基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法

文档序号:8546652阅读:311来源:国知局
基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多用户多天线认知无线电系统的功率分配方法,主要采用博弈论 算法来优化分配在多用户多天线系统中各个用户节点的发送功率,属于无线电通信技术领 域。
【背景技术】
[0002] 博弈论的研宄方法和其他许多利用数学工具研宄各类问题的学科一样,都是从复 杂的现象中抽象出基本的概念,对这些概念构成的数学模型进行分析,在逐步引入对其局 势产生影响的其他因素,进而分析并得到其结果。
[0003] 博弈论的基本假设是强调个人理性,即他必须并且能够充分考虑到人们之间的相 互作用及其可能的影响,做出合乎理性的选择。所谓合乎理性是指博弈参与者最大化自己 的目标函数,通常选择使其收益最大化的策略。博弈论研宄的是理性行为,它认为:参与博 弈的每个人都会根据对手的策略选择自己的最优反应,以最大化自己的利益。参与博弈的 每个人的收益不仅取决于自己的决策,还取决于其他参与博弈的人的决策。
[0004] 一般来说,博弈都至少含有三个要素:(1)局中人,即博弈的参与人,又称博弈方, 指的是博弈中能独立决策、独立行动并承担决策结果的个人或组织。(2)策略与策略集。策 略,即局中人的行动。一局博弈中,每个局中人都有多个可选择的行动,每个行动称为这个 局中人的一个策略。每个策略都对应相应的结果,供博弈方选择的策略数量越多,博弈就越 困难复杂。一个局中人的所有策略的集合称为该局中人的策略集或行动空间,决策者在实 际行动中总会选择切实可行的策略辅助实施。(3)支付与支付函数。支付,即每个局中人选 择策略后获得的收益。此收益不仅依赖于他自己的策略选择,还依赖于其他局中人的策略 选择,因此它是所有局中人策略选择的支付函数(也称收益函数)。支付是局中人真正关心 的东西,是进行判断和决策的依据。博弈方都是围绕一定的利益展开的,因此博弈胜负的评 判结果主要是靠策略选择后的得失来衡量。
[0005] 非合作博弈论是指策略环境下,非合作的框架把所有的人的行动都当成是个别行 动,也就是说在一个策略组合中,所有的参与者面临这样的一种情况,当其他人改变策略 时,他此时的策略是最好的。也就是说,此时如果他改变策略,他的获益将会降低。它主要 强调一个人进行自主的决策,而与这个策略环境中其他人无关。纳什均衡又称非合作博弈 均衡,指的是这样一种策略组合,这种策略组合有所有参与人的最优策略组成,在该策略组 合上,任何参与人单独改变策略都不会得到好处。换句话说,如果在一个策略组合上,当所 有其他人都不改变策略时,没有人会改变自己的策略,则该策略组合就是一个纳什均衡。

【发明内容】

[0006] 技术问题:在认知无线电网络中,多输入多输出系统(MIM0)以及中继通信都是未 来移动通信的热点技术。MM0系统可以获得很高的信道容量,提高频谱的使用效率;中继 通信作为一种强有力的控件分集技术,可以很好的改善传统点到点的通信系能。将两种技 术结合起来进行通信是本发明的模型基础。本发明的目标是提供一种基于博弈论算法的无 线电功率分配方法,解决上述模型的功率分配问题。
[0007] 技术方案:本发明所述的基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方 法中,首先每个中继节点的所有天线作为一个整体参与博弈,采用非合作博弈,达到纳什均 衡后每个节点获得的功率作为它们自身的总功率,这是第一次功率分配;然后,每个节点内 部的各根天线作为博弈的参与者,在总功率一定的约束条件下进行非合作博弈,这是第二 次功率分配,得到每个节点内每根天线的实际发送功率。
[0008] 本发明提出的基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法包括以 下步骤:
[0009] 步骤1):将认知用户节点S看做是买家,中继节点&,R2......,RN看做是卖家,共 N个节点,功率分配即买家向买家购买功率。所述%是认知用户节点的支付函数,RSD是认 知用户在中继节点的放大转发下获得的信息速率,a为输出的单位速率增益,Pi为中继节点 氏卖给认知用户S的功率的数量,mi为中继节点&卖给认知用户S的单位功率价格,认知用 户S的支付函数为
【主权项】
1. 一种基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法,其特征在于该方法 包括以下步骤: 步骤1):将认知用户节点S看做是买家,中继节点R1, R2......,Rn看做是卖家,共N个 节点,功率分配即买家向买家购买功率;队是认知用户节点的支付函数,Rsd是认知用户在 中继节点的放大转发下获得的信息速率,a为输出的单位速率增益,Pi为中继节点Ri卖给认 知用户S的功率的数量,%为中继节点R i卖给认知用户S的单位功率价格,认知用户S的 支付函数为:
,是中继节点Ri的支付函数,c i是中继节点Ri转发数 据的单位功率成本,它应正比于信道中的噪声功率,噪声功率越大,信道性能就越差,该节 点卖出的功率所需成本就越低,则中继节点的支付函数为:UKi= HiiPi-CiPi; 步骤2):每个节点的单位功率价格设置为卖家所能允许的最大值,该值与该节点所处 信道的噪声功率有关;当初始的价格Hli低于成本c i,效用UKi为负值,该中继节点被排除;当 价格Kli大于等于成本C i,该中继节点被采用; 步骤3):用户节点S购买最优数量的功率来最大化自身的效用Us,将队对P i求偏导
步骤4):设置Pi=O,判断·,表示用户节点从该中继节点购买 1
1 功率提高自身的收益;当
,表示用户节点从该中继节点购买功率不能提高收益, 根据
的符号,用户节点S排除性能较差的中继节点来选择性能较优的中继节点; 步骤5):用户节点对选择出参与通信的中继节点进行最佳功率分配,没有被选择的中 继节点的功率直接为0 ; 步骤6):设置所有选择的中继节点的功率总和为一个定值P,保证对其他通信的用户 的影响较小,将P平均分配给每个选择的中继节点; 步骤7):继续计算
,Pi加上一个微小值△;当
,Pi减去一个微小值Δ ; 步骤8):重复步骤7),直至
斤^直是选择的中继节点分配得到的功率,不被选 择的中继节点的功率为0 ; 步骤9):当第i个中继节点内部有M根天线,计算其第j根天线的支付函数Uij = Pi/ ej-P' i/j,P' u为第i个中继节点中第j根天线分配得到的功率,e」为第j根天线功率 的价格,A为成本,成本与天线所在信道的性能有关; 步骤10):设置价格ej= m i,Pi/ = Pi/Μ,得到Uij,对其求和得到则仏为 第i个中继节点内部所有天线收益的总和;
步骤11):将Uu按照从大到小进行排序;所述U u越大,说明该天线所在的信道性能越 好;反之,Uu越小,该天线所在的信道性能越差;当Uu从大到小的顺序为Un,U i2......,UiM, 其对应的初始功率为P' n,P' i2......,P' iM; 步骤12):令P' U=P' υ+ΛΛΜ/2-」),Λ为设定的一个微小量,保证M根天线的功率 之和不会大于第一次分配得到的总功率,计算并记录Uij以及他们的和值
步骤13):重复步骤12)直到Ρ/』、于等于0或者计算得到的U ,小于前一次得到的结 果,此时得到的仏是最大值,得到的P' u即为第i个节点中第j根天线分配到的功率; 步骤14):重复步骤9)~步骤13),计算得到所有选择的中继节点中的天线功率分配。
【专利摘要】本发明给出一种基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法,该方法采用博弈论算法来优化分配在多用户多天线系统中各个用户节点的发送功率,首先每个中继节点的所有天线作为一个整体参与博弈,采用非合作博弈,挑选出其中能够参与通信的中继节点并分配功率,达到纳什均衡后每个节点获得的功率作为它们自身的总功率,这是第一次功率分配;然后每个节点内部的各根天线作为博弈的参与者,在总功率一定的约束条件下进行非合作博弈,这是第二次功率分配,得到每个节点内每根天线的实际发送功率。
【IPC分类】H04W52-28, H04W52-04
【公开号】CN104869624
【申请号】CN201510254819
【发明人】岳文静, 陆海亚, 陈志 , 蒲昱, 刘敏
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月18日
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