无线网络中基于双层博弈的资源分配策略与负载集中技术

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无线通信的资源极其有限,如何利用这有限的资源来满足越来越多的用户和业务需求,一直是一个开放性的难题。然而传统的资源分配算法多属于集中式算法,对环境变化,信道状态信息都有一定的要求,复杂度较高。针对上述问题,博弈论被引入到资源分配算法中,博弈论是一种行为学的方法论,主要研究自私个体的行为和策略,为通信中的资源分配问题提供了理论探索。然而大部分文献采用的都是经典博弈论,一般假设用户是完全理性的,可以根据获得的完全信息做出决策,这与现实中的应用场景偏差较大,由于无线信道的恶劣性,以及用户的移动性,完全信息是很难获得的,此时用户不能算完全理性的。对于这些问题,源于生物进化研究的进化博弈论具有优势,进化博弈论承认用户的非理性,并允许试错,适合用来研究无线网络的资源分配。  本文研究了Femtocell网络和协作中继网络通信中的资源分配问题,对于不同的资源对象采取不同的分配方案,提出了联合非合作博弈与进化博弈的双层博弈算法。  针对Femtocell网络,鉴于多个用户竞争接入点的资源,用户的功率分配建模为一个非合作博弈。用户的子载波分配建模为进化博弈,用户使用模仿者动态根据系统平均支付来动态进化,效用函数是与网络吞吐量相关的。两层博弈交替进行,最终可以达到整个博弈的纳什均衡状态。  针对协作中继网络,有业务的用户只占总用户数的一小部分,每个时刻充当中继的终端数要多于源节点数,以源节点作为策略,中继节点作为参与人,建模为一个进化博弈,中继选择功率被建模为一个非合作博弈,两层博弈交替进行,可以达到整个博弈的纳什均衡状态。  通信行业的能量消耗占据了世界总能耗的相当一部分,在如何提高能源利用率大致节能降耗的问题上,绿色通信的概念给业界带来了新的思路,不同于以往着眼于局部能源利用率的提高,绿色通信追求整个系统的碳排放最小化。以蜂窝网和WLAN为代表的基础结构型网络是消耗能量的大户,然而由于业务的时变性,比如晚上,用户数量少,业务量低时,很多AP是处于非饱和状态运行,白白消耗了大量能量。我们提出了小区集中策略,将现有用户集中至一部分AP,其余的空闲AP就可以关掉,大幅度地降低能量消耗。以此为目的,我们给出了最小化活跃AP数量的数学模型,根据得出的结果利用小区窒息技术来关掉空闲的AP。该策略可通过LA算法具体实现,其最优性可证,仿真结果也证明了算法的有有效性。  无线通信的资源极其有限,如何利用这有限的资源来满足越来越多的用户和业务需求,一直是一个开放性的难题。然而传统的资源分配算法多属于集中式算法,对环境变化,信道状态信息都有一定的要求,复杂度较高。针对上述问题,博弈论被引入到资源分配算法中,博弈论是一种行为学的方法论,主要研究自私个体的行为和策略,为通信中的资源分配问题提供了理论探索。然而大部分文献采用的都是经典博弈论,一般假设用户是完全理性的,可以根据获得的完全信息做出决策,这与现实中的应用场景偏差较大,由于无线信道的恶劣性,以及用户的移动性,完全信息是很难获得的,此时用户不能算完全理性的。对于这些问题,源于生物进化研究的进化博弈论具有优势,进化博弈论承认用户的非理性,并允许试错,适合用来研究无线网络的资源分配。  本文研究了Femtocell网络和协作中继网络通信中的资源分配问题,对于不同的资源对象采取不同的分配方案,提出了联合非合作博弈与进化博弈的双层博弈算法。  针对Femtocell网络,鉴于多个用户竞争接入点的资源,用户的功率分配建模为一个非合作博弈。用户的子载波分配建模为进化博弈,用户使用模仿者动态根据系统平均支付来动态进化,效用函数是与网络吞吐量相关的。两层博弈交替进行,最终可以达到整个博弈的纳什均衡状态。  针对协作中继网络,有业务的用户只占总用户数的一小部分,每个时刻充当中继的终端数要多于源节点数,以源节点作为策略,中继节点作为参与人,建模为一个进化博弈,中继选择功率被建模为一个非合作博弈,两层博弈交替进行,可以达到整个博弈的纳什均衡状态。  通信行业的能量消耗占据了世界总能耗的相当一部分,在如何提高能源利用率大致节能降耗的问题上,绿色通信的概念给业界带来了新的思路,不同于以往着眼于局部能源利用率的提高,绿色通信追求整个系统的碳排放最小化。以蜂窝网和WLAN为代表的基础结构型网络是消耗能量的大户,然而由于业务的时变性,比如晚上,用户数量少,业务量低时,很多AP是处于非饱和状态运行,白白消耗了大量能量。我们提出了小区集中策略,将现有用户集中至一部分AP,其余的空闲AP就可以关掉,大幅度地降低能量消耗。以此为目的,我们给出了最小化活跃AP数量的数学模型,根据得出的结果利用小区窒息技术来关掉空闲的AP。该策略可通过LA算法具体实现,其最优性可证,仿真结果也证明了算法的有有效性。
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