（信号与信息处理专业论文）多蜂窝网络无线资源的协调优化分配.pdf

一一权书嬲 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向围家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本! 学位论文属于 学位论文作者签名： 日期：山f 年 ；月 保密口，在 不保密、。 f 幽丰 协日 年解密后使用本版权书。 指导刻嗽：f 佘辛丢旁 日期：即。1 年乡月山日 浙江理一f = 大学硕。卜学位论 摘要 随着蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，频谱资源日益紧缺，而用户对数据传输 的要求却越来越高，如何优化现有频谱资源，使有限的频谱资源得到有效利用是 当前研究的热点。o f d m 技术是新一代移动通信系统中的核心技术之一，而资 源分配对于o f d m a 系统的性能具有非常重要的影响。 基于o f d m a 的蜂窝移动通信中，蜂窝内的干扰问题已经得到很好地解决， 所以影响系统的主要问题来自蜂窝问干扰，每个蜂窝的资源分配都会影响其他蜂 窝的性能，所以需要研究多蜂窝o f d m a 系统的动态资源分配算法。在此算法中， 根据用户的信道瞬时增益信息自适应为用户分配资源，在满足一定的限制条件 下，有效提高资源利用率和系统容量。本文在多蜂窝的情况下，主要从速率自适 应准则( r a t ea d a p t i v e ) 出发研究了o f d m a 系统的动态资源分配算法。 本文研究的主要内容和创新点主要包括以下几点： 一、首先构造多蜂窝o f d m a 系统功率分配模型，优化目标为满足各基站 的功率限制条件下，最大化网络效用。为了使用分布式方法解决网络效用最大化 问题，同时克服完全非合作博弈的低效和合作博弈的庞大开销，我们提出基于价 格机制的非合作功率分配博弈算法( n c p g p ) ，通过交换信道信息协调相邻蜂窝 的发射功率，抑制蜂窝间干扰，提高系统效用。我们设计了一个高效率的分布式 价格机制，在理论上证明了基于定价非合作功率分配博弈算法中纳什均衡的存在 和收敛性。仿真结果阐明，n c p g p 算法相对于n c p g 算法、注水算法和平均功 率分配算法，其性能有显著提高，特别是在蜂窝问同频子载波干扰严重的场景下， 引入价格机制的博弈具备更加优异的性能。 二、由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于深衰落， 在多用户系统中，对某个用户不适用的子载波，对于其他用户来说，可能是性能 比较好的子载波。因此通过动态子载波分配，使信噪比高的子载波得到充分利用， 从而提高系统性能。我们在n c p g p 算法的基础上，提出了基于非合作博弈的多 蜂窝o f d m a 系统的资源分配算法。我们首先定义加权数据速率和表示单个蜂 窝的效用函数。然后，在最大功率限制条件下，把效用最大化问题模型化为基于 价格机制的非合作资源分配博弈。在该博弈中，各蜂窝内的基站通过独立控制子 载波和功率分配，实现自身的效用达到最大。仿真结果表明，提出的算法相对丁二 浙江理丁大学硕： ：学位论 完全非合作资源博弈，系统容量显著提升，子载波动态分配所实现的系统性能明 显优于子载波静态分配。 三、考虑到实际场景中基站的功率不一定都是连续可调，本文研究了离散功 率控制和子载波调度联合优化问题。从合作博弈理论的思想出发，使用分布式方 法解决网络效用最大化问题，为了避免最佳响应更佳响应收敛所产生的纳什均 衡点可能不是理想最优解的情况，同时也为避免枚举法所产生的巨大网络开销， 我们提出基于协商机制的效用最大化算法，通过自适应分配子载波和功率水平， 在满足各基站的最大功率限制条件下，实现系统效用最大化。我们从理论上证明 了算法以非常高的概率收敛于全局最优。在仿真过程中我们可以观察到，算法能 收敛于全局最优的概率非常高。 关键字：正交频分复用；多蜂窝网络；动态资源分配；博弈论；网络效用 浙江理t 大学硕 ：学化论 c o o r d i n a t e dw i r e l e s sr e s o u r c eo p t i m i z a t i o na l l o c a t i o ni n m u l t i c e l ln e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e s p e c t r u mr e s o u r c e sa r ei n c r e a s i n g l ys h o r t ，b u tt h er e q u i r e m e n t so fd a t at r a n s m i s s i o n b yt h eu s e r sa r ei n c r e a s i n g l yh i g h h o wt oo p t i m i z et h ee x i s t i n gs p e c t r u mr e s o u r c e s a n de f f e c t i v e l yu t i l i z et h el i m i t e d s p e c t r u mr e s o u r c e sa v a i l a b l ei saf o c u so ft h e c u r r e n tr e s e a r c h o f d m ai so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e so ft h en e x t - g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n s i g n i f i c a n t l y a f f e c t st h e p e r f o r m a n c e so ft h eo f d ms y s t e m t h ei n t r a - c e l li n t e r f e r e n c eh a sb e e nw e l ls o l v e di nt h ec e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do no f d m a h o w e v e rt h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ei st h e m a i np r o b l e ma f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m b e c a u s et h ea l l o c a t i o n sf o r e a c hc e l lw i l li m p a c tt h eo t h e rc e l l s f u n c t i o n s ，w en e e dt os t u d yt h ed y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rm u l t i c e l lo f d m a s y s t e m i nt h i sa l g o r i t h m ，r e s o u r c e sa r e a l l o c a t e df o ru s e r sa d a p t i v e l ya c c o r d i n gt ot h eu s e r s c h a n n e li n s t a n t a n e o u sg a i n i n f o r m a t i o n ，a n dt h er e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t ea n ds y s t e mc a p a c i t i e sa r ee f f e c t i v e l y i m p r o v e dw h i l es a t i s f y i n gc e r t a i nc o n s t r a i n t s i nt h em u l t i c e l ln e t w o r k ，w es t u d yt h e d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rt h eo f d m as y s t e mf r o mr a t ea d a p t i v e r u l e si nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t si n t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d et h e f o l l o w i n g s ： 1 、f i r s t l y , w ef o r map o w e ra l l o c a t i o nm o d e lf o rt h em u l t i c e l lo f d m as y s t e m a n dt r e a to p t i m i z a t i o no f t h en e t w o r k u t i l i t ys u b j e c t e dt ot h ep o w e rl i m i t a t i o n so f e a c h b a s es t a t i o na st h eo p t i m a lo b j e c t i v e i no r d e rt ou s et h ed i s t r i b u t e dm e t h o dt os o l v e t h eu t i l i t yo p t i m i z a t i o np r o b l e mf o rt h en e t w o r ka n dt oo v e r c o m et h ei n e f f i c a c yo ft h e p u r en o n c o o p e r a t i v eg a m ea n dt h eh u g ee x p e n s e so ft h ec o o p e r a t i v eg a m e ，w ep u t f o r w a r dan o n c o o p e r a t i v ep o w e ra l l o c a t i o ng a m ev i ap r i c i n gm e c h a n i s ma l g o r i t h m ( n c p g p ) b ye x c h a n g i n gt h ec h a n n e li n f o r m a t i o nt oa d j u s tt h et r a n s m i s s i o np o w e r s l i t 浙江理工大学硕：l ：学位论 o ft h ea d j a c e n tc e l l s ，t h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec a l lb er e s t r a i n e da n dt h es y s t e mu t i l i t y c a nb ee n h a n c e d i nt h i sp a p e r , w ed e s i g na ne f f i c i e n td i s t r i b u t e dp r i c em e c h a n i s m ， a l s ow e t h e o r e t i c a l l yp r o v et h ee x i s t e n c eo f t h en a s he q u i l i b r i u ma n dt h ec o n v e r g e n c e o ft h en c p g et h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u n c t i o n so ft h en e t w o r ku s i n gt h e n c p g pa r eo b v i o u s l yb o o s t e d ，c o m p a r e dw i t ht h en e t w o r ku s i n gn c p ga l g o r i t h m ， w a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h ma n dt i l ea v e r a g ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y e s p e c i a l l yw h e nt h ei n t e r f e r e n c eo ft h es u b c a r r i e r so nt h ec o m m o nc h a n n e lb e t w e e n c e l l si sq u i t es e r i o u s ，t h eg a m ev i ap r i c i n gm e c h a n i s mh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e s 2 、b e c a u s eo ft h ee x i s t i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v i t yo nw i r e l e s sc h a n n e l s ，s on o ta ll t h es u b c a r r i e r sa r ei nd e e pf a d i n g i nt h em u l t i u s e rs y s t e m ，f o ro mu s e r , t h e s u b - c a r r i e rm a yb en o ta p p r o p r i a t ef o rh i m b u tf o ra n o t h e r , i tm a yb eab e t t e ro n e t h e r e f o r e ，t h es u b - c a r r i e rw i t ht h eh i g hs i n rc a nb ef u l l yu s e db yt h ed y n a m i c s u b c h a n n e la l l o c a t i o na n dt h e nt h ep e r f o r m a n c e so ft l ms y s t e ma r ea c c o r d i n g l y e n h a n c e d o nt h eb a s i so ft h en c p g p a l g o r i t l 、r n ，w ep r e s e n tt h er e s o u r c ea l l o c a t i o n s a l g o r i t h mf o rt h em u l t i - c e l lo f d m as y s t e mv i an o n c o o p e r a t i v eg a m e w ef i r s t l y d e f i n et h ew e i g h e dd a t ar a t e sa n dt h eu t i l i t yf u n c t i o no fas i n g l ec e l l t h e nt h eu t i l i t y m a x i m i z a t i o np r o b l e mi st r a n s f o r m e di n t oan o n - c o o p e r a t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ng a m e c o n s t r a i n e db yt h em a x i m u mp o w e r i nt h i sg a m e ，t h eb a s es t a t i o n si ne a c hc e llr e a li z e t h e i ro w nu t i l i t ym a x i m i z a t i o nb yc o n t r o l l i n gs u b c a r r i e r sa n dp o w e ra l l o c a t i o n ， r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，r e l a t i v et o p u r en o n c o o p e r a t i v er e s o u r c eg a m et h e o r y , c a nm a k et h es y s t e mr e s o u r c ec a p a c i t y s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ，a n dt h es y s t e mf u n c t i o n sw h i c ha r ei m p l e m e n t e db y t h e s u b - c a r r i e rd y n a m i ca l l o c a t i o na r eb e t t e rt h a nt h es u b - - c a r r i e rs t a t i ca l l o c a t i o n 3 、c o n s i d e r i n gt h ep o w e ro ft h eb a s es t a t i o ni n t h er e a ls c e n ec a nn o tb e c o n t i n u o u s l ya d j u s t a b l e ，w es t u d yt h ej o i n t l yo p t i m a ld i s c r e t ep o w e rc o n t r o la n d s u b c a r r i e r ss c h e d u l i n gp r o b l e m b a s e do ng a m et h e o r y , w eu s et h ed i s t r i b u t e d m e t h o dt os o l v et h en e t w o r ku t i li t ym a x i m i z a t i o np r o b l e m f o ra v o i d i n gt h en a s h e q u i l i b r i u mp o i n t s o b t a i n e df r o mt h eb e s tr e s p o n s e b e t t e rr e s p o n s ec o n v e r g e n c e m e t h o d sa r en o ti d e a lo p t i m a ls o l u t i o n sa n da l s oa v o i d i n gt h eh u g en e t w o r k e x p e n d i t u r eg e n e r a t e db ye x h a u s t i v em e t h o d ，w ep r o p o s et h eu t i li t ym a x i m i z a t i o n i v 浙江理工大学硕：l 学位论 a l g o r i t h mb a s e do n c o n s u l t a t i o nm e c h a n i s m t h r o u g ha d a p t i v ea l l o c a t i n gt h e s u b c a r r i e r sa n dp o w e rl e v e l s ，t h es y s t e mu t i l i t ym a x i m i z a t i o na r er e a l i z e ds u b j e c t e d t ot h em a x i m u mp o w e r so fe a c hb a s es t a t i o n a l s ow et h e o r e t i c a l l yp r o v et h e a l g o r i t h mw i t hv e r yh i g hp r o b a b i l i t yc o n v e r g e st ot h eg l o b a l l yo p t i m a l t h i sp r o p e r t y c a nb eo b s e r v e di nt h es i m u l a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：o f d m a ；m u l t i c e l ld y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ；g a m et h e o r y ；n e t w o r k u t i l i t y v 浙江理工大学硕一l - 学位论 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2o f d m 技术简介2 i 2 io f d m 基本原理2 1 2 2o f d m 技术的发展与应月j 3 1 3 本文研究的背景和意义3 1 4 论文结构安排4 第二章博弈论在多蜂窝0 f d y a 系统资源分配中的应用6 2 1 博弈论概述6 2 2 基于蹲弈论o f d m a 系统资源分配算法8 2 2 i 速率自适应9 2 2 2 余量自适应1 2 2 3 本章小结1 3 第三章基于定价机制的非合作功率博弈1 4 3 1 系统模型与问题描述1 4 3 2 基于定价机制的非合作功率分配博弈1 6 3 3 基于定价机制的非合作功率分配博弈算法描述1 8 3 4 基于定价机制的非合作功率分配博弈纳什均衡的存在和收敛性证明2 0 3 5 各基站的功率向量更新算法：对偶分解2 4 3 5 1 对偶分解2 4 3 5 2 对偶分解子问题2 5 3 5 3 各基站的功率向量更新算法2 6 3 6 仿真及性能分析2 7 3 6 1 仿真模型及参数设置2 7 3 6 2 仍真结果及性能分折2 8 浙江理工大学硕：l 学位论 3 7 木章小结3 3 第四章基于定价机制的非合作资源分配博弈3 4 4 1 系统模型与问题描述3 4 4 2 非合作资源分配博弈3 5 4 3 基于定价非合作博弈资源分配算法捕述3 9 4 4 仿真参数设置和结果分析3 9 4 5 本章小结4 2 第五章基于协商机制的资源分配合作博弈4 3 5 1 势能博弈理论4 3 5 2 系统模型与问题描述4 4 5 3 基于协商机制的资源分配合作博弈4 5 5 4 基于协商机制的资源分配合作博弈算法揣述4 6 5 5 基于协商机制的资源分配合作博弈算法收敛性证明4 8 5 6 仿真分析5 0 5 6 1 仿真参数设霭5 0 5 6 2 仿真结果与性能分析5 1 5 7 本章小结5 3 第六章总结和展望5 4 参考文献5 6 致谢6 0 攻读学位期间的研究成果6 1 浙江理1 = = 大学硕：i 二学位论 第一章绪论 1 1 引言 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是能在任何时间、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息。 显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。 纵观移动通信的发展史，经历了从模拟通信到数字通信的巨大变革。第一代 模拟式蜂窝移动通信系统是模拟制式的频分双工系统，他只能提供语音服务，不 能提供数据业务和自动漫游业务，且容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、 通话质量低等缺点；第二代全球数字蜂窝系统解决了第一代移动通信系统的诸多 问题，但该系统仍然存在数据传输速率低、容量不大、多种制式不兼容等缺点： 第三代移动通信系统在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带c d m a 技术为主，并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统，数据传输速率可达 2 m b i t s 。然而对于第三代移动通信系统的核心网，并没有完全脱离第二代系 统的核心网架构，仍无法满足未来多媒体通信的要求，因此，人们把目光越 来越多的投向第四代移动通信系统。第四代移动通信系统将具有更高的数据传输 速率和传输质量，支持包括非对称性业务在内的多种业务，能实现全球范围内多 个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信与i p 网络、多媒体通信不断融合 是未来网络发展的所趋【。 由于人们对数据传输速率和服务质量( q o s ) 的要求越来越高，所以对通信 网络的性能和频谱带宽提出了更高的要求。在无线通信网络中，频谱资源十分稀 缺，因此必须通过使用先进技术或者引用高效算法，能够充分、高效的利用频谱 资源，以满足高速率数据传输和大容量的业务需求。无线信道的一个重要特点是 多经传播，它使接收信号相互重叠，产生码问干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号 带宽超过信道相于带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰 落。为了克服高速数据在无线信道下的多径衰落，人们提出了多载波调制( m c m 技术) ，它采用多个载波信号，把高速数据流分解为若干个子数据流，使得子数 据流具有较低传输比特速率，利用这些数据分别去调制若干个子载波。o f d m ( 正 交频分复用) 多载波凋制技术中的一种，他拥有频谱利用率高、抗码间干扰( i s i ) 浙江理i t 大学硕。t ：学化论 能力强、抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强和较强的抗多径衰落能力等优点， 可以有效提高系统容量，更重要的是它能很好的满足多媒体通信业务的要求，成 为第四代移动通信系统的关键技术1 2 】【3 1 。 1 2o f d m 技术简介 1 2 1o f d m 基本原理 o f d m 思想来自于频分复用( f d m ) 的概念。在传统的f d m 中，是一种将多 路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复 用技术，不同信道的信号在频域上是相互独立的。由子信号在频域有扩散现象， 以及滤波器也不能做成理想状态，所以，为了防止柏邻信道问的信号相互干扰， 需要在两个信道之间留有较大的频率间隔( 即保护带宽) ，从而导致频带利用率下 降】。 o f d m 的主要思想是：在频域上将信道分成许多正交子载波，各予载波的载 波间保持正交，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子载 波上进行传输。所有子载波都在时间和频率上同步，子载波之间的干扰被严格控 制。这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀 作为保护间隔，所以不会发生载波问干扰( i c i ) 【6 】。由于每个子载波的带宽仅仅 占原频带带宽的很小部分，信道均衡变得相对容易。与传统f d m 多载波调制技 术相比，大大提高了频带利用率，如图1 1 所示。此外，o f d m 还有一个重要的 特点，可以利用快速傅立叶变换和逆变换，实现调制和解调，从而大大简化系统 实现的复杂度。 正交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术 图1 1f d m 和o f d m 带宽利用率的比较 2 频率 频率 浙江理丁大学硕二i ：学位论 1 2 2o f d m 技术的发展与应用 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，其思想来自于频分复m ( f d m ) 的 概念。在频分复用系统中，整个信号频段被分为个相互不重叠的频率子载波， 每个子载波传输独立调制符号，然后再将个子载波进行频率复用。这种方法 虽然有利于消除信道间干扰，但频带利用率低。与f d m 技术不同的是，o f d m 主要是将整个信道分成个正交子载波。它克服了f d m 中并行传输方式的两个 缺点：( 1 ) 频谱利用率低；( 2 ) 存在多个载波时，需要多个调制解调模块。o f d m 特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。能有效 对抗多径效应，消除l s l ，对抗频率选择性衰落，信道利用率高1 7 1 。 现阶段o f d m 技术已取得相当广泛的应用，可以归纳为以下几点： l 、应用于数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ) ，是第一个以o f d m 作为传输技术的标准喁1 。 2 、高清晰度数字电视( h d t v ，h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，采用o f d m 技术 很好的解决了由于传输速率高( 大于6 m s ) 而受多径衰落的影响更加严 重。 3 、o f d m 在w l a n 中的应用，新一代w l a n 技术标准女1 h i p e r l a n 2 标准和 无线局域网i e e e s 0 2 1i a ( 5 g h z 频带) ，i e e e s 0 2 1l g ( 2 5 g h z 频带) 标准均采用o f d m 技术。 4 、宽带无线接入( b w a ) 中的o f d m ，i e e e8 0 2 1 6 3 2 作组开发的标准i e e e 8 0 2 1 6 a ，物理层采用了o f d m 技术，一些公司开发的技术如v 一0 f d m 、 w 0 f d m 、f l a s h ，o f d m 均基于o f d m 。 5 、第四代通信系统技术的研究1 1 j ，o f d m 是关键技术之一。可以结合分集、 干扰抑制、智能天线等技术【3 1 ，最大限度的提高了系统性能。 1 3 本文研究的背景和意义 随着蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，频谱资源目益紧缺，而用户对传输的需 求越来越高，如何优化现有频谱资源，使有限的频谱资源得到有效利用具有十分 重要的现实意义。o f d m 技术是新代移动通信系统中的核心技术之一，在 o f d m a 系统中，资源分配对于系统的性能具有非常雹要的影响。尽管o f d m 技 术应用到移动通信领域有着独特的优势，但在实勋i 应，l 1 h , j ，任有以下几个关键技 浙江理t 大学硕一h 学位论 术问题需要解决。1 ) 资源分配；2 ) 同步技术；3 ) 信道估计；4 ) 峰均功率比。 根据o f d m 原理可以知道，o f d m a 系统把信道划分为许多个正交子载波， 系统能够根据各个子载波的瞬时信道信息，自适应的为子载波分配信息比特数和 功率。由于无线信道传播的开放性和信道参数变化的时变性，假如采用静态资源 分配方案，为保证可用性，只能根据信道性能较差情况和最低要求设计，从资源 利用效率角度来说是一种极大的浪费。对于动态资源分配方法，充分地利用了信 道的瞬时增益信息，自适应的为每个用户分配功率、子载波和比特数。采用动态 资源分配方案，使系统资源利用率得以显著提升。 多蜂窝o f d m a 系统中的动态资源管理策略，通过为不同用户合理分配功率 和子载波，能够减少基站的发射功率和降低误码率，可以有效提高频带利用率， 与此同时，系统容量或总数据传输速率也将得到有效提高，具体而言就是具有较 大信道增益的子载波采用高阶调制方式传输更多的比特，而处于深衰落的子载波 传输较少比特甚至不进行数据传输，不同的子载波在不同的衰落条件下传输不同 的比特数，传输功率也随之进行相应的改变。采用动态资源分配的o f d m a 系统 可以更有效的使用子载波，因为某个子载波可能对某个用户而言处于深衰落，而 对另一个用户则不是。动态资源分配方案，依赖信道瞬时信息，合理自适应的实 玑功率和子载波分配，使得网络性能得到湿著提升，所以在实际应用中，动态资 源分配方案备受青睐【9 】o 根据服务质量和业务要求的不同，子载波的瞬时特性，在满足一定的条件下， 改变系统资源分配方案，可以优化系统性能，使得频谱效率和资源利用率得到大 幅度提高。由于多蜂窝系统的引入和无线传输信道的时变特性，使得处理资源优 化问题变的相当困难。因此研究和利用最新的理论和方法解决功率、子载波和比 特数分配问题，以及如何协调功率分配、子载波分配和比特分配之间的关系问题， 具有十分重要的理论和现实意义【m 】。 1 4 论文结构安排 第一章首先简要介绍了移动通信的发展历程和o f d m 技术的基本原理，为研 究基于o f d m a 系统资源分配问题提供理论基础，然后阐述了本谍题研究的意 义。 第二章首先介绍自适应功率分配的理论基础，由于本文算? j i l l j 主要思想是基 4 浙江理丁大学硕二i j 学位论 于博弈理论，在本章节巾，详细介绍博弈理论巾几个重要概念，同时介绍多蜂窝 o f d m a 系统资源分配的研究进度，将动态资源分配模型主要分为两大类型：速 率自适应和余量自适应。详细介绍目前博弈理论在动态资源分配中应用。 第三章首先构造多蜂窝o f d m a 系统功率分配模型，优化目标为满足各基 站的功率限制条件下，最大化网络效用。为了使用分布式方法解决网络效用最大 化问题，同时克服完全非合作博弈的低效和合作博弈的庞大开销，本文提出基于 价格机制的非合作功率分配博弈算法( n c p g p ) ，通过交换信道信息协调相邻蜂 窝的发射功率，抑制蜂窝间干扰，提高系统效用。在提出的博弈算法中，本文设 计了一个高效的分布式价格机制，从理论上证明了纳什均衡点的存在和有效性。 仿真结果阐明，n c p g p 算法相对于n c p g 算法、注水算法和平均功率分配算法， 其性能有显著提高，特别是在蜂窝问同频子载波干扰严重的场景下，引入价格机 制的博弈算法具备更加优异的性能。 第四章提出基于非合作博弈的多蜂窝o f d m a 系统的资源分配算法。由于 无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于深衰落，在多用户系 统中，对某个用户不适用的子载波，对于其他用户来说，可能是性能比较好的子 载波。因此通过动态子载波分配，使信噪比高的子载波得到充分利用，从而提高 系统性能。本文在n c p g p 算法的基础上，提出了基于非合作博弈的多蜂窝 o f d m a 系统的资源分配算法。本文首先定义加权数据速率和表示单个蜂窝的效 用函数。然后，在最大功率限制条件下，把效用最大化问题模型化为非合作资源 博弈。在该博弈中，各蜂窝内的基站通过独立控制子载波和功率分配，实现自身 的效用达到最大。仿真结果表明，提出的算法相对于完全非合作资源博弈，系统 容量显著提升，子载波动态分配所实现的系统性能明显优于子载波静态分配。 第五章从合作博弈理论的思想出发，使用分布式方法解决网络效用最大化问 题，为了克服最佳响应更佳响应收敛的纳什均衡点可能不是一个理想的最优解， 同时克服枚举法所产生的巨大网络开销，本文提出基于协商机制的效用最大化算 法，通过自适应分配子载波和功率水平，在满足各基站的最大功率限制条件下， 实现系统效用最大化。本文从理论上证明了算法以非常高的概率收敛予全局最 优。通过仿真可以观察到，算法能以非常高的概率收敛于全局最优。 第六章总结了论文的主要内容和工作，并展望下一步的研究方向和重点。 浙江理工大学硕：j ：学化论 第二章博弈论在多蜂窝o f d m a 系统资源分配中的应用 2 1 博弈论概述 博弈论本质上是一个系统数学模型框架，用来模型化和分析理智决策者之间 的竞争与合作。因此，他能够满足开发自主、分布式以及灵活的移动网络的需求， 其一一f 1 网络设备可以做出独立、合理的决策：以及需要复杂度低的分布式算法，可 以有效地表达网络实体之问的竞争或合作情况。 博弈是指一些个人、团体或者其他组织，面对一定的环境条件，在一定的约 束条件下，依靠所掌握的信息，同时或先后，一次或多次，从各自可能的行为或 策略集合中进行选择并实施，各自从中取得相应结果或收益的过程。下面对博弈 论的几个重要的基本概念给出明确的定义】。 ( 1 ) 参与者( p l a y e r ) ，指的是一个博弈中的决策主体。参与人参加博弈的目 的是通过合理选择自己的行动，希望取得最大化自己的收益( 或效用) 水平。 ( 2 ) 信息( i n f o r m a t i o n ) ，指的是参与者在博奔过程中能了解到和观察到的知 识。这些知识包括“自然”的选择( 即不以搏弈参与者的意志为转移的外 生事件) ，其他参与者的特征和行动等。 ( 3 )博弈策略( s t r a t e g i e s ) ，指的是参与者如何对其他参与者的行动做出反 应的行动规则，它规定参与者在什么时候该选择什么行动，以保证自身 利益最大化。 ( 4 ) 收益( p a y o f f ) ，是指在一个特定的策略组合下参与者得到的确定的效用 或期望效用。一个参与者的收益不仅取决与自己的策略选择，而且取决 于所有参与者的策略选择。或者说，收益是所有参与者各选定一个策略 形成的策略组合的函数。 ( 5 ) 均衡( e q u i l i b r i u m ) ，是指所有参与人的最优策略或行动的组合。通常记 为s = ( s ，：) ，其中s j 是参与者，在均衡状态下的最优策略，他 是参与者i 所有可能的策略中使收益最大化的策略。通常1 , 1 ，是所有参 与者策略组合的函数，而参与者i 的最优策略又依赖于其他参与者的策 略选择。所以说，是给定其他参与者的策略选择【记为 6 浙江理丁大学硕? i 二学位论 & ，= ( 墨，s - p 墨+ ，矗) 】条件下参与者i 的最优策略， 即 “，( s 。，s h ，暑+ ，晶) ( _ ，薯一，i ，s t 卅，s i ，) ，对一切l s ，i 。 显然，如果对所有的f = 1 , 2 ，7 上式同时成立，就产生一个均衡。 博弈表达的基本式( 或策略式) 由参与者集合、策略空间s 和收益函数m 三个要素组成，即g = n ，s ，”) ，其中n2 1 ，2 ，”) ，s = s ，是，s ，) ， 甜= f ，u 2 ，2 1 ，) 。收益函数一它表示第，位参与者在不同策略组合下所得到的收 益。 博弈论中有两个非常重要的概念，纳什均衡( n e ，n a s he q u i l i b r i u m ) 和帕累托 最优( p a r e t oo p t i m a l i t y ) 。