采用认知与博弈机制自组织构建高效移动通信复杂网络系统方法的研究

Femtocell network will be the one of the basic forms of the future mobile communication system for indoor wireless coverage extension. Such kind of the network system composed of many femtocells is often difficult to orderly planning, and even its size is unpredictable. The coverage of different femtocells is often overlapping. The work status of a femtocell would randomly change: opening, hibernation or shutdown. It is very hard to coordinate their work with the traditional method, so we need to search a new self-organizing way to make them operate efficiently. The system can be abstracted as a model which size and structure may be dynamically changing, where the members get their resources by competing. The self-organization method will be researched, in which a cooperative game is used in a cluster, and a non-cooperative game is employed among of clusters in a wide range, so the system can work in the Nash equilibrium state and achieve the Pareto optimal in a large extent. At the same time, according to the green communication needs in the future we will also research the comprehensive means to solve the problems of system interference coordination and optimal switch control. Through this project, we will be able to explore and learn the self-organization stable operation mechanism of a complex random change system, to obtain theories and methods to guide the complex network system efficient operation.

毫微微小区将是未来移动通信系统室内工作的基本形式之一。众多毫微微小区构成的系统往往难以有序规划，存在规模大小难预测，小区间结构重叠、小区开启、休眠或关闭等工作方式随机变化、相互间难以统一协调等复杂情况。需要研究如何才能使其高效地工作。我们将这种系统抽象建模为一种规模大小不确定、结构时变的大系统，其中各成员须通过竞争利用资源。本项目将研究如何通过簇内合作博弈，大范围内的簇间非合作博弈的自组织方式，使博弈机制和方法与网络的规模无关，保证系统能够工作在纳什均衡的状态，并努力使其达到帕累托最优。同时根据未来绿色通信的需求，研究在不同形式的微小区工作方式下，通过综合的手段解决系统干扰协调、切换优化控制等关键技术问题。通过本项目，探索随机变化的复杂系统自组织稳定运行的机理，获得指导其高效工作的理论和方法。

众多毫微微小区构成的网络系统，宏基站小区与毫微微小区混合构成的异构网络系统，是未来移动移动通信系统组网的基本形式。在这类复杂的网络系统中，不仅基站数目众多，甚至还可能是有不同归属的，因此往往难以像传统单一的宏蜂窝小区那样进行有序规划和协调管理，需要一种新的分布式网络无线资源调度和分配方法。博弈论是一种在存在利益冲突方的场合，研究如何在互动过程中进行决策的工具，确切地说是分析这一过程中理性决策者间冲突和合作行为的数学模型；最优化理论则是寻求问题最优解的数学方法。本项目探索了采用博弈论的方法，结合最优化理论，建模上述包含大量毫微微小区的网络系统或异构网络等系统的分布式协调管理机制，以寻求获得一种可使得网络资源高效利用和自组织稳定运行的方法。. 本项目基于上述的思路开展研究，获得了如下几个方面的成果：1、提出了一种适用于自组织密集毫微微小区构成的网络系统、使频谱得到高效率利用的博弈式频谱复用算法；2、基于博弈论和最优化理论，提出了若干种异构网中用户接入选择与干扰协调方法，这些方法不仅能够达到纳什均衡，而且比较同类型算法，进一步了提高宏基站用户与小基站用户的传输速率；3、基于斯塔克尔伯格（Stackelberg）博弈和演化博弈的思想，提出了一种有利于激励拥有家庭基站的用户，开放家庭基站对外提供服务，以提高系统的频谱资源的利用率和能效，实现运营商与家庭基站拥有者实现共赢的策略；4、针对采用分布式天线系统的小区，在考虑获取信道状态信息存在估计及传输延时导致的误差的情形下，将天线选择与功率控制的联合进行优化，提出了两种带鲁棒性的功率优化算法。并导出了存在同频率干扰场景下中断概率的闭式表达式；5、通过将小区间负载均衡过程建模为多目标优化问题，提出了一种实现小区间负载均衡的自优化切换控制方法，可使网络的呼叫阻塞率等关键性能指标达到最佳。.此外，在本项目研究中，还提出了一种多个多天线放大转发中继网络中的稀疏波束赋形技术，该技术可权衡用户的信噪比要求和所需中继数目；提出了一种 信道状态信息不完善条件下，通过跨层设计实现多跳网络资源优化配置的方法。