毫微微蜂窝混合接入控制中的干扰管理与资源分配研究

毫微微蜂窝（femtocell）网络可以使移动服务商以低成本改善室内无线信号覆盖，是下一代无线通信关键技之一。Femtocell的混合接入控制是实现移动设备室内外无缝切换的根本保障。混合接入控制的前提是管理对宏蜂窝的干扰，核心是对请求接入的用户合理分配资源，实现接入控制双方的互惠均衡。针对干扰管理，构建femtocell频谱感知模型，优化设计频谱感知算法，为混合接入控制提供可用频谱空间；面向混合接入与有线网络资源统一分配问题，构建层次化博弈，设计分布式接入与资源分配算法,采用奇异摄动理论揭示算法的层次化耦合动力学行为；针对混合接入导致的突发干扰，利用博弈模型阐明变量耦合关系，设计容忍干扰与不确定性的鲁棒功率控制算法，基于混杂系统理论确保分布式鲁棒功率控制算法收敛到Nash均衡点。最终实现femtocell混合接入控制的资源互惠分配与对干扰的有效管理。

本项目开展了毫微微蜂窝网络（femtocell）混合接入控制的干扰管理与资源分配研究，取得了如下研究成果。首先，研究了femtocell与宏蜂窝共享频谱场景中的频谱感知策略，包括合作频谱感知策略以及合作激励机制建立、保护位置隐私的合作频谱感知。第二、研究了femtocell与宏基站组成的异构蜂窝网络中的用户接入问题。提出具有回程链路与能量意识的用户关联与资源分配算法，利用子梯度算法的性质，证明了分布式算法的收敛性；进一步在宏基站运营商、虚拟运营商、femtocell所有者共存场景中，基于博弈论研究了用户混合接入控制、资源分配与定价机制，得到三方在进行博弈时的最优策略，给出femtocell混合接入存在的充分条件；研究了femtocell的视频缓存与视频用户动态接入femtocell问题，所设计算法在回程链路空闲时段，将视频下载到缓存，然后视频用户可以根据内容以及业务质量有选择的接入不同femtocell，降低了回程链路压力并实现不同femtocell的负载均衡。第三、基于分层博弈论研究了异构蜂窝网络鲁棒功率控制，给出Nash均衡点的存在性、唯一性与稳定性条件；利用Nash议价理论研究了用户接入控制与功率控制的联合设计，所设计的算法可以保证用户间资源分配的公平性与系统效率；考虑下行传输场景，利用随机优化理论，得到流量控制、无线载波分配、功率控制的联合算法，可满足下行传输的时延以及私密性限制，并降低不同网络间干扰；最后，研究了频谱共享与接入控制中的算法稳定性；证明在随机信道选择博弈中，通过合理的选择移动端发射功率限制，可以实现相对于集中式算法的有限的性能损失；在考虑能量有效的传输问题时提出不依赖信道与电价随机特征的跨层调度算法，证明了网络系统稳定性和算法最优性的折衷。搭建实验平台，实现频谱感知、信道分配与合作传输算法，实现干扰环境中的视频回传。