一种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法
【专利摘要】本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，建立博弈模型，基于用户节点的自私性，为多天线中继系统提供一种新的功率分配方法。与现有技术相比，本发明将多天线中继选择系统与博弈论结合起来，以保障整个系统性能和个体用户之间的公平性，基于用户节点的自私性，通过提出一种新的功率分配方案，不仅实现了系统整体的效能最优，同时也使用户的利益最大化。本发明不仅克服了传统的非协作通信整体运行效率低下，稳定性差等缺点，保证了个体与整体的利益，还提高用户节点的信噪比增益。
【专利说明】
-种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线通信技术领域，具体设及一种多天线中继系统中基于博弈论的协 作通信方法。
【背景技术】
[0002] 作为第四代移动通信的关键技术之一，中继协作技术是一个新兴的并具有巨大潜 力和应用前景的研究领域，国内外很多研究机构都对其进行了深入的研究。与此同时，博弈 论作为一种新兴的研究手段，已经在协作通信研究的各个领域取得了广泛的应用。在传统 的非协作通信领域，由于稳定性差，浪费资源等运些弊端，且不能兼顾个体用户利益和整体 利益，导致整个系统运行效率低下。由于无线组织网络中用户的节点都是自私的，用户考虑 的是如何最高效率利用自己的资源，W最大化自己的效益，而忽略了整个系统的性能。为了 克服运些困难，研究人员将博弈论应用到多天线系统，效果显而易见。运种方法不仅使系统 传输数据更加稳定，同时将个体用户和整体系统的资源最大化利用，保证了整体利益和个 体利益。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，建立 博弈模型，基于用户节点的自私性，为多天线中继系统提供一种新的功率分配方法，用W提 高用户节点的信噪比增益。
[0004] 为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种多天线中继系统中基于博弈论 的协作通信方法，包括W下步骤： (1) 选择某个源节点，通过导频测量得到所有信道信息的集合； (2) 根据测量所得信道信息集合，求解优化问题，得到两个节点51、&作为中继时的最 优发送功率皆心和巧心； (3) 节点Si作为源节点，基于最优天线选择准则选择其多根发送天线中最优的一条天 线，W满功率Pmax发送信号XI，Si的目标节点是化，S沸化收到信号向量yRl ; (4) 节点S2将yR治并成标量信号XRi，W功率巧^"1'按照最优天线选择准则选择一根天线 发送给Si的目标节点化，功率if/"1小于等于满功率Pmax;化接收直达链路和中继链路的两个 信号向量，利用合并准则进行合并，然后解调原始信号； (5) 节点S2作为源节点，基于最优天线选择准则选择多根天线中最优的一条天线，W满 功率发送信号X2，S2的目标节点是化，Si和化收到向量信号YR2; (6) 节点Si将yR2合并成标量信号邸2, W功率if 娘照最优天线选择准则选择一根天线 发送给S2的目标节点化，功率if by小于等于满功率Pmax;化接收直达链路和中继链路的两个 信号向量，利用合并准则进行合并，然后解调原始信号。
[0005] 步骤(2)所述优化问题表示为：
其中， Κι和拉表示节点Si和节点S2的协作策略； Gi和G2表示节点Si和节点S2的信噪比增益； 化和化表示采用最小均方误差接收机式的最优接收滤波器，经过处理后接受端处的信 噪比增益； SNR表示各个链路之间的信噪比； ICS是Si到化的信道矩阵的一个列向量，此列向量是所有列向量中范数最大的； h含;X。是S2到化的信道矩阵的一个列向量，此列向量是所有列向量中范数最大的； Ulmin和化min表示非协作状态下节点Si和节点S2分别作为源节点和中继节点时的信噪 比;运里节点Si或S2付出的功率是作为源节点的发送功率Psi与作为中继节点的发送功率Ps^ 之和，即譽胃+巧s'"i，因此节点Si或S2在不协作的每个时段的传输功率应是巧巧。心； 求解所述优化问题，得到Κι和K2,从而得到两个节点Si、S2作为中继时的最优发送功率巧 和。所述优化问题可W采用遍历捜索法求解。
[0006] 步骤(3)、（4)、（5)、（6)所述最优天线选择准则是从信道矩阵的所有列向量，选择 列向量中范数最大的一个，其标号对应于发射天线的最优天线。
[0007] 步骤(4)和(6)所述合并准则是采用了最小均方误差准则的合并方法。
[0008] 与现有技术相比，本发明将多天线中继选择系统与博弈论结合起来，W保障整个 系统性能和个体用户之间的公平性，基于用户节点的自私性，通过提出一种新的功率分配 方案，不仅实现了系统整体的效能最优，同时也使用户的利益最大化。本发明不仅克服了传 统的非协作通信整体运行效率低下，稳定性差等缺点，保证了个体与整体的利益，还提高用 户节点的信噪比增益。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的流程图； 图2为对称协作中继网络模型示意图； 图3为多天线中继协作传输节点S1和S2的信噪比增益。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0011] 实施例1:多天线中继协作传输节点Si和节点S2的信噪比增益。
[0012] 本发明的流程如图1所示，主要针对基于博弈论的多天线中继选择系统。图2给出 了一个对称协作中继网络模型，不妨假设，用户节点Si和用户节点S2的天线数是化，基站化 和化的天线数是化，用户Si的目标节点是Di，而用户S2的目标节点是〇2。但是Si距离化较S2远 些，故想通过协作方式传输数据，W增强链路性能。S2情况类似。
[0013] 在Matlab仿真的环境下，采用最优的天线选择，假设每个数据源最大的发射功率 Pmax=10mW，并具有连续的功率分配策略空间Κι[Ι = 1，2];源节点Si和S2均配备2根天线，目 标节点化和化均配备4根天线。不失一般性，假设源节点发送数据均满足功率归一化要求:E x|2=l。信道响应模型为
其中d是任意两个节点间的距离，代表大尺度衰落;化是随机矩阵，其元素是独立同分 布的、均值零、方差一的复高斯随机变量，代表小尺度衰落。所有信道的高斯噪声功率不妨 设为〇2 = 1X1〇-8W。设定节点2,3,4的坐标分别为(600,0)，（800,0)，（0,0)，节点51的义坐标 固定在300，y坐标在0至化00之间变化。
[0014] 首先，选择某个源节点，不妨为&，通过导频测量得到所有信道信息的集合。
[001引然后，根据现慢所得信道信息集合，求解如下优化问题：
通过遍历捜索法求解上述优化问题，便可W得到Κι和Κ2,从而得到两个源节点作为中 继时的最优发送功率巧
[0016] 是Si到S2的信道的信噪比，
此时Si采用满功率发送数据;h器是Si到S2的信道矩阵中的一个列向量，此列向量是所 有列向量中范数最大的。也有类似定义。
[0017] 是&到化的信道的信噪比，
此时Si采用满功率发送数据;是Si到化的信道矩阵中的范数最大的列向量。SAW; 也有类似定义。
[001引 是S2到化的信道的信噪比，
此时S2作为中继为Si转发数据，采用的发送功率不再是满功率，而是/ν'κΑ'ι'，一个小于 等于满功率的数值。没也有类似定义。
[0019] Gi和G康示为节点Si和节点S2的信噪比增益。
[0020]然后系统进行数据传输，表1为协作传输时序表 表1.协作传输时序表
具体包括如下步骤： 1) 源节点Si基于最优天线选择准则选择其多根发送天线中最优的一条天线，W满功率 发送信号XI，S2和化收到信号向量yRi; 2) 另一源节点S2将yRi合并成标量信号XRi，W功率(小于等于满功率），按照最优天 线选择准则选择一根天线发送给Si的目标节点化。Di接收直达链路和中继链路的两个信号 向量，利用最小均方误差准则进行合并，然后解调原始信号； 3) S2基于最优天线选择准则选择多根天线中最优的一条天线，W满功率发送信号X2，Sl 和化收到信号yR2; 4) Sl将yR2合并成标量信号XR2, W功率if (小于等于满功率），按照最优天线选择准则 选择一根天线发送给S2的目标节点化。D2接收直达链路和中继链路的两个信号向量，利用最 小均方误差准则进行合并，然后解调原始信号。
[0021] 上述最优天线选择准则均为:从信道矩阵的所有列向量，选择列向量中范数最大 的一个，其标号对应于发射天线的最优天线。
[0022] 按照上述步骤之后，协作传输相对非协作传输的信噪比增益即为Gi和G2,如图3所 /J、- 〇
【主权项】
1. 一种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)选择某个源节点，通过导频测量得到所有信道信息的集合； ⑵根据测量所得信道信息集合，求解优化问题，得到两个节点Si、S2作为中继时的最优 发送功率'和 (3) 节点Si作为源节点，基于最优天线选择准则选择其多根发送天线中最优的一条天 线，以满功率Pmax发送信号^，Si的目标节点是Di，SdPDi收到信号向量y R1; (4) 节点Sd#yR1合并成标量信号XR1，以功率按照最优天线选择准则选择一根天线 发送给Si的目标节点Di，功率于等于满功率接收直达链路和中继链路的两个 信号向量，利用合并准则进行合并，然后解调原始信号； (5) 节点S2作为源节点，基于最优天线选择准则选择多根天线中最优的一条天线，以满 功率发送信号X2，S2的目标节点是D2，Sl和D2收到向量信号yR2; (6) 节点Sd#yR2合并成标量信号XR2，以功率#~按照最优天线选择准则选择一根天线 发送给&的目标节点D 2,功率if ~小于等于满功率Pmax;D2接收直达链路和中继链路的两个 信号向量，利用合并准则进行合并，然后解调原始信号。2. 根据权利要求1所述的多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，其特征在于， 步骤(2)所述优化问题表示为：其中， KjPK2表示节AS:和节点&的协作策略； GjPG2表示节AS!和节点S2的信噪比增益； 山和1]2表示采用最小均方误差接收机式的最优接收滤波器，经过处理后接受端处的信 噪比增益； SNR表示各个链路之间的信噪比； 1^5,是&到01的信道矩阵的一个列向量，此列向量是所有列向量中范数最大的； 是&到出的信道矩阵的一个列向量，此列向量是所有列向量中范数最大的； Ulmi4PU2min表示非协作状态下节点&和节点&分别作为源节点和中继节点时的信噪比； 这里节点SiSSs付出的功率是作为源节点的发送功率Ps1与作为中继节点的发送功率Pd之 和，即^_+，因此节点51或&在不协作的每个时段的传输功率应是^+ ;求 解所述优化问题，得到KdPK2,从而得到两个节点ShSs作为中继时的最优发送功率/f;aT和 nRe/av FS2 ο3. 根据权利要求2所述的多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，其特征在于， 所述优化问题采用遍历搜索法求解。4. 根据权利要求1所述的多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，其特征在于， 步骤(3)、（4)、（5)、（6)所述最优天线选择准则是从信道矩阵的所有列向量，选择列向量中 范数最大的一个，其标号对应于发射天线的最优天线。5. 根据权利要求1所述的多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法，其特征在于， 步骤(4)和(6)所述合并准则是采用了最小均方误差准则的合并方法。
【文档编号】H04L5/00GK106059636SQ201610518905
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】桂鹏程, 周雯, 范立生, 李旭涛, 唐雅娟
【申请人】汕头大学