[论文解读] A Utility-Based Approach to Power Control and Receiver Design in Wireless Data Networks

Farhad Meshkati, H. Vincent Poor+2 more|ArXiv.org|Jul 5, 2005

Wireless Communication Networks Research参考文献 22被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于DS-CDMA上行链路网络中联合功率控制与接收机选择的博弈论框架，其中用户独立优化发射功率和接收机类型（匹配滤波器、白化滤波器或MMSE），以最大化能量效率（每焦耳比特数）。关键结果表明，纳什均衡实现了SIR平衡，所有用户在输出信干噪比（SINR）上达到相等，且MMSE接收机在能量效率方面表现最佳，多接收天线和基于效用的准入控制可带来显著增益。

ABSTRACT

In this work, the cross-layer design problem of joint multiuser detection and power control is studied using a game-theoretic approach. The uplink of a direct-sequence code division multiple access (DS-CDMA) data network is considered and a non-cooperative game is proposed in which users in the network are allowed to choose their uplink receivers as well as their transmit powers to maximize their own utilities. The utility function measures the number of reliable bits transmitted by the user per joule of energy consumed. Focusing on linear receivers, the Nash equilibrium for the proposed game is derived. It is shown that the equilibrium is one where the powers are SIR-balanced with the minimum mean square error (MMSE) detector as the receiver. In addition, this framework is used to study power control games for the matched filter, the decorrelator, and the MMSE detector; and the receivers' performance is compared in terms of the utilities achieved at equilibrium (in bits/Joule). The optimal cooperative solution is also discussed and compared with the non-cooperative approach. Extensions of the results to the case of multiple receive antennas are also presented. In addition, an admission control scheme based on maximizing the total utility in the network is proposed.

研究动机与目标

• 解决上行链路DS-CDMA网络中联合优化功率控制与多用户检测的跨层设计问题。
• 将用户行为建模为非合作博弈，用户选择发射功率和接收机类型以最大化个体效用（每焦耳比特数）。
• 分析博弈的纳什均衡，并比较不同线性接收机（匹配滤波器、白化滤波器、MMSE）的性能。
• 量化多接收天线带来的增益，并提出一种最大化效用的准入控制方案。
• 在能量效率和系统容量方面，将非合作博弈论解与最优合作（集中式）解进行比较。

提出的方法

• 构建一个非合作博弈模型，其中每个用户选择发射功率和接收机类型，以最大化衡量每焦耳比特数的效用函数。
• 推导线性接收机的纳什均衡，表明均衡对应于SIR平衡，即所有用户在输出SIR上相等。
• 利用大系统分析方法，推导出匹配滤波器、白化滤波器和MMSE接收机在均衡状态下的效用闭式表达式。
• 将框架扩展至多天线上行链路接收机，建模功率合并与干扰抑制效应。
• 提出一种最大化效用的准入控制方案，通过优化用户负载与分布以最大化总网络效用。
• 将非合作均衡与帕累托最优合作解进行比较，以评估效率损失与系统性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户以分布式、非合作方式联合优化功率与接收机类型时，其均衡行为如何？
• RQ2 接收机选择（匹配滤波器、白化滤波器、MMSE）在均衡状态下对能量效率（效用）有何影响？
• RQ3 在效用与系统容量方面，使用多接收天线能带来多大性能增益？
• RQ4 与最优合作解相比，非合作博弈论解在总效用与用户公平性方面表现如何？
• RQ5 能否设计一种最大化效用的准入控制方案，使其在接纳用户数与能量效率方面优于传统的基于负载的准入控制？

主要发现

• 所提博弈的纳什均衡是一种SIR平衡解，所有用户无论使用何种接收机类型，其输出SIR均相等。
• 在均衡状态下，MMSE接收机实现最高效用（每焦耳比特数），显著优于匹配滤波器与白化滤波器。
• 当使用两根接收天线时，MMSE接收机的平均效用显著提升，增益幅度甚至超过匹配滤波器与白化滤波器。
• 对于MMSE接收机，所提出的最大化效用准入控制方案下，接纳的用户总数大于或等于匹配滤波器与白化滤波器联合接纳用户数的总和。
• 非合作解与合作解之间的性能差距对白化滤波器与MMSE接收机而言极小，仅匹配滤波器表现出显著差异。
• 发现使总效用最大化的系统负载为58%（Γ = 0.5），对应网络中用户分布与负载的最优平衡。