کنترل هدفمند، کارآمد و توزیعی توان در شبکه های بی سیم

موضوع این رساله، کنترل توان ارسالی در فراسو برای شبکه های سلولی بی سیم با تداخل محدود و دسترسی چندگانه است. در این رساله برای حل مسایل کنترل توان، از دو رهیافت 1) توزیعی و تعاونی و 2) غیرتعاونی مبتنی بر نظریه ی بازی ها استفاده می کنیم. آلگوریتمهای توزیعی و تعاونی موجود کنترل توان به دو دسته کلی آلگوریتمهای کنترل توان تعقیب کننده sir هدف (tpc) و کنترل توان فرصت طلبانه (opc) تقسیم می شوند. اگر چه opc منجر به افزایش قابل توجه برون دهی سیستم می شود، اما قادر به تضمین یک مقدار حداقلی از sir برای برخی از کاربران نیست (عدم رعایت انصاف). آلگوریتم tpc نیز دو ضعف جدی دارد، 1) در یک سیستم امکان ناپذیر (وقتی مجموعه ی sir هدف مورد نیاز کاربران قابل حصول نیست)، همه کاربرانی که به sir هدف خود نمی رسند (کاربران حمایت نشده) با ارسال در بیشینه ی توان خود باعث افزایش توان مصرفی کاربران، افزایش تداخل و در نتیجه افزایش نرخ انفصال کاربران (نسبت تعداد کاربران حمایت نشده به تعداد کل کاربران) می شوند و 2) در یک سیستم امکان پذیر، هر کاربر دقیقا sir هدف خود را دریافت می کند، حتی اگر هم چنان منابع اضافی برای افزایش sir دریافتی کاربران و برون دهی سیستم موجود باشد. در این رساله، برای برطرف کردن نقاط ضعف آلگوریتمهای موجود کنترل توان، پنج مساله مطرح و برای آنها راه حلهای مناسب ارایه کرده ایم. این پنج مساله عبارتند از 1) حذف موقت و تدریجی کاربران با هدف بیشینه کردن تعداد کاربران حمایت شده در یک سیستم امکان ناپذیر، 2) بیشینه کردن برون دهی سیستم با لزوم رعایت یک sir کمینه هدف برای هر کاربر، از طریق تخصیص پویای sirهای هدف به صورت توزیع شده، 3) کنترل توزیعی توان با هدف بیشینه کردن مجموع sir دریافتی کاربران، 4) کنترل توزیعی توان به صورت منصفانه با هدف بیشینه کردن sir کمینه (max-min sir) و 5) تعیین یک تابع هزینه که تعادل نش بازی غیر تعاونی کنترل توان ناشی از آن، قابلیت تعقیب هر یک از اهداف مطرح شده در مسایل 1 الی 4 را داشته باشد. مسایل 1 الی 4 در دسته رهیافتهای کنترل تعاونی و توزیعی توان و مساله 5 در دسته رهیافتهای کنترل غیرتعاونی توان مبتنی بر نظریه بازی ها قرار می گیرند. مساله 1، برای رفعِ اولین ضعف tpc، مساله 2، برای رفع دومین ضعف tpc و هم چنین برای رفع ضعف عدم انصاف در opc مطرح شده اند. علاوه بر این، در مساله 2، بررسی قابل حصول بودن مجموعه sir هدف کاربران، بطور توزیعی توسط خود کاربران نیز مطرح می شود که یک مساله باز و پر اهمیت است. انگیزه ی بیان و حل مسایل 3 الی 5 نیز عدم توانایی روشهای موجود در حل آنها است. برای حل مساله 1، دو آلگوریتم با رویکردهای متفاوت (یک آلگوریتم با قابلیت حذف نرم کاربران (topc)، و یک آلگوریتم با قابلیت های بررسی امکان پذیری سیستم و حذف سخت کاربران (dfc)) ارایه می شود. برای آلگوریتم topc، ضمن اثبات وجود و یکتایی نقطه ی ثابت و همگرایی آلگوریتم به آن، بطور تحلیلی نشان می دهیم که در سیستمهای امکان ناپذیر، آلگوریتم مذکور در مقایسه با آلگوریتم tpc دارای نرخ انفصال و توان مصرفی کمتری است. برای آلگوریتم dfc، که از مهمترین نوآوری های این رساله محسوب می شود، ضمن اثبات وجود نقطه ی ثابت، بطور تحلیلی نشان می دهیم که تمام نقاط ثابت آن هم از منظر pareto و هم از منظر مصرف توان کارآمد هستند. هم چنین برای حالت خاصی که sir هدف همه کاربران یکسان است، نشان می دهیم که dfc به کمینه ی نرخ انفصال کاربران منجر می شود. برای حل مساله 2، یک آلگوریتم توزیعی کنترل توان با تعقیب پویای sir هدف ارایه داده و نشان می دهیم که برون دهی سیستم را در مقایسه با tpc افزایش می یابد، در حالیکه دریافت مقدار کمینه ی sir هدف برای همه کاربران تضمین می شود. برای حل هر یک از مسایل 3 و 4، نیز یک آلگوریتم توزیعی کنترل توان ارایه و نشان می دهیم که هر یک از آلگوریتمهای پیشنهادی به جواب بهینه ی مساله ی متناظر خود همگرا می شوند. برای حل مساله 5، نیز با پیشنهاد یک تابع جدید هزینه به صورت یک تابع خطی از sir، نشان می دهیم که چگونه می توان با استفاده از آن در یک بازی غیرتعاونی کنترل توان، بر رفتار خودخواهانه کاربران در تنظیم توان ارسالی خود تاثیر گذاشت که در نتیجه آن، تعادل نش بازی کنترل توان، یک هدف در سطح سیستم از قبل تعیین شده از یک مجموعه ی اهداف را برآورده کند. در یک جمع بندی، ارایه ی پنج آلگوریتم توزیعی کنترل توان با توابع هدف متفاوت، و یک تابع جدید هزینه، نوآوریهای این رساله هستند.