1 干扰约束和邻接矩阵
• 5.2.2 VCG拍卖机制
• 5.2.3 基于VCG机制的多个赢家的子载波拍卖
• 5.3 OFDMA CRN中基于定价的迭代功率分配
• 5.3.1 问题建模和博弈模型
• 5.3.2 定价函数设计
• 5.3.3 迭代功率分配
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作总结
• 6.2 下一步的研究工作和展望
• 缩略语
• 致谢
• 作者攻读博士学位期问发表的学术论文