基于博弈论的能量采集认知无线电D2D辅助中继方法及装置与流程

本发明涉及认知无线电，尤其涉及基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继方法及装置。

背景技术：

1、随着近年来无线通信技术的不断发展，无线通信设备的数量在不断地增加，相应的无线通信频谱成为了越来越紧缺的资源。

2、当前采用的频谱分配方式是静态固定的，即将频谱之间相互间隔固定的频段，并且将固定大小的频谱块分配给具有执照资格的不同运营商使用一定的期限，直到使用期限截至之后再重新分配；虽然静态固定的频谱分配方式的管理模式简单，但是频谱利用率相对低下，造成频谱资源大量浪费，降低通信效率。

3、可见，提出一种动态频谱共享策略，提高通信频谱利用率，进而能够提高通信效率的技术方案显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继方法及装置，能够提高通信频谱利用率，进而能够提高通信效率。

2、为了解决上述技术问题，本发明第一方面公开了一种基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继方法，所述方法包括：

3、确定基站对应的小区内的目标用户集合中的多个目标用户的信噪比，并根据所述目标用户的信噪比将所述目标用户集合中的多个目标用户划分为蜂窝用户和边缘用户，所述蜂窝用户对应的信噪比大于所述边缘用户的信噪比；

4、根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟，各所述预组成联盟包括至少一个所述蜂窝用户和至少一个所述边缘用户；

5、判断各所述预组成联盟是否存在非超级联盟，当判断出所述各预组成联盟存在非超级联盟时，获取所述非超级联盟对应的联盟效用值；

6、将最大的所述联盟效用值所对应的非超级联盟作为目标组成联盟，并根据所述目标组成联盟确定所述蜂窝用户与所述边缘用户之间的中继关系。

7、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述确定基站对应的小区内的目标用户集合中的多个目标用户的信噪比，包括：

8、确定在一个时隙t内的基站对应的小区内的目标用户集合，并在所述目标用户集合中，随机选取第m个所述目标用户作为第一目标用户，随机选取第n个所述目标用户作为第二目标用户；并通过第一公式确定所述第一目标用户在所述时隙t下的信噪比

9、所述第一公式包括：

10、

11、其中，ps表示基站的信号发射功率；gmb表示所述第一目标用户与所述基站之间的信道增益系数；ρ表示路径损耗系数；表示所述第一目标用户与所述第二目标用户之间的直线距离；表示所述第一目标用户与所述基站之间的直线距离；表示高斯噪声；hmn表示所述第一目标用户与所述第二目标用户之间信道增益系数；表示所述第一目标用户的发射功率；θm,n表示信道复用标志，且θm,n＝1，所述信道复用表示所述第二目标用户使用所述第一目标用户的信道。

12、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟，包括：

13、根据预设联盟组成策略(l,v)，将所述蜂窝用户和所述边缘用户进行排列组合得到多个预组成联盟；

14、其中，l表示所述蜂窝用户的集合m＝{cu1,cu2,…,cum}与所述边缘用户的集合k＝{du1,du2,…,duk}组成预组成联盟的用户的最大数量集合，并且l＝{m∪k}，其中，m≥1，k≥1。

15、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，通过第二公式确定所述预组成联盟的联盟效用值，所述第二公式包括：

16、

17、其中，i表示第i个所述预组成联盟，并且i≤min(m,k)；ric表示第i个所述预组成联盟中的所述蜂窝用户的数据传输速率，所述ric的计算公式为：

18、

19、以及，表示第i个所述预组成联盟中的所述蜂窝用户在所述时隙t下的信噪比，所述的计算公式为所述第一公式；

20、表示第i个所述预组成联盟中的所述边缘用户的数据传输速率，所述的计算公式为：

21、

22、以及，表示所述蜂窝用户采集的能量值；ω表示能量采集系数；βi表示所述蜂窝用户在时隙t下协助所述边缘用户传输数据的时间占比；α表示能量采集时隙占比；qk表示所述预组成联盟的用户集合；表示第m个所述蜂窝用户协助第k个所述边缘用户传输数据时，第k个所述边缘用户的信噪比；

23、并且，所述第m个所述蜂窝用户协助第k个所述边缘用户传输数据时，第k个所述边缘用户的信噪比的计算公式为：

24、

25、以及，表示第m个所述边缘用户的发射功率；gkm表示第k个所述边缘用户与第m个所述蜂窝用户之间的信道增益系数；表示第k个所述蜂窝用户与所述基站之间的距离；表示第k个所述边缘用户与第m个所述蜂窝用户之间的距离；表示所述高斯白噪声；hkb表示第k个所述边缘用户与所述基站之间的信道增益系数；ps表示基站的发射功率；θm,n表示信道复用标志，且θm,n＝1，所述信道复用表示所述第二目标用户使用所述第一目标用户的信道。

26、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述根据预设联盟组成策略(l,v)，将所述蜂窝用户和所述边缘用户进行排列组合得到多个预组成联盟，包括：

27、根据预设联盟组成策略(l,v)，在所述集合l中随机选择至少一个所述蜂窝用户和至少一个所述边缘用户组成两种联盟组合形式的预组成联盟，

28、以及，第一预组成联盟为p1＝{{dui},{cuj}}，第二预组成联盟为p2＝{dui,cuj}；

29、则根据所述第二公式，确定所述第一预组成联盟的联盟效用值为：

30、

31、根据所述第二公式，确定所述第二预备联盟用户的联盟效用值为：

32、

33、其中，i和j表示各预组成联盟中的蜂窝用户和边缘用户的编号，以及i≤k，j≤m。

34、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述判断各所述预组成联盟是否存在非超级联盟，包括：

35、将所述第二预组成联盟的联盟效用值与所述第一预组成联盟的联盟效用值相比较，得到：

36、

37、当时，则v(cum∪duk)<v(cum)+v(duk)，确定所述各预组成联盟存在非超级联盟。

38、作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟之后，所述方法还包括：

39、生成能量采集控制参数，并控制所述蜂窝用户采集所述基站n个频段信号的能量

40、以及，

41、

42、其中，βi表示第i个所述预组成联盟中的蜂窝用户在时隙t下协助所述边缘用户传输数据的时间占比；α表示能量采集时隙占比；η表示能量采集效率；ps表示所述基站的信号发射功率；gi表示所述基站与所述蜂窝用户之间的信道增益系数；表示所述基站与所述蜂窝用户之间的距离。

43、本发明第二方面公开了一种基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继装置，所述装置包括：

44、确定模块，用于确定基站对应的小区内的目标用户集合中的多个目标用户的信噪比，并根据所述目标用户的信噪比将所述目标用户集合中的多个目标用户划分为蜂窝用户和边缘用户，所述蜂窝用户对应的信噪比大于所述边缘用户的信噪比；

45、组成模块，用于根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟，各所述预组成联盟包括至少一个所述蜂窝用户和至少一个所述边缘用户；

46、判断模块，用于判断各所述预组成联盟是否存在非超级联盟；

47、获取模块，用于当判断出所述各预组成联盟存在非超级联盟时，获取所述非超级联盟对应的联盟效用值；

48、所述确定模块，还用于将最大的所述联盟效用值所对应的非超级联盟作为目标组成联盟，并根据所述目标组成联盟确定所述蜂窝用户与所述边缘用户之间的中继关系。

49、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述确定模块确定基站对应的小区内的目标用户集合中的多个目标用户的信噪比的方式包括：

50、确定在一个时隙t内的基站对应的小区内的目标用户集合，并在所述目标用户集合中，随机选取第m个所述目标用户作为第一目标用户，随机选取第n个所述目标用户作为第二目标用户；并通过第一公式确定所述第一目标用户在所述时隙t下的信噪比

51、所述第一公式包括：

52、

53、其中，ps表示基站的信号发射功率；gmb表示所述第一目标用户与所述基站之间的信道增益系数；ρ表示路径损耗系数；表示所述第一目标用户与所述第二目标用户之间的直线距离；表示所述第一目标用户与所述基站之间的直线距离；表示高斯噪声；hmn表示所述第一目标用户与所述第二目标用户之间信道增益系数；表示所述第一目标用户的发射功率；θm,n表示信道复用标志，且θm,n＝1，所述信道复用表示所述第二目标用户使用所述第一目标用户的信道。

54、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述组成模块根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟的方式包括：

55、根据预设联盟组成策略(l,v)，将所述蜂窝用户和所述边缘用户进行排列组合得到多个预组成联盟；

56、其中，l表示所述蜂窝用户的集合m＝{cu1,cu2,…,cum}与所述边缘用户的集合k＝{du1,du2,…,duk}组成预组成联盟的用户的最大数量集合，并且l＝{muk}，其中，m≥1，k≥1。

57、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述组成模块通过第二公式确定所述预组成联盟的联盟效用值，所述第二公式包括：

58、

59、其中，i表示第i个所述预组成联盟，并且i≤min(m,k)；ric表示第i个所述预组成联盟中的所述蜂窝用户的数据传输速率，所述ric的计算公式为：

60、

61、以及，表示第i个所述预组成联盟中的所述蜂窝用户在所述时隙t下的信噪比，所述的计算公式为所述第一公式；

62、表示第i个所述预组成联盟中的所述边缘用户的数据传输速率，所述的计算公式为：

63、

64、以及，表示所述蜂窝用户采集的能量值；ω表示能量采集系数；βi表示所述蜂窝用户在时隙t下协助所述边缘用户传输数据的时间占比；α表示能量采集时隙占比；qk表示所述预组成联盟的用户集合；表示第m个所述蜂窝用户协助第k个所述边缘用户传输数据时，第k个所述边缘用户的信噪比；

65、并且，所述第m个所述蜂窝用户协助第k个所述边缘用户传输数据时，第k个所述边缘用户的信噪比的计算公式为：

66、

67、以及，表示第m个所述边缘用户的发射功率；gkm表示第k个所述边缘用户与第m个所述蜂窝用户之间的信道增益系数；表示第k个所述蜂窝用户与所述基站之间的距离；表示第k个所述边缘用户与第m个所述蜂窝用户之间的距离；表示所述高斯白噪声；hkb表示第k个所述边缘用户与所述基站之间的信道增益系数；ps表示基站的发射功率；θm,n表示信道复用标志，且θm,n＝1，所述信道复用表示所述第二目标用户使用所述第一目标用户的信道。

68、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述组成模块根据预设联盟组成策略(l,v)，将所述蜂窝用户和所述边缘用户进行排列组合得到多个预组成联盟的方式包括：

69、根据预设联盟组成策略(l,v)，在所述集合l中随机选择至少一个所述蜂窝用户和至少一个所述边缘用户组成两种联盟组合形式的预组成联盟，

70、以及，第一预组成联盟为p1＝{{dui},{cuj}}，第二预组成联盟为p2＝{dui,cuj}；

71、则根据所述第二公式，确定所述第一预组成联盟的联盟效用值为：

72、

73、根据所述第二公式，确定所述第二预备联盟用户的联盟效用值为：

74、

75、其中，i和j表示各预组成联盟中的蜂窝用户和边缘用户的编号，以及i≤k，j≤m。

76、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述判断模块判断各所述预组成联盟是否存在非超级联盟的方式包括：

77、将所述第二预组成联盟的联盟效用值与所述第一预组成联盟的联盟效用值相比较，得到：

78、

79、当时，则v(cumuduk)<v(cum)+v(duk)，确定所述各预组成联盟存在非超级联盟。

80、作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述装置还包括：

81、生成模块，用于在所述组成模块根据预设联盟组成策略，将所述蜂窝用户和所述边缘用户组成多个预组成联盟之后，生成能量采集控制参数；

82、控制模块，用于控制所述蜂窝用户采集所述基站n个频段信号的能量

83、以及，

84、

85、其中，βi表示第i个所述预组成联盟中的蜂窝用户在时隙t下协助所述边缘用户传输数据的时间占比；α表示能量采集时隙占比；η表示能量采集效率；ps表示所述基站的信号发射功率；gi表示所述基站与所述蜂窝用户之间的信道增益系数；表示所述基站与所述蜂窝用户之间的距离。

86、本发明第三方面公开了另一种基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继装置，所述装置包括：

87、存储有可执行程序代码的存储器；

88、与所述存储器耦合的处理器；

89、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行本发明第一方面公开的基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继方法。

90、本发明第四方面公开了一种计算机可存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行本发明第一方面公开的基于博弈论的能量采集认知无线电d2d辅助中继方法。

91、与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

92、本发明实施例通过确定基站对应的小区内的目标用户集合中的多个目标用户的信噪比，并根据目标用户的信噪比将目标用户集合中的多个目标用户划分为蜂窝用户和边缘用户，蜂窝用户对应的信噪比大于边缘用户的信噪比。根据预设联盟组成策略，将蜂窝用户和边缘用户组成多个预组成联盟，各预组成联盟包括至少一个蜂窝用户和至少一个边缘用户。判断各预组成联盟是否存在非超级联盟，当判断出各预组成联盟存在非超级联盟时，获取非超级联盟对应的联盟效用值，将最大的联盟效用值所对应的非超级联盟作为目标组成联盟，并根据目标组成联盟确定蜂窝用户与边缘用户之间的中继关系。可见，本发明实施例能够根据当前目标范围内的用户信噪比，将所有用户划分为蜂窝用户和边缘用户，并利用蜂窝用户为边缘用户传输数据提供中继支持。同时，为了验证蜂窝用户为边缘用户传输数据提供中继支持的效率最大，提出一种联盟组成策略，并验证组成的预组成联盟是否为非超级可加联盟，将联盟效用值最大的非超级可加联盟组成方案确定为最终方案，从而实现动态的频谱共享，提高通信频谱利用率，进而能够提高通信效率。