LTE-Advanced系统中基于博弈论的D2D无线资源分配算法的研究

发布时间：2017-10-09 16:40

  本文关键词：LTE-Advanced系统中基于博弈论的D2D无线资源分配算法的研究

  更多相关文章： LTE-A D2D 资源分配 博弈论 Stackelberg博弈 联盟博弈

【摘要】：随着移动通信技术的发展,用户对数据速率的要求越来越高,与此同时频谱资源紧缺的问题日益严重。为扩大蜂窝容量,Device-to-device (D2D)技术已经越来越受到关注。不同于基于蜂窝网络的基础设施,D2D终端不用通过中心协调器而直接进行通信,不必使用核心网络参与,具有低功耗、低时延、高数据速率及高频谱效率等优点,然而这些优点的实现依赖于有效的资源分配方案。这是由于D2D与蜂窝系统复用相同的资源,蜂窝系统与D2D系统之间存在着干扰。复用上行资源时,蜂窝用户向演进的基站(evolved NodeB:eNB)发送数据,eNB受到D2D发射机的干扰,而D2D接收机受到蜂窝用户的干扰；复用下行资源时,eNB向蜂窝用户发送数据,则蜂窝用户会受到D2D发射机的干扰,而eNB将干扰D2D接收机。如果这些干扰不能有效地消除,将极大影响D2D系统的性能,导致系统性能下降。 为了减少这种干扰同时提升小区的吞吐量,本论文重点研究了在升级版长期演进(Long Term Evolution-Advanced:LTE-A)系统下的基于博弈论的两种D2D通信资源分配算法,两种算法均基于复用上行资源的场景且蜂窝用户之间资源正交。首先针对一个D2D对只能复用一个蜂窝用户的资源的场景,提出了基于StackeIberg博弈的资源分配方案,该方案将eNB和D2D用户组成一个卖家-买家对,作为买家,D2D用户如果想使用上行资源完成自己的可靠通信就必须付出-定的费用,eNB作为拥有资源的卖家通过向D2D用户索要一定的费用来使自己整个小区的总吞吐量得到增加,最终既保证了D2D通信的可靠性又增加了小区的吞吐量。 其次针对一个D2D对可以复用多个蜂窝用户的资源且几个D2D对可以同时复用一个蜂窝用户资源的场景,提出了基于重叠联盟博弈(overlapping coalition formation game)的资源分配方案,所有的用户自主的进行分组,并在此过程中考虑了每个用户的服务质量(Quality of Service:QoS)要求,此方案将资源共享问题看成是可转移的联盟博弈问题且每个D2D用户都可根据合并分裂规则(merge-and-split)决定是否加入到某个联盟小组,最终根据此算法得到稳定联盟,除此之外本论文还利用离散时间马尔科夫链分析了最终联盟的稳定性,及不完美信道状态信息对稳定联盟形成的影响,另外对于使用此方法的复杂度也给出了理论分析。最后分别通过仿真验证这两个方案的可行性。 本论文的创新点在于： 1.分别提出了利用Stackelberg博弈和联盟博弈来解决D2D通信资源共享问题,前者联合功率和信道分配,将eNB看成是卖家,D2D用户为买家,两者进行博弈,最终在总速率和D2D通信之间取得均衡； 2.提出了D2D用户在选择信道冲突时的解决方案； 3.基于重叠联盟的资源分配方案,不同于之前的一个D2D对只能存在于一个联盟中的联盟博弈,本论文允许一个D2D对可以同时接入不同的联盟,并在形成重叠联盟的过程中满足每个用户的QoS要求,此方案适用于多个D2D对的一般情况；D2D对根据合并分离规则自主的加入或离开某个联盟,适用于动态的环境变化；本论文还利用离散马尔科夫链分析了形成最终重叠联盟的稳定性,给出了此方案的复杂度分析； 4.特别考虑了用户不能获得完美信道状态信息的实际情况,研究了不完美信道状态信息对稳定联盟形成的影响,最后的仿真结果表明此方案针对不完美信道状态信息仍然适用。
【关键词】：LTE-A D2D 资源分配 博弈论 Stackelberg博弈 联盟博弈
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 序言11-12
• 目录12-15
• 1 绪论15-21
• 1.1 引言15
• 1.2 D2D通信的发展15-18
• 1.2.1 D2D通信的发展背景16-17
• 1.2.2 D2D通信的发展现状17-18
• 1.3 主要研究内容18-19
• 1.4 论文结构和安排19-21
• 2 LTE-A及其关键技术21-32
• 2.1 LTE-A的产生背景21-22
• 2.2 LTE-A的关键技术22-28
• 2.2.1 系统框架22-23
• 2.2.2 物理资源23-24
• 2.2.3 关键技术24-28
• 2.3 D2D通信系统介绍28-31
• 2.3.1 D2D通信对的建立28-30
• 2.3.2 D2D通信所用信道30
• 2.3.3 性能改善30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 博弈论在无线资源分配中的应用32-40
• 3.1 无线资源管理32-33
• 3.1.1 RRM分类32
• 3.1.2 LTE中的RRM过程32-33
• 3.2 博弈论基础33-38
• 3.2.1 博弈论概述33-34
• 3.2.2 博弈论的理论框架34
• 3.2.3 均衡的概念34-38
• 3.3 博弈与无线资源分配行为38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 基于STACKELBERG博弈的资源分配方案40-50
• 4.1 STACKELBERG博弈介绍40
• 4.2 系统模型40-42
• 4.3 基于STACKELBERG博弈的资源分配方案42-46
• 4.3.1 效用函数的构建42-43
• 4.3.2 DUE的行为分析43-44
• 4.3.3 eNB的行为分析44-45
• 4.3.4 PRBs分配方案45-46
• 4.4 仿真结果及分析46-49
• 4.5 本章小结49-50
• 5 基于重叠联盟博弈的资源分配方案50-66
• 5.1 联盟博弈介绍50-52
• 5.2 系统模型52-53
• 5.3 基于重叠联盟博弈的资源分配方案53-56
• 5.3.1 重叠联盟博弈的数学模型54-55
• 5.3.2 重叠联盟博弈算法55-56
• 5.4 理论分析56-58
• 5.4.1 复杂度分析57
• 5.4.2 稳定性分析57-58
• 5.5 不完美信道状态信息情况下算法分析58-59
• 5.6 仿真结果及分析59-64
• 5.7 本章小结64-66
• 6 结论66-68
• 6.1 本论文工作总结66-67
• 6.2 研究展望67-68
• 参考文献68-72
• 附录A72-73
• 图索引73-74
• 表索引74-75
• 缩略词75-77
• 作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果77-79
• 学位论文数据集7

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本文编号：1001305