5G小蜂窩系統(tǒng)功率控制方法研究.pdf

1、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。
　

2、　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)小基站都各自優(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

3、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)小蜂窩能夠各自優(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

4、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)

5、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

6、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，提出將用戶進(jìn)行分組，同一個(gè)小組里的用戶復(fù)用相同資源，各個(gè)小組優(yōu)化各自的能效。在第二

7、步中，提出根基于演化博弈論為每組用戶形成一個(gè)功率控制游戲，于是兩層網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶都能夠各自優(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)用戶的能效差