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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,RESEARCH ON RESOURCE ALLOCATION IN HETEROGENEOUS NETWORK,答辩人,指导老师,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,目 录,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,Part 1,Part 2,Part 3,Part 4,Part 5,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,目 录,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,Part 1,Part 2,Part 3,Part 4,Part 5,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,研究背景,研究意义,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,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提出一种新的网络接入方法 Wang Chi Cheung 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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,目 录,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,Part 1,Part 2,Part 3,Part 4,Part 5,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 2,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（Heterogeneous Network）,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,目 录,异构网络 干扰分析 Wi-Fi数据包 功率控制技术,异构网络中的干扰分析,Part 2,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,目 录,异构网络 干扰分析 Wi-Fi数据包 功率控制技术,Wi-Fi数据包传输概率,Part 2,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。,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 2,目 录,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,Part 1,Part 2,Part 3,Part 4,Part 5,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,异构网络下行链路功率分配,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,纳什均衡均衡点唯一性证明,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,流程图,仿真参数,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,b) 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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research 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,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,异构网络下行链路功率分配,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,系统模型,问题形成,证明纳什均衡点存且唯一,信道接通概率,MBs,FBs,常数,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,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Wi-Fi用户数目下FBs占用非授权频段的时间比例,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,a) 每个用户吞吐量收敛性,b) 每个用户功率收敛性,收敛性,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,a) 加入Wi-Fi后功率对比,b) 加入Wi-Fi后吞吐量对比,引入Wi-Fi后的功率与吞吐量变化,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,a) 加入Wi-Fi后功率对比,b) 加入Wi-Fi后公平性指数对比,引入Wi-Fi后不同代价因子下功率与吞吐量变化,目 录,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,Part 1,Part 2,Part 3,Part 4,Part 5,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,授权频段,非授权频段,问题形成,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,FBs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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,构造拉格朗日函数,KKT条件,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,拉格朗日乘子迭代表达式,KKT条件,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,流程图,仿真参数,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,信道数目为10，不同FBs用户数目下的在授权频段上吞吐量变化情况 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FBs用户数目下授权频段总吞吐量的变化,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,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,Harbin Institute of Technology | Communication Research Center,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,Part 4,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中用户在授权频段上的吞吐量在逐渐下降