Small Cell網(wǎng)絡(luò)中基于聯(lián)盟形成的資源分配與干擾緩解技術(shù)研究.pdf

1、移動數(shù)據(jù)流量和智能終端接入數(shù)目的快速增長給當(dāng)前的通信系統(tǒng)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，僅通過升級現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)并不能滿足未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展需求。自2014年起，下一代通信技術(shù)，即第5代移動通信技術(shù)(5G)已成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點。而Small Cell網(wǎng)絡(luò)及其超密集部署的網(wǎng)絡(luò)以其高容量、廣覆蓋、低能耗、靈活部署、低成本安裝等諸多優(yōu)勢已成為業(yè)界共識的面向5G發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。Small Cell網(wǎng)絡(luò)是指由一些低功率的無線接入點組成的

2、蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而超密集網(wǎng)絡(luò)(Ultra-dense Networks，UDN)是通過部署大量Small Cell基站來提升無線系統(tǒng)容量的，這將成為實現(xiàn)增大1000倍的數(shù)據(jù)流量及達(dá)到0.1～1Gbps的用戶體驗速率等未來5G網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)的最為有效的解決方案。然而，Small Cell的部署在給當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)注入強(qiáng)大生命力的同時引起的資源分配及干擾問題也無疑會造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量降低及用戶體驗感變差，而以往的適用于宏蜂窩的無線資源分配算法和干擾緩解技

3、術(shù)已不再完全適用于Small Cell網(wǎng)絡(luò)。因此，如何進(jìn)行Small Cell網(wǎng)絡(luò)中的資源分配及管理相關(guān)干擾是當(dāng)今無線通信網(wǎng)絡(luò)亟待解決的問題之一。
　　本論文基于聯(lián)盟博弈理論、概率論、聚類算法等數(shù)學(xué)工具與相關(guān)優(yōu)化算法，圍繞Small，Cell網(wǎng)絡(luò)的資源分配及干擾管理方案展開廣泛調(diào)查研究，深入分析了Small Cell網(wǎng)絡(luò)的行為特點及其所面臨的困難和挑戰(zhàn)，從Small Cell基站進(jìn)行合作形成聯(lián)盟的角度入手，以提升整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量為

4、出發(fā)點，提出了三種適用于Small Cell網(wǎng)絡(luò)子信道和功率分配以及同層干擾緩解的方法，為Small Cell網(wǎng)絡(luò)性能的改善提供了理論依據(jù)。本論文的主要工作包括如下四個方面:
　　1)闡述了Small Cell網(wǎng)絡(luò)中基于聯(lián)盟形成的資源分配及干擾技術(shù)。分析討論了合作博弈和非合作博弈的不同之處，深入挖掘了Small Cell網(wǎng)絡(luò)中的用戶利用無線資源時的競爭與合作行為，剖析了現(xiàn)有文獻(xiàn)中所涉及的Small Cell網(wǎng)絡(luò)中的資源分配及干擾管

5、理方案，從而確立了采用聯(lián)盟博弈理論研究Small Cell網(wǎng)絡(luò)中的資源分配及干擾管理的必然性和可行性，為下文奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2)提出了基于聯(lián)盟形成的Small Cell網(wǎng)絡(luò)資源分配方案。針對Small Cell網(wǎng)絡(luò)的下行通信系統(tǒng)的特點，把Small Cell基站合作的過程規(guī)劃為一個具有可轉(zhuǎn)移效用的基于劃分函數(shù)的聯(lián)盟博弈，并采用基于粒子群優(yōu)化算法對傳輸功率進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而規(guī)劃提出了具有功率分配的基于聯(lián)盟形成的子信道分配算法(Su

6、b-channel Allocation of Coalition Formation Game with Power Allocation Algorithm，SCFG-PA)，并證明了該算法所形成的聯(lián)盟總能收斂到一個納什穩(wěn)定的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)。
　　3)提出了基于重疊聯(lián)盟形成博弈的Small Cell網(wǎng)絡(luò)子信道及功率分配方案。運(yùn)用重疊聯(lián)盟博弈的相關(guān)理論對Small Cell網(wǎng)絡(luò)中的子信道資源進(jìn)行分配，并設(shè)計了一個多目標(biāo)優(yōu)化的方法，即同

7、時最大化網(wǎng)絡(luò)中的總數(shù)據(jù)速率和最小化SmallCell基站的總傳輸功率，并借助于加權(quán)求和的方法得到最優(yōu)解。進(jìn)而在本論文中設(shè)計的開關(guān)轉(zhuǎn)換規(guī)則及獨立規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了具有功率分配的重疊聯(lián)盟博弈算法(Overlapping Coalition Formation Games with Power Control，OCF-PC)，證明了該算法的收斂性及穩(wěn)定性，并通過相關(guān)仿真實驗證明了該算法的優(yōu)勢。
　　4)提出了基于分層式聯(lián)盟結(jié)構(gòu)生成的密

8、集Small Cell網(wǎng)絡(luò)干擾管理方案。針對樓宇環(huán)境中Small Cell基站超密集部署引起的同層干擾問題，以提升Small Cell基站形成的聯(lián)盟的系統(tǒng)容量為目標(biāo)，采用分層式聯(lián)盟結(jié)構(gòu)生成理論進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從理論上得出了該方案的最優(yōu)聯(lián)盟結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提出了適用于密集Small Cell網(wǎng)絡(luò)下行通信系統(tǒng)的基于分層群集及聯(lián)盟結(jié)構(gòu)生成理論的干擾管理方案，即基于分層群集的Small Cell基站合作的算法(SBSs Cooperation Usin

9、g Hierarchical Clustering Algorithm，SC-HCA)，證明了該算法的收斂性和復(fù)雜度，并通過一系列相關(guān)仿真實驗，從不同角度證實了該算法的有效性。
　　綜上所述，本論文對Small Cell網(wǎng)絡(luò)中基于聯(lián)盟形成的資源分配及干擾管理技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究與分析。通過運(yùn)用聯(lián)盟博弈、重疊聯(lián)盟博弈以及分層式聯(lián)盟結(jié)構(gòu)生成理論，分別針對Small Cell基站部署稀疏和稠密的兩種場景下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點，對網(wǎng)絡(luò)中的資