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1、1基于博弈论和凸优化的异构网络资源分配方法研究答辩日期学号RESEARCHONRESOURCEALLOCATIONINHETEROGENEOUSNETWORK答 辩 人指导老师HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter2目录HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论3目录HarbinInstituteofTech
2、nology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论4HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录研究背景及意义国内外研究现状论文结构安排研究背景及意义每年的数据量都在翻倍增加业务密集地方覆盖情况不好宏基站中引入小基站，减轻宏基站的流量负担结合非授权频段，提高非授权频段的利用率，保证用户的通信服务要求l研究背景研究背景l研究意义研究意义5HarbinI
3、nstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录研究背景及意义国内外研究现状论文结构安排异构网络资源分配的国内外研究现状功率控制123654合作信道的子信道部署功率控制和子信道分配联合授权频段和非授权频段代价函数和功率控制博弈论和凸优化国内研究现状2008-2016年中兴、华为、中国移动以及学术机构集中在功率和频谱两方面的优化混合图论和复用频谱的干扰控制案用户类型权重的比例公平调度博弈论/凸优化代价机制LTE和LTE-U相结合国外研究现状2010年，J.G.Andrews建立基于泊松随机分布的接入模型2012年，Han-Shibjo
4、提出一种新的网络接入方法WangChiCheung同时控制宏基站和小基站的接入方式2014年至今，诺基亚、高通在广泛深入研究LTE-U方案6HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录研究背景及意义国内外研究现状论文结构安排论文结构7目录HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论8HarbinInst
5、ituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录异构网络干扰分析Wi-Fi数据包功率控制技术异构网络Part2由计算机、网络设备不同类型的网络组成网络终端设备可以由不同的生产商生产不同的网络和接口遵循不同的协议支持各种各样的应用不同类型的网络覆盖之间可以有重叠部分一般情况下是在宏网络中分布一些传输功率比较小的节点，形成异构网络异构网络（异构网络（HeterogeneousNetwork）9HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录异构网络干扰分析Wi-Fi数
6、据包功率控制技术异构网络中的干扰分析Part2干扰类型干扰源被干扰对象上行/下行同层干扰（Intra-Tier Interference, ITI）FBsFemtocell户下行Femtocell用户FBs上行跨层干扰（Cross-Tier Interference, CTI）MBsFemtocell用户下行FBsMacrocell用户下行Macrocell用户FBs上行Femtocell用户MBs上行10HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录异构网络干扰分析Wi-Fi数据包功率控制技术Wi-Fi数据包传输概
7、率Part2假设有n个站点，每一个站点总是有数据包需要传输，在饱和情况下，数据包发送时都需要等待前一个数据包成功发送，即有一个退避时间。11HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1目录异构网络干扰分析Wi-Fi数据包功率控制技术资源分配中功率分配技术Part2功率控制技术相关描述集中式功率控制算法需要集中控制中心：信道、功率以及信噪比等信息的搜索和存储目标是整个系统的吞吐量最大化算法复杂度高，对系统要求高集中式资源分配的性能最好分布式功率控制算法不需要网络拥有一个集中控制中心目标是自己吞吐量的最大化对于分布式功率控
8、制情况，通常采用博弈论理论方法实现方法简单，开销小，在实际中经常被用到半分布式功率控制算法结合集中式控制技术和分布式控制技术总控制中心和所有的基站共同完成资源分配12目录HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论13HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下
9、行功率分配异构网络下行链路功率分配Part1Part2Part3系统模型系统模型同时考虑N个同频干扰的基站每个基站内的活跃用户为U同频子信道的相邻基站用户之间存在同频干扰在同一个基站内，多个用户不能共享一个信道14HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3异构网络下行链路功率分配形成优化问题引入非合作博弈论净效用函数效用函数代价函数最优解：表示单位功率的价格15HarbinInstituteofTechnology|Communic
10、ationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3如果满足以下条件，则非合作博弈存在纳什均衡点1）是欧式空间的非空、闭的、有界凸集；2）在连续，在上拟凹；证：1）2）纳什均衡均衡点存在性证明纳什均衡均衡点存在性证明异构网络下行链路功率分配16HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3纳什均衡均衡点唯一性证明纳什均衡均衡点唯一性证明异构网络下行链路功率
11、分配17HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3因为标准方程收敛到唯一点，所以纳什函数的唯一性需要证明为标准函数：即满足正性、单调性和可量测性。证：2）单调性单调递减3）可测量性1）正性可测量性纳什均衡均衡点唯一性证明纳什均衡均衡点唯一性证明异构网络下行链路功率分配18HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi
12、下行功率分配Part1Part2Part3参数名称参数值系统总带宽10MHz子载波数600信道数目24MBs/FBs用户数目4MBs总功率45dBmFBs总功率25dBmMBs半径500mFBs半径50m误码率路径损耗指数阴影衰落指数8dB白噪声密度-174dBm/Hz流程图流程图仿真参数仿真参数异构网络下行链路功率分配19HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3b)每个用户吞吐量收敛性a)每个用户功率收敛性收敛性分析收敛性分析异
13、构网络下行链路功率分配20HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3随着代价因子的不断增加，系统的平均功率在不断的减少每个用户在提高自己的吞吐量的同时增加对其他同频使用者的干扰，这时该用户受干扰时，就会增加发射功率，从而增加自己的吞吐量，进入一个恶性循环状态当引入代价函数后，用户的对自己的高发射功率需要付出一定的代价，所以随着代价因子的增加，用户的发射功率也会逐渐的减少不同代价因子对系统平均功率的影响不同代价因子对系统平均功率的影响
14、异构网络下行链路功率分配21HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3随着代价因子的增加，系统的总吞吐量也在增加，但是当代价因子到达一定的值时，系统的总吞吐量不再增加，达到一个平衡状态可以选择最佳的代价因子，降低发射功率的同时也可以保证系统的吞吐量。不同代价因子对系统吞吐量的影响不同代价因子对系统吞吐量的影响异构网络下行链路功率分配22HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearch
15、Center目录下行功率分配系统模型分配算法仿真结果引入Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3随着代价因子的增加，系统公平性指数在不断的下降不同信道条件的下的用户，在提高自己发射功率的同时均要付出相同的代价，对于信道条件不理想的用户就会出现不公平。不同代价因子对公平性的影响不同代价因子对公平性的影响异构网络下行链路功率分配23HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配Part1Part2Part3系统模型系统模型问
16、题形成问题形成证明纳什均衡点存且唯一证明纳什均衡点存且唯一信道接通概率MBsFBs常数24HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配分配算法Part1Part2Part325HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配仿真结果与分析Part1Part2Part3仿真
17、参数参数值25dBm20MHz326路径损耗指数随着Wi-Fi用户数的增加，FBs用户占用非授权频段比例逐渐下降碰撞概率越小，FBs用户占用非授权频段比例就越小，保证低碰撞率的要求不同不同Wi-Fi用户数目下用户数目下FBs占用非授权频段的时间比例占用非授权频段的时间比例26HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配仿真结果与分析Part1Part2Part3a)每个用户吞吐量收敛性b)每个用户功率收敛性收敛性收敛性27Harb
18、inInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配仿真结果与分析Part1Part2Part3a)加入Wi-Fi后功率对比b)加入Wi-Fi后吞吐量对比引入引入Wi-Fi后的功率与吞吐量变化后的功率与吞吐量变化28HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率分配引入Wi-Fi下行功率分配系统模型分配算法仿真分析异构网络结合Wi-Fi下行功率分配仿真结果与分析Part1
19、Part2Part3a)加入Wi-Fi后功率对比b)加入Wi-Fi后公平性指数对比引入引入Wi-Fi后不同代价因子下功率与吞吐量变化后不同代价因子下功率与吞吐量变化29目录HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论30HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于
20、凸优化下行链路资源分配研究系统模型Part1Part2Part3Part4以FBs中用户的下行链路的吞吐量为研究目标采用时分方式公用MBs的系统频谱资源采用LBT机制分享Wi-Fi的非授权频段资源系统模型系统模型31HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化下行链路资源分配研究系统模型Part1Part2Part3Part4授权频段非授权频段问题形成问题形成32HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCente
21、r目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化下行链路资源分配研究系统模型Part1Part2Part3Part4FBs用户传输速率要求授权频段上的每个子信道占用时间比例限制FBs基站传输功率的限制FBs用户在每个信道上对MBs的用户干扰门限限制33HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化下行链路资源分配研究分配算法Part1Part2Part3Part4构造拉格朗日函数构造拉格朗日函数KKT条件条件34HarbinInstituteofTechno
22、logy|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化下行链路资源分配研究分配算法Part1Part2Part3Part4拉格朗日乘子迭代表达式KKT条件条件35HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化下行链路资源分配研究Part1Part2Part3Part4参数名称参数值MBs的覆盖范围500mFBs的覆盖范围50mWi-Fi的覆盖范围100mFBs的总功率35dBmFBs用户在非授权频段上的
23、发射功率25dBmMBs用户的发射功率30dBm非授权频段带宽20MHz授权频段上每个信道带宽2MHzWi-Fi用户数目4碰撞概率0.4FBs用户占用非授权频段总时间0.35FBs用户的QoS保障速率10Mbps路径损耗指数阴影衰落指数8dB白噪声密度-174dBm/Hz流程图流程图仿真参数仿真参数36HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化的下行链路资源分配研究仿真结果与分析Part1Part2Part3Part4信道数目为10，不同FBs用户数目下的在授权频段上
24、吞吐量变化情况随着用户数目的不断增加，每个用户数目下的授权频段吞吐量也是不断增加，但是增加幅度逐渐减少不同不同FBs用户数目下授权频段总吞吐量的变化用户数目下授权频段总吞吐量的变化37HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化的下行链路资源分配研究仿真结果与分析Part1Part2Part3Part4不同的MBs用户的干扰门限下，FBs用户在授权频段上吞吐量变化情况在MBs用户的干扰门限从-60dBm到-50dBm变化时，一个FBs中所有用户在授权频段上吞吐量在逐渐增
25、长随着MBs用户干扰门限的增加，FBs的用户在共享授权频段资源时会分配给信道条件好FBs用户更大的功率，这样就会增加FBs的总吞吐量不同干扰门限下授权频段用户速率的变化情况不同干扰门限下授权频段用户速率的变化情况38HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter目录下行功率和频谱联合分配系统模型分配算法仿真分析基于凸优化的下行链路资源分配研究仿真结果与分析Part1Part2Part3Part4不同的FBs用户QoS要求下，FBs用户占用授权频段吞吐量变化FBs用 户 的 QoS从 2Mbps到10Mbps时，FBs中用户在授权频
26、段上的吞吐量在逐渐下降随着FBs用户QoS要求的增加，需要更多的频谱资源保证QoS，所以之前为信道条件好的用户分配的资源就会变少，导致FBs用户在授权频段上的数据传输速率下降不同不同QoS要求下要求下FBs用户在授权频段上的平均吞吐量的变化情况用户在授权频段上的平均吞吐量的变化情况39目录HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenterPart1Part2Part3Part4Part5绪论异构网络资源分配相关技术基于非合作博弈论下行链路功率分配研究基于凸优化的下行链路资源分配研究结论40HarbinInstituteofTechno
27、logy|CommunicationResearchCenter目录结论总结与展望Part1Part2Part3Part4结论从减轻干扰角度，引入代价函数。建立非合作博弈模型，最大化FBs用户的净效用函数，证明纳什均衡解存在且唯一，算法收敛快。从频谱资源角度，引入Wi-Fi接入点，建立非合作博弈模型，证明纳什均衡解存在且唯一。减少了FBs用户发射功率，在MBs用户不增加己发射功率时可提高MBs用户的总吞吐量，进一步提高了公平性。从联合功率和频谱分配角度，建立模型，考虑CTI和ITI，最大化FBs用户下行数据传输速率，形成凸优化问题。从收敛性、FBs用户数目、MBs用户干扰门限及FBs的QoS要求等方面验证模型的合理性以及算法的可行性。41感谢您的批评指正！答辩日期学号RESEARCHONRESOURCEALLOCATIONINHETEROGENEOUSNETWORK答 辩 人指导老师HarbinInstituteofTechnology|CommunicationResearchCenter42 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
