国内图书分类号：T N 9 2 9 5 国际图书分类号：6 2 1 3 9 西南交通大学 研究生学位论文 密级：公开 混合无线网络中无线资源管理 关键技术研究 年级2 Q Q 2 级 姓名筮鹏 申请学位级别盟 专业通信皇值星丕统 指导老师友担咽塾援 二零一一年八月十三日 C l a s s i f i e dI n d e x ：T N 9 2 9 5 U D C ：6 2 1 3 9 S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i V e r s i t y D o c t o rD e g r e eD i s s e I r t a t i o n K E YT E C H N O L O G I ESO N R A D I OR E SO U R C EM A N A G E M E N TI N H Y B R I DW I R E L E SSN E T W O R K S G r a d e ：2 0 0 7 C a n d i d a t e ：X U P e n g A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ：D o c t o ro f P h i l o s o p h y S p e c i a I i t y ： C o m m u n i c a t i o na n d I n f o r m a t i o nS y s t e m s S u p e r V i s o r ：F A N GX u m i n g A u g 1 3 ，2 0 1 l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本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 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密醇使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名： 日期： f 1J 廖 指导老师签名： B 强： 2 pr ，R 西南交通大学博士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 对混合无线网络选择的问题进行了研究，基于已有混合无线网络选择算法和模 型都很少兼顾用户与网络双方利益的现状，而用户与网络间的相互作用正是关 系到无线网络选择问题能否得到解决的关键。基于此，提出了两种基于博弈论 的混合网络选择模型。其一模型融合了匹配博弈理论，将用户与网络作为博弈 双方，在考虑了用户与网络的状态及不同的需求目标后通过提出的匹配算法进 行相互选择，最终使用户与网络达到了稳定匹配。研究结果表明，基于匹配博 弈的网络选择模型相对于仅依靠用户决策的模型提高了网络满意度，相对于仅 依靠网络决策的模型提高了用户满意度，即用户与网络在一定的条件下均得到 了性能提升。另一模型基于非合作博弈理论，以用户和网络的相互选择为前提， 将用户与网络的收益作为博弈过程的效用函数，并给出了博弈均衡的求解方法。 仿真分析结果表明该模型可以同时相对地提高用户和网络双方的收益。( 第2 章) 2 ) 对由宏蜂窝毫微微蜂窝组成的分层网络中的切换控制机制进行了研究，由于毫 微微蜂窝极低发射功率的特性易造成宏蜂窝与毫微微蜂窝发射功率的不对称， 从而导致传统基于接收信号强度的切换算法应用于分层网络中时难以判断出 需要切换到毫微微蜂窝的条件，这与部署毫微微蜂窝的初衷恰好相反。基于此， 提出了一种联合信号强度和功率损耗进行判决的切换算法，分析结果表明可以 有效地解决功率不对称问题，提高毫微微蜂窝的利用率，此外该算法还可以起 到一定的节能作用。研究结果表明该算法相对于传统算法增加了切换次数，相 对于分层网络中的其他切换算法减少了一部分不必要的切换次数。( 第3 章) 3 ) 在由宏蜂窝毫微微蜂窝构成的分层网络中，对切换控制机制的研究大多集中在 对接收信号强度和接收信干噪比这两个主要参数的分析。但是随着毫微微蜂窝 部署数量的快速增加，仅依据信干噪比进行切换判决容易造成频繁的切换，增 加信令开销和造成极差的用户体验。因此，提出了分层网络中一种基于接收信 干噪比和用户状态的切换算法，该算法采用信干噪比避免了宏蜂窝、毫微微蜂 窝中的功率差异性，此外还将用户状态包括移动速度、服务质量与信干噪比联 合起来进行切换判决。仿真分析结果表明此算法在提高毫微微蜂窝利用率的前 提下，减少了一些不必要的切换，从而避免了乒乓效应，提升了系统性能。( 第 3 章) 4 ) 研究了分层网络中频谱分配机制，毫微微蜂窝与其他无线局域网不同的一个特 点在于使用与宏蜂窝相同的授权频段，如何规划和分配有限的频谱资源一直都 是分层网络尚未解决的问题，另外由于毫微微蜂窝具有有线回程的特点，传统 的宏蜂窝集中式频谱规划分配机制不再适用。基于此，提出了基于博弈论的两 种适用于分层网络的自适应频谱分配机制。其一机制融合了矩阵博弈理论，以 宏蜂窝基站和毫微微蜂窝基站作为博弈双方，共同的频谱资源作为博弈竞争的 对象，通过静态博弈进行频谱分配以最小化跨层、同层干扰，同时还给出了均 衡解和均衡不存在的次优解。研究结果表明该机制是一种混合频谱分配机制， 即在频谱资源充足时进行正交分配，在资源匮乏时进行复用共道分配，以最大 程度地提高频谱利用率。比较结果表明该机制在吞吐率、阻塞率和频谱效率上 均取得了较高的性能增益。另一机制基于斯坦伯格( S t a c k e l b e r g ) 动态博弈理论， 这更符合分层网络中基站间频谱分配的动态变化。在该机制中宏蜂窝和毫微微 蜂窝作为博弈参与者共同分配共有的频谱资源，并构成领导者跟随者 ( L e a d e 卜f o l l o w e r ) 博弈，通过动态调整分配策略以最小化引入分层网络的干扰。 此外定义了该博弈的均衡，同时也是该频谱分配的最优方式，最后证明了博弈 均衡的存在性。研究结果表明该机制可以对分层网络的频谱资源进行有效地分 配，提高吞吐率、频谱效率及降低阻塞率。( 第4 章) 5 ) 研究了分层网络中毫微微蜂窝功率的自配置问题，毫微微蜂窝最终将由用户进 行自主安装及配置，然而大多用户并不具有相关的专业技术背景，因此自配置 技术是涉及毫微微蜂窝能否大规模部署的关键技术。基于此及最优化理论，提 出了一种毫微微蜂窝基站的功率自配置机制，分析了部署新毫微微蜂窝基站时 可能受到的各种类型的干扰和可能引起对已有用户和网络的干扰类型，依据干 扰限定条件设计了一个功率自配置的最优化问题即在保证已有用户正常通信 的前提下如何最大化系统容量。研究结果表明，通过拉格朗日乘数法求解最优 化问题可以得到发射功率的最优解。比较结果表明该机制实现了毫微微蜂窝基 站功率的自适应调整，有效地降低了毫微微蜂窝基站的发射功率，减少了由于 添加毫微微蜂窝引起的各种干扰，从而提高了系统容量。( 第5 章) 学位论文作者签名：专享鸿 日期：f I I 退 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 随着电信产业与因特网的迅速发展，出现了种类繁多的无线通信网络系统如蜂窝 通信系统、无线局域网、卫星通信系统、数字多媒体广播系统等，由其构成的混合网 络共同为用户提供了泛在的无线环境，使用户可在任何时间、地点与任何个人进行通 信。另一方面无线技术的多样性及其不断向前演进，造成了混合网络在结构和部署方 式上具有复杂性与多样性的特点，如同代技术不同制式间删M T S 侧i M A X ) 、不同代技 术间( 2 G 3 G ) 、不同技术不同制式间叫M T S 愚，L 及同代技术不同规模间 ( M a c r 0 F e m t o c e l l ) 等方式。如何充分利用各种无线通信网络间的互补特性，保证用户间 通信的服务质量，实现真正意义上的混合网络自组织、自适应和无线资源管理技术的 有机融合，是研究混合无线网络的关键所在。基于混合网络的复杂性，本文将混合网 络分为异构网络与分层网络，采用博弈论、最优化理论等多种研究方法和手段，围绕 混合无线网络资源管理中的接入控制、移动性管理、频谱分配及功率控制等问题进行 深入的分析和研究，以达到提升混合网络资源效率、系统容量等系统性能的目的。 首先对异构网络选择接入控制问题进行了研究，论文分析了现有异构网络选择算 法和模型的优点与不足，提出了两种基于博弈论的新网络选择接入模型。区别于已有 异构网络选择机制很少兼顾用户与网络双方，两种模型均综合考虑了用户与网络双方 的状态及不同的需求目标，通过博弈进行相互选择并分别得到了博弈的均衡解。算法 性能与数值分析结果表明两种模型在不牺牲用户与网络任何一方利益的条件下，分别 在收益和满意度上取得了较高的系统性能增益，即在某种程度上使双方达到了一种双 赢。 随后研究了宏蜂窝毫微微蜂窝分层网络中的切换判决问题，在分析了已有切换算 法在分层网络中由于毫微微蜂窝极低发射功率的特性而不能进行有效地判决之后，提 出了两种适用于分层网络的新切换算法。在联合信号强度与功率损耗的切换算法中， 采用接收信号强度与功率损耗进行联合切换判决，可以有效地提高毫微微蜂窝的利用 率和解决宏蜂窝与毫微微蜂窝基站功率的差异问题，同时对用户起到一定的节能作用， 性能与数值分析结果表明该算法对比于传统算法增加了切换次数，对比于其他分层切 换算法减少了一些不必要的切换次数。在基于信干噪比和用户状态的切换算法中，通 过信干噪比避免基站间的功率不对称性，采用用户状态包括移动速度、业务服务质量 需求来避免仅依据信干噪比判决引起的频繁切换，仿真分析结果表明该算法提高了毫 微微蜂窝的利用率，降低了造成频繁切换的可能性，从而提升了系统性能。 接着研究了毫微微蜂窝部署于宏蜂窝中时具有同样授权频段的基站间该如何分配 频谱的问题，在分析了传统宏蜂窝采用的集中式频谱规划分配机制在分层网络中由于 毫微微蜂窝有线回程的特点不再适用后，提出了分层网络中基于博弈论的两种自适应 频谱分配机制。两种机制分别结合静态矩阵博弈理论与动态斯坦伯格博弈理论，将宏 蜂窝和毫微微蜂窝基站分别作为博弈双方，共同的频谱资源作为基站间博弈竞争的对 第1 I 页西南交通大学博士研究生学位论文 象，通过求解博弈均衡以最小化跨层、同层干扰，同时给出了基于矩阵博弈的分配机 制中当均衡不存在时的次优解和基于斯坦伯格博弈的分配机制中均衡的定义及存在性 证明。分析结果表明两种自适应频谱分配机制均实现了频谱的混合分配方式，即在频 谱资源充足时进行正交分配，在资源匮乏时进行复用共道分配，以最大程度地提高频 谱利用率。性能与数值分析结果表明两种自适应机制在吞吐率、阻塞率与频谱效率上 都取得了比较明显的性能改善。 最后对分层网络中的毫微微蜂窝自配置的相关问题进行了研究，基于毫微微蜂窝 最终将由用户进行自主安装和配置且大多数用户并不具有相关专业技术背景的特点， 结合最优化理论提出了一种毫微微蜂窝基站功率的自配置机制。该机制在分析部署新 毫微微蜂窝基站时可能受到的各种类型的干扰和可能引起对已有用户和网络的干扰类 型的基础上，根据分析得到的干扰限定条件设计了一个自配置功率的最优化问题，即 在保证已有用户正常通信的条件下如何最大化系统容量。分析结果表明，通过最优化 理论中的拉格朗日乘数法可以求出该机制中发射功率设置的最优解。仿真比较结果表 明自配置机制实现了毫微微蜂窝基站依据周围无线环境对发射功率的自适应调整，有 效地降低了毫微微蜂窝的发射功