异构网络中的QoS保障：基于博弈论的动态信道分配和自组织功率控制方案

⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 1（2015）90www.elsevier.com/locate/icte异构网络中QoS保障的博弈论方法A.S. M Zadid Shifata，Mostafa Zaman Chowdhurya， Yeong Min Jangba孟加拉国库尔纳工程技术大学电气和电子工程系b大韩民国首尔国民大学电子工程系接收日期：2015年1月3日;接受日期：2015年2015年11月11日在线发布摘要随着移动电话用户的激增，干扰管理是近年来备受关注的问题。为了解决这个问题，同时确保更好的服务质量（QoS），毫微微蜂窝基站在异构网络（HetNets）中扮演着不可或缺的前导码，因为它的一些值得注意的特性。在本文中，我们提出了一个博弈论的算法，随着动态信道分配和混合接入机制与自组织功率控制方案。为了解决优先访问问题，应用了研究了纯策略Nash均衡的存在性，证明了该方案在考虑用户最优价格的情况下，既能增加运营商的容量，又能增加运营商的收益。2015年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：QoS; HetNets;博弈论; NE1. 介绍为了扩大蜂窝无线网络的覆盖范围、提高容量和数据速率，有效的技术之一是减小小区大小和传输距离。因此，部署毫微微小区以及光学毫微微小区的概念最近吸引了越来越多的工业以及住宅应用的兴趣。然而，毫微微蜂窝基站和宏蜂窝基站共享相同的频谱导致严重的干扰问题，从而降低彼此交叉极化分配概念已经在视线（LOS）系统中作为从期望信号隔离干扰信号的手段而开创[2]。在毫微微小区部署的情况下，主要选项是用户的集合，这些用户被允许接入通常被称为订户的毫微微小区。封闭式访问限制了特定注册用户的设置，而任何移动用户*通讯作者。电子邮件地址：zadid shifat@outlook.com（A.S.M.Z. Shifat），mzceee@yahoo.com（M.Z. Chowdhury），yjang@kookmin.ac.kr（Y.M.Jang）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。允许在开放接入模式下使用任何毫微微小区。优选的准则强烈地依赖于宏蜂窝基站（MBS）和毫微微蜂窝接入点（FAP）之间的距离。科学家们已经调查了住宅用户更喜欢封闭式访问，而工业用户则提出开放式访问模式[3]。-具有适当授权的特定用户设备（UE），即，在封闭接入模式下，允许用户接入相应的FAP，以提高他们自己的系统吞吐量、覆盖范围等，而不允许非用户接入封闭接入的FAP。为了缓解这种冲突并解决问题，提出了共享访问策略[4]。由于这些方案在异构网络（HetNets）的情况下没有显示出令人满意的性能，因此科学家们发现了博弈论和分布式效用函数的应用，这些应用在[5]中被设计为针对毫微微小区实现令人满意的信号干扰噪声比（SINR）。在[6]中提出了自组织功率控制方案，因此非用户可以从MBS挖掘信号，即使他们位于靠近FAP。文献[7]提出了一种有效的频率规划方法来提高系统容量，文献[8]提出了基于呼叫接纳的自适应频带分配方案来解决干扰抑制策略和服务质量保证问题http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2015.10.0022405-9595/c2015韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。∈∈−∈={}∈+−∈−u1（1，s−i0），s i= 1.（二）j，aj，aASMZ Shifat等人/ ICT Express 1（2015）90-9391（QoS）。在UE之间的合作和联盟的基础上，一些研究人员提出了合作的权力博弈作为接入控制问题的统一解决方案[9]。除此之外，在[10]中构建了博弈论模型来分析客户和运营商之间的互动。在[11]中已经示出，在FAP和UE的可行数量下，对于整个HetNet，在开放接入模式下可以减轻干扰并且提高此外，许多研究人员考虑了QoS提供的经济前景，并在[12]中提出了不同类型接入策略的博弈模型。为了减少同信道干扰，混合接入模式是适用的，因为它允许有限数量的非订户连接到FAP，并且运营商可以选择开放接入以增加其收入[13]。当然，选择不同的接入策略和不同的步骤来减少干扰和增加容量是目前无线网络的限制。在我们的工作中，我们提出了动态信道分配策略的基础上，博弈论随着主次用户的概念。采用混合接入策略和自组织功率控制方案。对于我们提出的方案，没有必要使用不同的访问策略用于不同的目的。通过采用所提出的方案，系统吞吐量，容量以及运营商的收入可以增加考虑最佳的价格为用户。从大量的模拟结果中，我们证明了我们的说法。本文的其余部分组织如下。在第2节中讨论了沿数学分析提出的模型。第3节说明了绩效评估以及讨论。最后，在第4节中得出结论。2. 该模型2.1. 动态信道分配方案在动态信道分配机制的基础上，提出了一种更有效、更经济的方案首先，为语音呼叫和数据用户安装不同的FAP并对其进行分类，这些FAP由MBS分配和修饰FAP总是积累来自其环境的反馈信息利用这些信息，FAP为用户分配专用信道，并动态地改变其策略，以提供每个参与者都有能力选择自己的策略。玩家将以毫微微小区为目标或选择宏小区作为其接入网络。让我们考虑同时包含宏小区和毫微微小区的HetNet场景。设P和P_req，被定义为来自FAP的接收信号功率（RSP）大于和小于来自MBS的接收信号功率的用户设备（UE）的集合。我们建议，所有的用户都被认为是在P集，以访问他们的订阅毫微微小区。非订阅者可以根据他们是否在P或P的集合中分为两种类型。因此，非用户中的P节点集将有选择宏小区作为其目标网络的趋势，并且被认为是独立的，因为它们对博弈算法没有影响。相反，为了探索最大效用，P集中的非订户将可以选择连接到MBS或FAP。非订阅者的集合P作为博弈中的参与者被说服了。假设订户只能连接到FAP。虽然订阅者不是这个游戏的玩家，但他们可以提供足够的干扰来影响游戏除此之外，连接到MBS和FAP的播放器分别被定义为宏播放器和毫微微播放器。基于动态信道分配方案，将非用户基站和宏基站都视为宏用户设备（MUE），而将用户和毫微微基站称为毫微微用户设备（FUE）。2.3. 分析模型考虑到HetNet，细胞选择博弈被定义为三元组[13]，如下所示：I，（Si）i∈1，（ui）i∈1（ 1）在那里，我一二三. . N是非订阅者的集合P即，有限的一组玩家（Si）i I表示纯策略的集合，si和si分别是参与人i的行动和相反反应的非空集合。因此，每个参与者i的效用函数可以表述如下[13]：u0（0，更好的QoS在该方案中，FAP被分为语音通信和数据通信两种前景。FAP总是计算其自身下的用户数量，如果特定类别的FAP发现其用户数量少于其容量，则未使用的信道数量将自动分配给其他类别。当它意识到它需要比它已经占用的更多的渠道时，它就恳求别人提供渠道假设，被问到的人有未使用的频道，那么他们就为贫困的人提供频道。在这种前景下，博弈论针对下行链路场景考虑了循环调度，并且时间维度被划分为用于MUE的相等长度的时隙（T）宏小区中的调度是通过X个非用户P和m个连接到FAP的播放器来完成的，其中Z m个播放器连接到MBS，这表明总共有X个非用户P和m个播放器。Zm个连接到MBS的MUE，其中，Z表示总的可用玩家。对于每个UE，来自服务小区和相邻小区的接收信号参考功率（S）由该UE估计，并且将被报告回其服务小区[13]。令S_MU_E是来自第“j”个FUE的接收功率算法选择一个特定用户的正确策略，特殊情况。BSa（a=j， a0表示MBS;而a=1表示FAP），其可以2.2. 毫微微小区接入方案可以写成：SMU E=PM AX，a·LMU E。（三）在这一部分中，建立了一个基于博弈论框架的HetNet算法。在该算法中，表示BS"a“的最大传输功率和BS" a”与第“j”个MUE之间的ui=（si，s−i）=()i=穆埃穆埃穆埃穆埃k，1k，0∈=X中国==BZ+ QQ2+ Z在时隙T期间MBS和FAP之间的通信开销，FAP的允许功率有两个功率水平0Q+100=1;M AX，1j，0j，0j，0j，0K1+W，1j，au1FAP092A.S.M.Z. Shifat等人/ ICT Express 1（2015）90表1系统参数。参数值出现在这里。在本文中也同样使用系统接纳控制参数β[13]。它示出了所有订户最初可以被分配有总订户的比率β。可用于毫微微小区的带宽，并且所有FUE将共享剩余的资源的<$（1−β）<$。F或M球员，订阅者可以分享可用资源，其中β=1表示封闭访问模式，β0表示毫微微蜂窝基站是完全开放的然而，FAP仍然可以通过关闭率β的值来控制其服务UE的总数。 每个毫微微播放器可以被分配有1−β的总资源。效用函数u局局长X+ Q+ m每个参与者i可以写为：ui（ s）美国BAUNATMAX，0. LW，0mmu0（s0）=X+Z−s log21+2，简体中文通过 PMAX， a和 LMUE， 分别 在 秩序 减少inti=0;（1−β·C（s）−χ·φ·Γ，（八）具体如下：P，S [dBm]≥S[dBm]+γ+π0，S[dBm]S[dBm]<+γ+π其中，φ定义为运营商向消费者收取的价格在此，X被用作2Mbps的常数，并且T被用作周期性调节器。χr=0，是运营商可以从消费者那里获得。观察到NE为其中，参数γ和γ被定义为阈值，以分别确定同信道、邻信道干扰和同层、跨层干扰水平。γ和λ的值越大，干扰值越小FAP的小区容量（考虑到m个参与者）被假设为：中非AP（m）条件0≤m≤Z.3. 绩效评价对于性能分析，我们假设MBS和FAP的半径分别为1 km和15 m房间尺寸WX+Z−m普·勒假定FAP所在位置为20 m× 20 m。数字.路径损耗、阴影偏差、穿墙和X+Z−mj=1Z+PM AX，0·LW，0（五）其它所需参数总结在表1中。在NE处的每个UE的平均容量相对于不同类型UE的呼叫接纳速率参数β的关系示于图2中。在（5）中，W、 LW、 a和α2Z分别表示系统带宽、BS ' a'与最差参与者之间的大尺度信道增益当宏播放器利用公共时隙时，FAP没有特权在这些时隙期间传输任何功率如果FAP在那些时隙期间发送，则宏播放器将接收到强干扰信号，这是由于S_MU_E+γ+γ>S MUE对Z+X−n≥j≥X+1有效。其中，“播放器”、“订阅者”、“非订阅者”、“系统”分别被表示为HetNet系统中的据观察，更好的平均系统容量可以在开放接入模式下获得。此外，在β 0。8时，用户平均容量出现一个峰值，这说明存在一个特定的β值，在该值下，我们提出的方案的用户性能优于传统方案。穆娥穆娥娥图图2示出了用户和系统的平均容量令D=j=1Sj，0 +γ+γ>Sj，0.（六）NE处的UE与开放（β= 0）、混合（β= 0. 5），以及闭合（β=1）对于这种类型的方程（True）1和（False）0[13]。所以（5）可以修改为：访问模式。可以看出，与开放式、封闭式和传统的混合式方案相比，我们提出的方案可以在用户和系统UECFBS（ m）=（X-D）Wlog 101 +PM AX·LW，1mm。访问模式。 图 3显示了运营商的平均收入X+ Z− mZ+PM AX，0·LW，0（七）可以在不同的访问模式下对价格进行收费是据观察，开放获取模式的平均收入更高，连接到FAP的播放器被设计为具有作为订户的较低调度优先级，因为订户授权较高优先级来访问FAP。此后，针对主用户和次用户的动态优先级分配SIpj=（四）=log22MBS的最大功率40 DBMFAP的最大功率10 DBM系统带宽6 MHz数量的子信道30户内用户6室内非用户10户外非用户12信道噪声密度噪声系数−180 dBm/Hz10 dB穿墙损耗15 dB阴影偏差8 dB自由空间传播损耗10 dBMBS和FAP500米干扰阈值10 dB与混合接入模式相比，差异非常明显[13]。我们提出的方案和传统的混合接入策略之间的平均收入的差异是微不足道的。系统，建议系统，混合系统，关闭系统、开放的系统，建议系统，混合系统，封闭系统，开放系统建议方案混合开闭ASMZ Shifat等人/ ICT Express 1（2015）90-9393建议方案作为运营商和消费者之间的最佳解决方案。4. 结论控制参数Fig. 1. NE处的每个UE的平均容量对参与者、订户、非订户∈P∈ P和系统中的每个UE的β。距离（m）图二、NE处的用户和系统UE的平均容量与MBS和FAP之间的价格图三.平均收入（运营商）与价格。图中的峰值 3表示运营商为了最大化其收入的目的可以向玩家收取的 最 优 价 格 。这些结果清楚地强调了采用我们的本文提出了一种有效的博弈论算法，在该算法中，动态信道分配具有最高优先权。从讨论和图形说明中，我们得出的结论是，我们提出的方案可以是未来无线网络的测量仪虽然混合接入和开放接入模式可以分别为运营商带来更高的容量和更好的收入，但我们提出的方案可以在获得更高容量的同时，以最优的价格为消费者增加收入确认本 研究 由韩 国 教育 部资 助 的韩 国国 家 研究 基金 会（ NRF ） 基 础 科 学 研 究 计 划 （ 编 号 NRF-2013 R1 A1A2057922）支持。引用[1] M. Yavuz，F. Meshkati，S. Nanda，A. Pokhariyal，N.约翰逊湾，澳-地Roghothaman，A. Richardson，UMTS/HSPA+毫微微蜂窝基站的干扰管理和性能分析，IEEE Commun. 麦格 47（9）（2009）102-109。[2] V.Roman，本地多点分配服务中的频率复用和系统部署，IEEEIEEE，Commun. 6（6）（1999）20-27。[3] S. Guruacharya，D.Niyato，D.I.Kim，Access control via coalitionalpower game，in：Proc. IEEE WCNC，2011，pp.2824-2828[4] S. Yun，Y. Yi，D.H. Cho，J. Mo，Open or Close：on the sharing offemtocells，in：Proc. IEEE INFOCOM，2011，pp. 116-120[5] 诉 J.G.Andrews，T.Muharemovic，Z.Shen，中国古猿A.Gatherer，双层毫微微蜂窝网络中的功率控制，IEEE Trans.Wirel. Commun. 8（8）（2009）4316[6] Y.J. Sang，H.G. Hwang，K.S. 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