异构蜂窝网络中基于博弈的能效提升机制研究

摘要

随着移动用户数量的飞速发展，现有无线网络难以满足用户对数据速率的需求。另一方面，无线网络能源消耗的增长不仅导致温室气体排放的增长而且带来了网络运营成本的增加。因此，非常有必要提升无线网络的数据速率以及数据传输的能量效率。现有研究表明，小蜂窝与大蜂窝联合组网形成的异构蜂窝网络能极大提升整个无线蜂窝网络的数据速率。因此，针对第四代蜂窝网络（LTE）和微微蜂窝网络（Femtocell）所构成的异构蜂窝网络，研究如何在保证用户服务质量的基础上提升能量效率是非常有意义的。
　　首先，将能量效率定义为信道容量与功率消耗的比率，并以此度量提出的能效改善机制。由于宏蜂窝与微微蜂窝之间竞争频谱资源而用户之间竞争信道和功率资源，因而将频谱、信道和功率的分配建模为两阶段Stackelberg博弈过程。第一阶段，宏蜂窝与微微蜂窝之间竞争频谱资源，而第二阶段则是用户之间信道与功率的联合控制。通过理论证明了该博弈过程存在均衡，即表明该基于博弈的能效提升机制是一个稳定机制。最后，针对博弈的两个阶段，分别提出基于拟牛顿法求解宏蜂窝与微微基站之间的最优频谱分配策略，以及基于拉格朗日乘子法求解用户之间信道与功率的最优联合控制策略。
　　通过对提出的机制进行仿真，验证了算法的可行性与收敛性，并通过与已有机制的比较表明了文中提出的机制能够在保证用户服务质量的基础上极大改善异构蜂窝网络的能量效率。另外，仿真还研究了异构蜂窝网络中的其他因素对能量效率的影响。

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1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本文组织结构

2 异构蜂窝网络关键技术

2.1 第四代蜂窝通信系统网络架构

2.2 微微蜂窝接入宏蜂窝的技术实现

2.3 布置微微蜂窝网络的机遇与挑战

2.4 用户接入网络权限说明

2.5 本章小结

3 基于博弈的能效提升机制

3.1 异构蜂窝网络场景分析

3.2 基于Stackelberg博弈的能效提升机制

3.3 本章小结

4 Stackelberg博弈分析与均衡策略

4.1 两阶段的Stackelberg博弈分析

4.2 Stackelberg博弈的均衡策略

4.3 本章小结

5 仿真实验与数据分析

5.1 实验仿真与数据分析

5.2 参数分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 下一步研究工作

致谢

参考文献

附录