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异构无线网络中无线资源管理若干问题的研究

作　者: 张裕
导　师: 郑正奇
学　校: 华东师范大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 异构无线网络无线资源管理网络选择垂直切换联合呼叫接纳控制博弈论
分类号: TN92
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着移动通信与信息技术的快速发展,无线通信领域产生了各种无线接入技术以满足人们的生活工作需要。不同的无线网络在接入技术、终端、业务等方面都具有异构性,这样对异构融合网络的可靠性、稳定性、可扩展性提出了挑战。面对多用户,多种业务,高速率的业务需求以及复杂的异构无线环境,为了有效利用异构融合网络中的无线资源,迫切需要高效动态的无线资源管理机制保证整个融合系统具有良好的性能,所以对无线资源管理机制的研究具有重要的意义。本文对异构网络无线资源管理中的网络选择,垂直切换、呼叫接纳控制以及运营商定价与资源分配四个方面的问题进行了探讨,提出了相应的优化机制,并通过建立数学模型与仿真实验及其结果分析证实了算法的有效性,主要研究工作及创新点如下：针对异构无线网络中的网络选择问题从两个方面提出了优化机制,第一个方面对决策因素权重的确定方法进行优化,提出了用可拓模糊层次分析法来获得权重,该方法应用可拓理论计算得到每个决策因素的隶属度,体现了网络间的客观差异程度,然后结合业务类型得到每个决策因素的业务隶属度,再应用模糊层次分析法获得每个决策因素的综合权重,该机制克服了层次分析法中通过人为打分获得权重的主观性问题。第二个方面提出了一种简单有效的优化方法来兼顾用户偏好与运营商偏好,先应用简单加权法分别计算用户偏好与运营商偏好下的各候选网络的性能函数值,并可以根据网络的实际情况动态地设置相应的加权系数,将两种偏好下的各候选网络的性能值相加,具有最大总性能值的网络为最优网络。仿真结果表明提出的网络选择机制在同时考虑了用户偏好与运营商偏好的前提下,有效地平衡了各网络间的负载,提高了整个系统的资源利用率。针对异构无线网络中的垂直切换问题,提出了一种优化方法。将异构无线网络垂直切换决策过程中的切换触发,目标网络选择以及切换执行三个方面作为有机整体进行研究。考虑以SINR作为切换触发判决因素,提出了一种将灰度预测模型与BP神经网络相结合的组合模型预测SINR的方法,以提高SINR的预测精度及切换触发机制的可靠性。接着构建了一个代价函数,能够结合网络实际条件,业务QoS要求以及用户偏好来选择目标网络。仿真结果表明,所提出的垂直切换机制能够提高系统吞吐量,减少垂直切换次数以及降低系统丢话率。针对异构无线网络中的呼叫接纳控制问题,提出了一个最优联合呼叫接纳控制机制,综合考虑了无线网络覆盖范围内不同区域用户业务所能达到的峰值速率及不同的业务类型两个方面的因素,将联合呼叫控制机制建模为一个半马尔可夫决策模型,基于相应的状态空间、行为空间、状态转移概率,并根据业务QoS要求及网络条件提出了一个基于业务类型的接纳效用函数对接纳收益进行评估。在保证业务接纳成功率以及低阻塞率的基础之上,通过最优控制策略使平均接纳效用达到最大值。仿真结果表明所建立的接纳效用函数能够有效反映网络条件的变化对接纳控制的影响,满足业务的QoS要求,获得较高的平均接纳效用,较大的系统吞吐量,同时保证了较低的业务阻塞率。基于存在多个运营商与多个用户的异构无线网络环境,提出了基于博弈论的分布式定价与资源分配机制。首先,研究了运营商间的竞争定价行为,通过最优反应函数获得运营商间的非合作博弈纳什均衡价格。该均衡价格使各个运营商的收益达到最大值。接着,考虑了运营商间的合作博弈来确定最优价格,并提出了一个总收益在运营商间分配的方法,比较和分析了非合作博弈与合作博弈定价对运营商收益的影响。最后,为了体现在运营商定价与资源分配过程中用户行为与运营商行为的相互影响,将运营商定价与用户带宽需求之间的竞争关系建模成一个两阶段的Stackelberg博弈模型,设计了一个考虑用户效用,用户花费,时延花费的用户收益函数,并应用一种只需要局部信息的分布式迭代算法获得了该博弈模型的子博弈完美均衡。最终运营商收益与用户收益均达到了最大值。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-36
  1.1 研究背景  15-18
    1.1.1 无线通信系统发展  15-17
    1.1.2 无线通信技术LTE与WLAN  17-18
  1.2 异构无线网络的研究  18-27
    1.2.1 关键研究问题  18-23
    1.2.2 国内外研究现状  23-27
  1.3 本文主要贡献与论文结构  27-31
    1.3.1 本文研究的主要内容  27-29
    1.3.2 内容安排  29-31
  参考文献  31-36
第二章异构无线网络资源管理架构与研究方向  36-61
  2.1 研究背景  36
  2.2 异构无线网络融合架构  36-41
    2.2.1 网络融合架构  37-38
    2.2.2 典型的融合场景  38-41
  2.3 异构无线网络资源管理  41-53
    2.3.1 资源管理模型  41-48
    2.3.2 网络选择  48-50
    2.3.3 垂直切换  50-52
    2.3.4 呼叫接纳控制  52-53
  2.4 博弈论在异构无线网络资源管理中的应用  53-54
  2.5 本章小结  54-55
  参考文献  55-61
第三章基于可拓模糊层次分析法的网络选择算法  61-85
  3.1 研究背景  61-64
  3.2 研究现状  64-65
  3.3 可拓模糊层次分析法  65-71
    3.3.1 建立决策因素评价映射表  66-67
    3.3.2 建立网络物元模型  67-68
    3.3.3 业务隶属度  68-69
    3.3.4 模糊层次分析法  69-71
  3.4 最优网络选择  71-77
    3.4.1 确定各决策因素的相对隶属度  71-72
    3.4.2 各候选网络的性能函数值  72-77
    3.4.3 选择最优网络  77
  3.5 最优网络选择流程  77-78
  3.6 仿真结果及分析  78-82
  3.7 本章小结  82
  参考文献  82-85
第四章基于SINR与代价函数的垂直切换机制  85-109
  4.1 研究背景  85-86
  4.2 研究现状  86-88
  4.3 组合预测SINR  88-94
    4.3.1 组合预测  89
    4.3.2 基于GM(1,1)与BP神经网络的SINR组合预测  89-94
  4.4 基于SINR与代价函数的垂直切换机制  94-100
    4.4.1 基于多决策因素的代价函数  94-97
    4.4.2 切换决策  97-99
    4.4.3 垂直切换机制过程描述  99-100
  4.5 仿真结果与分析  100-104
  4.6 本章小结  104-105
  参考文献  105-109
第五章异构无线网络中的最优联合呼叫接纳控制  109-137
  5.1 研究背景  109-110
  5.2 研究现状  110-117
  5.3 异构网络模型  117-120
    5.3.1 网络架构与位置区域划分  117-119
    5.3.2 网络容量  119
    5.3.3 业务模型  119-120
  5.4 联合接纳控制问题的马尔可夫模型  120-125
    5.4.1 状态空间  121-122
    5.4.2 决策时刻与接纳控制行为集合  122-123
    5.4.3 期望逗留时间  123-124
    5.4.4 状态转移概率  124
    5.4.5 效用函数  124-125
  5.5 基于效用函数的最优接纳控制策略  125-127
    5.5.1 业务的效用函数  125-126
    5.5.2 最优接纳控制策略  126-127
  5.6 仿真结果与分析  127-132
  5.7 本章小结  132
  参考文献  132-137
第六章基于博弈论的异构无线网络定价与资源分配机制  137-169
  6.1 研究背景  137-138
  6.2 研究现状  138-141
  6.3 网络模型及数据定义  141-142
  6.4 带宽需求函数及运营商收益  142-143
    6.4.1 带宽需求函数  142-143
    6.4.2 运营商的收益  143
  6.5 非合作博弈的最优价格策略  143-144
  6.6 合作博弈的最优价格策略  144-147
    6.6.1 最优价格策略  145
    6.6.2 运营商间的合作收益分配  145-147
  6.7 基于Stackelberg博弈的定价与资源分配  147-155
    6.7.1 Stackelberg博弈模型与数据定义  147-149
    6.7.2 两个阶段Stackelberg博弈的分析  149-152
    6.7.3 子博弈完美均衡的存在性与唯一性  152
    6.7.4 求子博弈完美均衡的算法  152-155
  6.8 仿真结果与分析  155-165
  6.9 本章小结  165
  参考文献  165-169
第七章总结与展望  169-172
  7.1 总结  169-171
  7.2 工作展望  171-172
致谢  172-173
攻读博士学位期间发表的论文  173-174

异构无线网络中无线资源管理若干问题的研究

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