面向下一代移动通信网络的绿色中继管理方法研究

As the development of the next-generation mobile communications and the irreversible trend of the green communications evolution, the cooperative relay technology will gain substantial attention as it is helpful for improving network capacity, reducing energy consumption, etc. However, the above advantages should be explored by an efficient relay management technology. In particular, from the perspective of green communications, it is more important to investigate such questions as why cooperation, when cooperation, and how cooperation. Since the next-generation mobile communications network is characterized by dynamic communications environment, heterogeneous and varying service demands, intense node competition, and scarce sharing resource, this project mainly focuses on improving energy-efficiency which is the core problem of the green communications. To this end, this project first designs an integrated, efficient, and flexible energy-efficiency measurement metric in the framework of a general network abstract model, with the goal of realizing the energy-efficient relay management. Subsequently, by making use of auction theory in application economics, game theory in micro-economics, and hierarchical reinforcement learning algorithm in computational intelligence, we thoroughly investigate the issue of energy-efficient relay management, from the aspects of model construction, performance analysis, and distributed implementation, low-complexity algorithm, etc., to satisfy the tradeoff between QoS improvement and energy reduction, the guarantee of the global fairness, and the need of the robust system.

随着对下一代移动通信研究的不断深入和其绿色演进的势在必行，协同中继技术因具有提高网络容量、节能降耗等诸多优势，将备受关注。然而，协同中继技术的上述优势，需高效的中继管理来保驾护航。特别是从"绿色"角度出发，深入探索为何协同、何时协同、如何协同的问题，其重要性更加凸显。考虑到下一代移动通信网络具有通信环境动态、业务需求多样、节点竞争激烈和共享资源稀缺等显著特征，本项目将着眼于提高能量有效性这一绿色通信的关键所在，以能量有效的中继管理为目标，针对更具一般性的网络抽象模型，设计统一、高效、灵活的能量有效性度量准则。在此指导下，利用博弈理论等经济学理论和计算智能领域中的分层强化学习方法等，从模型构建、性能分析、分布式实现、低复杂度算法等方面，深入研究能量有效的中继管理方法，为平衡QoS与能量消耗的关系、实现公平性保证、满足鲁棒性需求等提供有力的解决方案。

无线网络资源日趋紧缺和能源消耗飞速上涨的问题已是不争的事实，这使得无线通信的绿色演进已成必然。特别地，协同通信是公认的实现绿色无线通信的支柱性技术之一，但它需要依赖于高效的中继管理来获得分集增益并提高能量利用率。鉴于此，本项目针对下一代移动通信网络所具有的通信环境动态、业务需求多样、节点竞争激烈和共享资源稀缺等显著特征，着眼于提高能量有效性这一绿色通信的关键，利用博弈理论等经济学理论和计算智能领域中的分层强化学习方法等，从度量准则设计、模型构建、性能分析、分布式实现等方面，深入探索了为何协同、何时协同、如何协同的问题，从而在最大限度地减少对网络和个体状态信息的依赖、提升服务质量满意度的同时，实现了提高各节点的能量利用率，确保网络整体能耗均衡的总体目标，达到了节能减排，助力绿色通信实现，促进低碳经济发展的初衷。本项目研究工作的主要成果凝练如下：①将绿色无线通信网中某些难解的共性问题融于统一的研究框架构建上，确立了更具一般性的基于多源多中继多目的网络抽象模型，并设计了统一、高效、灵活的能量有效性度量准则。②基于拍卖理论，设计了保证竞争性公平的能量有效的最优中继管理机制，在仅依赖局部状态信息的条件下，解决了日趋棘手的有限资源共享的公平性保证问题。③针对复杂的业务需求和动态的通信环境，构建了联合演化博弈和微分博弈的两阶段博弈模型，从而实现了鲁棒性保证的能量有效的中继管理。基于上述研究成果，共发表学术论文42篇，其中SCI收录23篇，最高影响因子6.53，ESI高被引论文2篇；论著1本；授权国家发明专利2项，申请并受理了国家发明专利5项；提交提案1份。先后获得了江苏省科学技术奖三等奖，江苏省教育科学研究成果奖二等奖，中国电子学会科学技术二等奖，WCSP 2014国际学术会议“最佳论文奖”。培养了多名研究生，1人次获选江苏省“333高层次人才培养工程”培养对象。