一種基於博弈論的認知無線電網絡fdm信道選擇方法

2023-06-26 13:58:11 1

專利名稱：一種基於博弈論的認知無線電網絡fdm信道選擇方法
技術領域：
本發明屬於認知無線電網絡中的頻譜資源管理技術，具體涉及認知無 線電網絡FDM (Frequency Division Multiplexing,頻分復用)信道選擇方法。
背景技術：
智能無線認知網絡能通過主動地感知無線頻譜使用、認知無線環境、 自適應地重配置網絡資源、工作模式與參數，進而實現與周邊無線網絡協 同工作的目標。因此，具有認知無線電能力、重配置能力的新一代智能認 知無線網絡成為研究重點。
認知無線電網絡由獨佔某些信道的一級用戶和擇機使用空閒信道的二 級用戶組成。傳統的基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇算法[Nie Nie, C.Comaniciu. Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks. New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, pp: 269 -278, Nov. 2005.]沒有考慮不同的發射機對應的接收機可能具有不同的信 幹比門限，將用戶之間的共道衝突簡單地等同為幹擾功率的絕對大小，也沒 有考慮 一級用戶和二級用戶間的幹擾限制
發明內容
本發明的目的是提供一種基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選 擇方法，該方法可以準確地建模認知無線電網絡信道選擇問題，同時在認 知無線電網絡中有效地進行信道選擇。
本發明提供的基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇方法，其步 驟包括
步驟(l):確定一級用戶佔用的固定信道
定義用戶i的策略Siqo,l,2，…，K)， K為可用信道數；1《Si《K， Sj表 示用戶i選擇的傳輸信道的序號，Si=0表示用戶i選擇停止傳輸；
根據一級用戶預先佔用信道情況，確定一級用戶的固定策略Si， i=N+l, N+2，…，N+M，其中，M為一級用戶數,N為二級用戶數；
步驟(2): 二級用戶按照下述過程輪流選擇最佳信道 (2.1)按照下述條件確定各二級用戶的可選信道①在所選信道上傳 輸可以達到信幹比門限要求，即該二級用戶的效用函數的第一部分
"—2 。,D(/J)"不小於-1;②在所選信道上傳輸所產生的共道幹擾不會
使某一級用戶無法滿足信幹比門限要求，即每個一級用戶的效用函數的第 一部分"一J] 不小於-l;
其中，一、二級用戶i的效用函數f/,(s,，^)是用戶i選擇的策略&和當 前所有其他用戶選擇的策略^的函數，定義為
Z c》x>(/j)- Z cp(/,力V/ (I)
其中，C,.,表示用戶i對用戶j的衝突，其計算公式為formula see original document page 6 如果i=j
A表示用戶i的發射功率，/,.表示用戶i的信幹比門限，Gy表示發射機
Ti和接收機Rj之間的鏈路增益；
D(i,j)表示用戶i對用戶j的幹擾方程，定義如下 fl如果用戶i,j使用相同的信道
0其他
式(I)中，第一部分"一 Z 的相反數表示用戶i受到其他用
乂力，乂=1
浴W
戶的衝突之和，第二部分"-Z qD(/，刀"的相反數表示用戶i對其他用
戶的衝突之和；當sr0時，t/,(s,，s—,)=0;
(2.2) 定義一個策略選擇周期為各二級用戶輪流選擇一次傳輸信道的 過程，在一個策略選擇周期中，每個二級用戶輪流執行步驟(2.1)，在得到 的可選信道中選擇使該二級用戶的效用函數t/,(^、)在其他二級用戶所選 信道不變的情況下達到最大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二 級用戶選擇停止傳輸；
(2.3) 如果該策略選擇周期的選擇結果與上一個策略選擇周期的選擇 結果不同，則重複步驟(2.1)至(2.2)繼續進行下一個策略選擇周期，否 則，信道選擇結束，將上述步驟(2.2)得到的傳輸信道作為最佳信道。
本發明提出了一種接收機幹擾模型下，可分布式實現的基於博弈論的 認知無線電網絡頻譜FDM分配方法，該方法可以準確地建模認知無線電網絡信道選擇問題，同時在認知無線電網絡中有效地進行信道選擇，考慮了 一級用戶和二級用戶間的幹擾限制，其目標是網絡的總幹擾水平最小。
圖1為基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇方法流程圖。
具體實施例方式
基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇方法如圖1所示，包括以 下步驟
步驟(l):初始化
(1. O確定系統參數:一級用戶數M， 二級用戶數N，可用信道數K,發 射功率向量P,信幹比門限向量r。
設認知無線電網絡中的一級用戶數為M， 二級用戶數為N， FDM方式 下每個用戶只能選擇一個信道傳輸.二級用戶的序號為1到N， 一級用戶的 序號為N+l到N+M。設可用信道數為K，序號為1到K。用戶i由處於不 同位置的一對發射機Tj和接收機Rj組成。
定義發射功率向量/^tel/ ^0^+M)， /7,.表示用戶i的發射功率。
定義信幹比門限向量r =I & 2 0}(w+A/), &表示用戶i的信幹比門限。
即接收機Ri的信幹比(Signal to Interference Ratio, SIR)必須保證大於幾.，如式
(2)所示，式(2)中其他變量的定義如後所述。
D(i，j)表示用戶i對用戶j的幹擾方程，定義如下 ..、fl如果用戶i，j使用相同的信道 ^

訓,="ww P'G"-々, (2)
(1.2) 通過測量或估計得到鏈路增益矩陣G 定義鏈路增益矩陣G = I 0}(iV+A/>^+M), q表示發射機Tj和接
收機Rj之間的鏈路增益，鏈路增益矩陣G可以通過測量或估計得到。
(1.3) 計算出衝突矩陣C
定義衝突矩陣C = I OS CJ ，表示用戶i對用戶j的衝
突，如式(3)所示。當H時，q的意義是若用戶i和用戶j選擇相同的信道， 接收機Rj接收到的來自發射機Ti的幹擾功率，與接收機Rj在保證大於信幹 比門限7,.的條件下允許的最大幹擾功率的比值。當這個比值大於1時，令 C,l。當i,時，令C,O。
C =
、
min(l, ^^)-min(1， ^^L)，如果i# j
& 乂 &力 (3)/ 。
、0 如果i=j
步驟(2):確定一級用戶佔用的固定信道
博弈的參與者是所有一級用戶和二級用戶的集合。定義用戶i的策略 Sie{0,l，2,...,K}， K為可用信道數；1《Si《K時，Si表示用戶i選擇的傳輸
信道的序號，Si-O表示用戶i選擇停止傳輸；由於一級用戶預先佔用信道的
情況在信道選擇過程中不變，所以應根據一級用戶預先佔用信道情況，確
定一級用戶的固定策略Si， i=N+l，N+2,…,N+M。 步驟(3): 二級用戶輪流選擇最佳信道
用戶i的效用函數C/,(^^)是用戶i選擇的策略^和當前所有其他用戶 選擇的策略^的函數，定義為formula see original document page 9 (4)
t/,"，^)由2部分組成，第一部分的相反數2 cyx/，y)表示用戶i受 到其他用戶的衝突之和，第二部分的相反數j; cyx/,y)表示用戶i對其他
用戶的衝突之和。顯然，s產0時，[/,(&，^)=0。
如果對於一個博弈可以找到一個全局的潛在函數Pot滿足條件(5)，這 個博弈就是一個確定的潛在博弈。條件(5)的意義是單一參與者改變策略 後，其效用函數f/,(^、,)的變化量等於全局的潛在函數Pot的變化量。
formula see original document page 9 (5)
式(5)中，^表示用戶i的另一個策略。
在潛在博弈中，如果參與者順序地採取儘可能地提高自己效用函數的 策略選擇方式，參與者的策略集將收斂到一個純策略納什均衡點，使得潛 在函數最大化。
對於採用效用函數(4)的信道分配博弈， 一個確定的潛在函數如式 (6)所示，其意義是網絡的總幹擾水平的相反數
一,，0"St/,(仏)V/ (6) 定義一個策略選擇周期為各二級用戶輪流選擇一次傳輸信道的過程。
各二級用戶的可選信道滿足下列2個條件①在所選信道上傳輸可以達到
信幹比門限要求，即該二級用戶的效用函數的第一部分"一Z c力"(/,y)"
不小於-l;②在所選信道上傳輸所產生的共道幹擾不會使某一級用戶無法滿 足信幹比門限要求，即每個 一 級用戶的效用函數的第 一部分脅w
"—Z 。,鄰,力"不小於-i。
在一個策略選擇周期中，每個二級用戶輪流在可選信道中選擇使該二 級用戶的效用函數t/,^,，^)在其他二級用戶所選信道不變的情況下達到最 大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二級用戶選擇停止傳輸；
如果一個策略選擇周期的選擇結果與上一個策略選擇周期的選擇結果 不同，則繼續進行下一個策略選擇周期；否則，信道選擇結束。信道選擇 結束時，各二級用戶所選策略收斂到純策略納什均衡點，潛在函數達到最 大，即網絡的總幹擾水平最小。
權利要求
1、一種基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇方法，其步驟包括步驟(1)確定一級用戶佔用的固定信道定義用戶i的策略si∈{0，1，2，...，K}，K為可用信道數；1≤si≤K，si表示用戶i選擇的傳輸信道的序號，si＝0表示用戶i選擇停止傳輸；根據一級用戶預先佔用信道情況，確定一級用戶的固定策略si，i＝N+1，N+2，…，N+M，其中，M為一級用戶數，N為二級用戶數；步驟(2)二級用戶按照下述過程輪流選擇最佳信道(2.1)按照下述條件確定各二級用戶的可選信道①在所選信道上傳輸可以達到信幹比門限要求，即該二級用戶的效用函數的第一部分 top= "139" left = "25"/>不小於-1；②在所選信道上傳輸所產生的共道幹擾不會使某一級用戶無法滿足信幹比門限要求，即每個一級用戶的效用函數的第一部分 top= "167" left = "40"/>不小於-1；其中，一、二級用戶i的效用函數Ui(si，s-i)是用戶i選擇的策略si和當前所有其他用戶選擇的策略s-i的函數，定義為<![CDATA[ U i ( si , s - i )=- ji,j=1 M+N C jiD ( i , j )- ji,j=1 M+N C ijD ( i , j )i--- ( I ) ]]>其中，Cij表示用戶i對用戶j的衝突，其計算公式為pi表示用戶i的發射功率，γi表示用戶i的信幹比門限，Gij表示發射機Ti和接收機Rj之間的鏈路增益；D(i，j)表示用戶i對用戶j的幹擾方程，定義如下式(I)中，第一部分 top= "112" left = "73"/>的相反數表示用戶i受到其他用戶的衝突之和，第二部分 top= "128" left = "80"/>的相反數表示用戶i對其他用戶的衝突之和；當si＝0時，Ui(si，s-i)＝0；(2.2)定義一個策略選擇周期為各二級用戶輪流選擇一次傳輸信道的過程，在一個策略選擇周期中，每個二級用戶輪流執行步驟(2.1)，在得到的可選信道中選擇使該二級用戶的效用函數Ui(si，s-i)在其他二級用戶所選信道不變的情況下達到最大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二級用戶選擇停止傳輸；(2.3)如果該策略選擇周期的選擇結果與上一個策略選擇周期的選擇結果不同，則重複步驟(2.1)至(2.2)繼續進行下一個策略選擇周期，否則，信道選擇結束，將上述步驟(2.2)得到的傳輸信道作為最佳信道。
全文摘要
本發明屬於認知無線電網絡中的頻譜資源管理技術，是一種基於博弈論的認知無線電網絡FDM信道選擇方法。其步驟為①確定一級用戶佔用的固定信道；②每個二級用戶輪流在可選信道中選擇使該二級用戶的效用函數在其他二級用戶所選信道不變的情況下達到最大的傳輸信道直至收斂，如果可選信道的集合為空，該二級用戶選擇停止傳輸。各二級用戶的可選信道滿足在所選信道上傳輸可達到信幹比門限要求；在所選信道上傳輸所產生的共道幹擾不會使某一級用戶無法滿足信幹比門限要求。本發明可準確地建模認知無線電網絡信道選擇問題，並有效地進行信道選擇，考慮了一、二級用戶間的幹擾限制，目標是網絡的總幹擾水平最小；本發明所提出的算法可分布式實現。
文檔編號H04B1/707GK101321388SQ200810048280
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月4日 優先權日2008年7月4日
發明者幹 劉, 亮 周, 鑫 周, 旭 朱, 朱光喜, 莉 馬 申請人:華中科技大學