基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率分配方法，主要采用博弈論 算法來優(yōu)化分配在多用戶多天線系統(tǒng)中各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，屬于無線電通信技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 博弈論的研宄方法和其他許多利用數(shù)學(xué)工具研宄各類問題的學(xué)科一樣，都是從復(fù) 雜的現(xiàn)象中抽象出基本的概念，對(duì)這些概念構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，在逐步引入對(duì)其局 勢產(chǎn)生影響的其他因素，進(jìn)而分析并得到其結(jié)果。
[0003] 博弈論的基本假設(shè)是強(qiáng)調(diào)個(gè)人理性，即他必須并且能夠充分考慮到人們之間的相 互作用及其可能的影響，做出合乎理性的選擇。所謂合乎理性是指博弈參與者最大化自己 的目標(biāo)函數(shù)，通常選擇使其收益最大化的策略。博弈論研宄的是理性行為，它認(rèn)為：參與博 弈的每個(gè)人都會(huì)根據(jù)對(duì)手的策略選擇自己的最優(yōu)反應(yīng)，以最大化自己的利益。參與博弈的 每個(gè)人的收益不僅取決于自己的決策，還取決于其他參與博弈的人的決策。
[0004] 一般來說，博弈都至少含有三個(gè)要素：（1)局中人，即博弈的參與人，又稱博弈方， 指的是博弈中能獨(dú)立決策、獨(dú)立行動(dòng)并承擔(dān)決策結(jié)果的個(gè)人或組織。（2)策略與策略集。策 略，即局中人的行動(dòng)。一局博弈中，每個(gè)局中人都有多個(gè)可選擇的行動(dòng)，每個(gè)行動(dòng)稱為這個(gè) 局中人的一個(gè)策略。每個(gè)策略都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的結(jié)果，供博弈方選擇的策略數(shù)量越多，博弈就越 困難復(fù)雜。一個(gè)局中人的所有策略的集合稱為該局中人的策略集或行動(dòng)空間，決策者在實(shí) 際行動(dòng)中總會(huì)選擇切實(shí)可行的策略輔助實(shí)施。（3)支付與支付函數(shù)。支付，即每個(gè)局中人選 擇策略后獲得的收益。此收益不僅依賴于他自己的策略選擇，還依賴于其他局中人的策略 選擇，因此它是所有局中人策略選擇的支付函數(shù)（也稱收益函數(shù)）。支付是局中人真正關(guān)心 的東西，是進(jìn)行判斷和決策的依據(jù)。博弈方都是圍繞一定的利益展開的，因此博弈勝負(fù)的評(píng) 判結(jié)果主要是靠策略選擇后的得失來衡量。
[0005] 非合作博弈論是指策略環(huán)境下，非合作的框架把所有的人的行動(dòng)都當(dāng)成是個(gè)別行 動(dòng)，也就是說在一個(gè)策略組合中，所有的參與者面臨這樣的一種情況，當(dāng)其他人改變策略 時(shí)，他此時(shí)的策略是最好的。也就是說，此時(shí)如果他改變策略，他的獲益將會(huì)降低。它主要 強(qiáng)調(diào)一個(gè)人進(jìn)行自主的決策，而與這個(gè)策略環(huán)境中其他人無關(guān)。納什均衡又稱非合作博弈 均衡，指的是這樣一種策略組合，這種策略組合有所有參與人的最優(yōu)策略組成，在該策略組 合上，任何參與人單獨(dú)改變策略都不會(huì)得到好處。換句話說，如果在一個(gè)策略組合上，當(dāng)所 有其他人都不改變策略時(shí)，沒有人會(huì)改變自己的策略，則該策略組合就是一個(gè)納什均衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問題：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，多輸入多輸出系統(tǒng)（MIM0)以及中繼通信都是未 來移動(dòng)通信的熱點(diǎn)技術(shù)。MM0系統(tǒng)可以獲得很高的信道容量，提高頻譜的使用效率；中繼 通信作為一種強(qiáng)有力的控件分集技術(shù)，可以很好的改善傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)的通信系能。將兩種技 術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行通信是本發(fā)明的模型基礎(chǔ)。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種基于博弈論算法的無 線電功率分配方法，解決上述模型的功率分配問題。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率分配方 法中，首先每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的所有天線作為一個(gè)整體參與博弈，采用非合作博弈，達(dá)到納什均 衡后每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的功率作為它們自身的總功率，這是第一次功率分配；然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi) 部的各根天線作為博弈的參與者，在總功率一定的約束條件下進(jìn)行非合作博弈，這是第二 次功率分配，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)每根天線的實(shí)際發(fā)送功率。
[0008] 本發(fā)明提出的基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率分配方法包括以 下步驟：
[0009] 步驟1):將認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)S看做是買家，中繼節(jié)點(diǎn)&，R2......，RN看做是賣家，共 N個(gè)節(jié)點(diǎn)，功率分配即買家向買家購買功率。所述％是認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)的支付函數(shù)，RSD是認(rèn) 知用戶在中繼節(jié)點(diǎn)的放大轉(zhuǎn)發(fā)下獲得的信息速率，a為輸出的單位速率增益，Pi為中繼節(jié)點(diǎn) 氏賣給認(rèn)知用戶S的功率的數(shù)量，mi為中繼節(jié)點(diǎn)&賣給認(rèn)知用戶S的單位功率價(jià)格，認(rèn)知用 戶S的支付函數(shù)為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率分配方法，其特征在于該方法 包括以下步驟： 步驟1):將認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)S看做是買家，中繼節(jié)點(diǎn)R1, R2......，Rn看做是賣家，共N個(gè) 節(jié)點(diǎn)，功率分配即買家向買家購買功率；隊(duì)是認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)的支付函數(shù)，Rsd是認(rèn)知用戶在 中繼節(jié)點(diǎn)的放大轉(zhuǎn)發(fā)下獲得的信息速率，a為輸出的單位速率增益，Pi為中繼節(jié)點(diǎn)Ri賣給認(rèn) 知用戶S的功率的數(shù)量，％為中繼節(jié)點(diǎn)R i賣給認(rèn)知用戶S的單位功率價(jià)格，認(rèn)知用戶S的 支付函數(shù)為：
，是中繼節(jié)點(diǎn)Ri的支付函數(shù)，c i是中繼節(jié)點(diǎn)Ri轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)的單位功率成本，它應(yīng)正比于信道中的噪聲功率，噪聲功率越大，信道性能就越差，該節(jié) 點(diǎn)賣出的功率所需成本就越低，則中繼節(jié)點(diǎn)的支付函數(shù)為：UKi= HiiPi-CiPi; 步驟2):每個(gè)節(jié)點(diǎn)的單位功率價(jià)格設(shè)置為賣家所能允許的最大值，該值與該節(jié)點(diǎn)所處 信道的噪聲功率有關(guān)；當(dāng)初始的價(jià)格Hli低于成本c i，效用UKi為負(fù)值，該中繼節(jié)點(diǎn)被排除；當(dāng) 價(jià)格Kli大于等于成本C i，該中繼節(jié)點(diǎn)被采用； 步驟3):用戶節(jié)點(diǎn)S購買最優(yōu)數(shù)量的功率來最大化自身的效用Us，將隊(duì)對(duì)P i求偏導(dǎo)
步驟4):設(shè)置Pi=O,判斷·，表示用戶節(jié)點(diǎn)從該中繼節(jié)點(diǎn)購買 1
1 功率提高自身的收益；當(dāng)
，表示用戶節(jié)點(diǎn)從該中繼節(jié)點(diǎn)購買功率不能提高收益， 根據(jù)
的符號(hào)，用戶節(jié)點(diǎn)S排除性能較差的中繼節(jié)點(diǎn)來選擇性能較優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)； 步驟5):用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)選擇出參與通信的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最佳功率分配，沒有被選擇的中 繼節(jié)點(diǎn)的功率直接為0 ; 步驟6):設(shè)置所有選擇的中繼節(jié)點(diǎn)的功率總和為一個(gè)定值P，保證對(duì)其他通信的用戶 的影響較小，將P平均分配給每個(gè)選擇的中繼節(jié)點(diǎn)； 步驟7):繼續(xù)計(jì)算
，Pi加上一個(gè)微小值△;當(dāng)
，Pi減去一個(gè)微小值Δ ; 步驟8):重復(fù)步驟7)，直至
斤^直是選擇的中繼節(jié)點(diǎn)分配得到的功率，不被選 擇的中繼節(jié)點(diǎn)的功率為0 ; 步驟9):當(dāng)?shù)趇個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有M根天線，計(jì)算其第j根天線的支付函數(shù)Uij = Pi/ ej-P' i/j，P' u為第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)中第j根天線分配得到的功率，e」為第j根天線功率 的價(jià)格，A為成本，成本與天線所在信道的性能有關(guān)； 步驟10):設(shè)置價(jià)格ej= m i，Pi/ = Pi/Μ，得到Uij，對(duì)其求和得到則仏為 第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)部所有天線收益的總和；
步驟11):將Uu按照從大到小進(jìn)行排序；所述U u越大，說明該天線所在的信道性能越 好；反之，Uu越小，該天線所在的信道性能越差；當(dāng)Uu從大到小的順序?yàn)閁n，U i2......，UiM， 其對(duì)應(yīng)的初始功率為P' n，P' i2......，P' iM; 步驟12):令P' U=P' υ+ΛΛΜ/2-」），Λ為設(shè)定的一個(gè)微小量，保證M根天線的功率 之和不會(huì)大于第一次分配得到的總功率，計(jì)算并記錄Uij以及他們的和值
步驟13):重復(fù)步驟12)直到Ρ/』、于等于0或者計(jì)算得到的U ,小于前一次得到的結(jié) 果，此時(shí)得到的仏是最大值，得到的P' u即為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)中第j根天線分配到的功率； 步驟14):重復(fù)步驟9)~步驟13)，計(jì)算得到所有選擇的中繼節(jié)點(diǎn)中的天線功率分配。
【專利摘要】本發(fā)明給出一種基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率分配方法，該方法采用博弈論算法來優(yōu)化分配在多用戶多天線系統(tǒng)中各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，首先每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的所有天線作為一個(gè)整體參與博弈，采用非合作博弈，挑選出其中能夠參與通信的中繼節(jié)點(diǎn)并分配功率，達(dá)到納什均衡后每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的功率作為它們自身的總功率，這是第一次功率分配；然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的各根天線作為博弈的參與者，在總功率一定的約束條件下進(jìn)行非合作博弈，這是第二次功率分配，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)每根天線的實(shí)際發(fā)送功率。
【IPC分類】H04W52-28, H04W52-04
【公開號(hào)】CN104869624
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510254819
【發(fā)明人】岳文靜, 陸海亞, 陳志 , 蒲昱, 劉敏
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月18日