本文關(guān)鍵詞：5G小蜂窩系統(tǒng)功率控制方法研究

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【摘要】：現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量受到頻譜資源和能耗的雙重約束,因此如何以受限的頻譜與能量大幅度地提高網(wǎng)絡(luò)容量是未來(lái)5G移動(dòng)通信的一個(gè)很大挑戰(zhàn)。作為新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),小蜂窩技術(shù)能夠有效地解決容量提升以及能效提高等問(wèn)題,因此受到業(yè)界廣泛關(guān)注。然而在引入小蜂窩之后,蜂窩移動(dòng)通信出現(xiàn)新的特點(diǎn)：密集多小區(qū)、兩層網(wǎng)絡(luò)和自組織特點(diǎn),使得小蜂窩系統(tǒng)的資源管理非常復(fù)雜。為了提高小蜂窩系統(tǒng)的性能,本文就小蜂窩系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)展開(kāi)研究。首先,研究了小蜂窩系統(tǒng)高譜效功率控制方法。首先根據(jù)非協(xié)作博弈理論形成一個(gè)功率控制游戲,并在給定總的傳輸功率的情況下,每一個(gè)小基站都各自?xún)?yōu)化自己的吞吐量。然后,提出采用幾何注水方法對(duì)每一個(gè)小基站的吞吐量?jī)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解,從而實(shí)現(xiàn)了小蜂窩系統(tǒng)中的分布式功率控制。仿真結(jié)果表明在給定總的傳輸功率下,所提算法夠?qū)⑿》涓C通信系統(tǒng)的吞吐量提高將近20%。同時(shí)仿真結(jié)果揭示了隨著總傳輸功率的變化,系統(tǒng)能效與系統(tǒng)吞吐量之間存在一種折衷關(guān)系,可以根據(jù)能效和吞吐量的不同需求對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。其次,研究了小蜂窩系統(tǒng)高能效功率控制方法。首先提出根據(jù)非協(xié)作博弈論形成一個(gè)功率控制游戲,使得每個(gè)小蜂窩能夠各自?xún)?yōu)化自己的性能。在這個(gè)非協(xié)作功率控制游戲中,每個(gè)小基站將能效作為優(yōu)化目標(biāo),并形成了一個(gè)非凸的優(yōu)化問(wèn)題。然后,采用無(wú)參數(shù)分式規(guī)劃方法和透視函數(shù)的概念,將非凸的能效優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)等價(jià)的凸優(yōu)化問(wèn)題,以進(jìn)一步降低優(yōu)化問(wèn)題求解的復(fù)雜度。最后,提出采用混合罰函數(shù)法將所形成的有約束凸優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)等價(jià)的無(wú)約束凸優(yōu)化問(wèn)題。其中,非等式約束條件是通過(guò)對(duì)數(shù)罰函數(shù)消除的,等式約束是通過(guò)二次罰函數(shù)消除的。此外,通過(guò)理論推導(dǎo)證明了納什均衡的存在性和唯一性。仿真結(jié)果揭示了,在給定最低吞吐量的約束的情況下,采用所提出的算法時(shí),系統(tǒng)能效隨著最大功率約束值的增加先增加然后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值,改善了使用已有方法優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量時(shí)最大功率約束值增加到一定程度系統(tǒng)能效急劇下降的情況。再次,研究了小蜂窩系統(tǒng)高譜效低功耗功率控制方法。首先根據(jù)斯坦克爾伯格博弈同時(shí)對(duì)宏基站和小基站的功率控制問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,其中將宏基站作為領(lǐng)導(dǎo)者,小基站作為跟隨者。然后通過(guò)兩層迭代對(duì)所形成的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。在第一層迭代中,宏基站與小基站之間相互博弈,宏基站根據(jù)其他小基站的行動(dòng)計(jì)算自己的發(fā)射功率,并通過(guò)理論分析推導(dǎo)出了宏基站最優(yōu)功率的表達(dá)式。在第二層迭代中,各個(gè)小基站之間相互博弈,通過(guò)不斷迭代來(lái)獲得自己的傳輸功率,并通過(guò)理論分析推導(dǎo)出了小基站最優(yōu)傳輸功率的隱式表達(dá)式。仿真結(jié)果揭示了,采用所提出基于斯坦克爾伯格博弈的功率控制方法與基于非協(xié)作博弈論的功率控制方法相比,能夠明顯改善宏基站用戶(hù)的性能,并在一定程度上提高納什均衡的有效性。最后,研究了小蜂窩系統(tǒng)高能效高公平性的功率控制方法。所研究的小蜂窩通信系統(tǒng)中,小基站是多天線的,而宏基站是大規(guī)模天線的。所提出的高能效高公平性功率控制方法,是通過(guò)將功率控制問(wèn)題分解為兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在第一步中,提出將用戶(hù)進(jìn)行分組,同一個(gè)小組里的用戶(hù)復(fù)用相同資源,各個(gè)小組優(yōu)化各自的能效。在第二步中,提出根基于演化博弈論為每組用戶(hù)形成一個(gè)功率控制游戲,于是兩層網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶(hù)都能夠各自?xún)?yōu)化自己的能效。在基于演化博弈論所形成的功率控制游戲中,每個(gè)用戶(hù)選擇能夠使得自己的能效大于平均能效的策略,因此提高了用戶(hù)間的公平性,而且所提出的功率控制方法的復(fù)雜度隨載波數(shù)量和小基站數(shù)量呈線性增加。仿真結(jié)果揭示了,通過(guò)所提出的基于演化博弈論的功率控制方法,每個(gè)用戶(hù)的能效都能夠接近系統(tǒng)平均能效,而通過(guò)基于非協(xié)作博弈論的功率控制方法,各個(gè)用戶(hù)的能效差異較大,于是所提出的算法極大提高了用戶(hù)間的公平性和納什均衡的有效性。
【關(guān)鍵詞】：小蜂窩 博弈論 功率控制 能效 譜效
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 英文縮略詞12-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 移動(dòng)通信發(fā)展史14-17
• 1.2 研究背景17-20
• 1.3 研究?jī)?nèi)容20
• 1.4 組織結(jié)構(gòu)20-22
• 第二章 功率控制方法綜述22-28
• 2.1 引言22-23
• 2.2 研究現(xiàn)狀23-26
• 2.2.1 功率控制方法24-25
• 2.2.2 聯(lián)合資源分配與功率控制方法25-26
• 2.3 本章小結(jié)26-28
• 第三章 基于非協(xié)作博弈論和幾何注水的功率控制方法28-36
• 3.1 引言28
• 3.2 系統(tǒng)模型28-29
• 3.3 高譜效功率控制方法29-32
• 3.3.1 功率控制游戲建模29-30
• 3.3.2 優(yōu)化問(wèn)題求解30-31
• 3.3.3 迭代功率控制算法31-32
• 3.4 仿真分析32-35
• 3.5 本章小結(jié)35-36
• 第四章 基于非協(xié)作博弈論和無(wú)參數(shù)分式規(guī)劃的功率控制方法36-50
• 4.1 引言36-37
• 4.2 系統(tǒng)模型37-38
• 4.3 高能效功率控制方法38-42
• 4.3.1 功率控制游戲建模38-40
• 4.3.2 優(yōu)化問(wèn)題凸轉(zhuǎn)化40-41
• 4.3.3 約束條件消除41-42
• 4.4 納什均衡的存在性和唯一性42-43
• 4.5 仿真結(jié)果43-45
• 4.6 本章小結(jié)45-46
• 4.7 附錄46-50
• 4.7.1 定理4.1的證明46-47
• 4.7.2 定理4.2的證明47-48
• 4.7.3 定理4.3的證明48-49
• 4.7.4 定理4.4的證明49-50
• 第五章 基于斯坦克爾伯格博弈的功率控制方法50-62
• 5.1 引言50
• 5.2 系統(tǒng)模型50-51
• 5.3 高譜效低功耗的功率控制方法51-55
• 5.3.1 功率控制游戲建模52-53
• 5.3.2 小基站用戶(hù)優(yōu)化問(wèn)題求解53-54
• 5.3.3 宏基站用戶(hù)優(yōu)化問(wèn)題求解54-55
• 5.3.4 迭代功率控制算法55
• 5.4 仿真結(jié)果55-59
• 5.5 本章小結(jié)59
• 5.6 附錄59-62
• 5.6.1 定理5.1的證明59
• 5.6.2 定理5.2的證明59-62
• 第六章 基于演化博弈的功率控制方法62-72
• 6.1 引言62-63
• 6.2 系統(tǒng)模型63-65
• 6.3 高能效高公平性的功率控制方法65-69
• 6.3.1 優(yōu)化問(wèn)題分解65-66
• 6.3.2 功率控制游戲建模66-67
• 6.3.3 迭代功率控制算法67-68
• 6.3.4 復(fù)雜度分析68-69
• 6.4 仿真分析69-71
• 6.5 本章小結(jié)71-72
• 第七章 全文總結(jié)與展望72-74
• 7.1 論文總結(jié)72-73
• 7.2 研究展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果78-80
• 致謝80

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本文編號(hào)：515309