CN101321388B - 一种基于博弈论的认知无线电网络fdm信道选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于认知无线电网络中的频谱资源管理技术，是一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法。其步骤为：①确定一级用户占用的固定信道；②每个二级用户轮流在可选信道中选择使该二级用户的效用函数在其他二级用户所选信道不变的情况下达到最大的传输信道直至收敛，如果可选信道的集合为空，该二级用户选择停止传输。各二级用户的可选信道满足：在所选信道上传输可达到信干比门限要求；在所选信道上传输所产生的共道干扰不会使某一级用户无法满足信干比门限要求。本发明可准确地建模认知无线电网络信道选择问题，并有效地进行信道选择，考虑了一、二级用户间的干扰限制，目标是网络的总干扰水平最小；本发明所提出的算法可分布式实现。

Description

一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法

技术领域

本发明属于认知无线电网络中的频谱资源管理技术，具体涉及认知无线电网络FDM(Frequency Division Multiplexing，频分复用)信道选择方法。

技术背景

智能无线认知网络能通过主动地感知无线频谱使用、认知无线环境、自适应地重配置网络资源、工作模式与参数，进而实现与周边无线网络协同工作的目标。因此，具有认知无线电能力、重配置能力的新一代智能认知无线网络成为研究重点。

认知无线电网络由独占某些信道的一级用户和择机使用空闲信道的二级用户组成。传统的基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择算法[NieNie，C.Comaniciu.Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitiveradio networks.New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks，pp：269-278，Nov.2005.]没有考虑不同的发射机对应的接收机可能具有不同的信干比门限，将用户之间的共道冲突简单地等同为干扰功率的绝对大小，也没有考虑一级用户和二级用户间的干扰限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，该方法可以准确地建模认知无线电网络信道选择问题，同时在认知无线电网络中有效地进行信道选择。

本发明提供的基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，其步骤包括：

步骤(1)：确定一级用户占用的固定信道

定义用户i的策略s_i∈{0，1，2，...，K}，K为可用信道数；1≤s_i≤K，s_i表示用户i选择的传输信道的序号，s_i＝0表示用户i选择停止传输；

根据一级用户预先占用信道情况，确定一级用户的固定策略s_i，i＝N+1，N+2，…，N+M，其中，M为一级用户数，N为二级用户数；

步骤(2)：二级用户按照下述过程轮流选择最佳信道：

(2.1)按照下述条件确定各二级用户的可选信道：①在所选信道上传输可以达到信干比门限要求，即该二级用户的效用函数的第一部分

不小于-1；②在所选信道上传输所产生的共道干扰不会使某一级用户无法满足信干比门限要求，即每个一级用户的效用函数的第一部分

不小于-1；

其中，一、二级用户i的效用函数U_i(s_i，s_-i)是用户i选择的策略s_i和当前所有其他用户选择的策略s_-i的函数，定义为：

$U_i(s_i,s_{-i})=-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ji}}D(i,j)-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}D(i,j)\∀i---\left(I\right)$

其中，C_ij表示用户i对用户j的冲突，其计算公式为：

p_i表示用户i的发射功率，γ_i表示用户i的信干比门限，G_ij表示发射机T_i和接收机R_j之间的链路增益；

D(i，j)表示用户i对用户j的干扰方程，定义如下：

式(I)中，第一部分

的相反数表示用户i受到其他用户的冲突之和，第二部分

的相反数表示用户i对其他用户的冲突之和；当s_i＝0时，U_i(s_i，s_-i)＝0；

(2.2)定义一个策略选择周期为各二级用户轮流选择一次传输信道的过程，在一个策略选择周期中，每个二级用户轮流执行步骤(2.1)，在得到的可选信道中选择使该二级用户的效用函数U_i(s_i，s_-i)在其他二级用户所选信道不变的情况下达到最大的传输信道，如果可选信道的集合为空，该二级用户选择停止传输；

(2.3)如果该策略选择周期的选择结果与上一个策略选择周期的选择结果不同，则重复步骤(2.1)至(2.2)继续进行下一个策略选择周期，否则，信道选择结束，将上述步骤(2.2)得到的传输信道作为最佳信道。

本发明提出了一种接收机干扰模型下，可分布式实现的基于博弈论的认知无线电网络频谱FDM分配方法，该方法可以准确地建模认知无线电网络信道选择问题，同时在认知无线电网络中有效地进行信道选择，考虑了一级用户和二级用户间的干扰限制，其目标是网络的总干扰水平最小。

附图说明

图1为基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法流程图。

具体实施方式

基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：初始化

(1.1)确定系统参数：一级用户数M，二级用户数N，可用信道数K，发射功率向量P，信干比门限向量Γ。

设认知无线电网络中的一级用户数为M，二级用户数为N，FDM方式下每个用户只能选择一个信道传输.二级用户的序号为1到N，一级用户的序号为N+1到N+M。设可用信道数为K，序号为1到K。用户i由处于不同位置的一对发射机T_i和接收机R_i组成。

定义发射功率向量P＝{p_i| p_i≥0}_(N+M)，p_i表示用户i的发射功率。

定义信干比门限向量Γ＝{γ_i|γ_i≥0}_(N+M)，γ_i表示用户i的信干比门限。即接收机R_i的信干比(Signal to Interference Ratio，SIR)必须保证大于γ_i，如式(2)所示，式(2)中其他变量的定义如后所述。

D(i，j)表示用户i对用户j的干扰方程，定义如下：

${\mathrm{SIR}}_i=\frac{p_i{G}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^{N+M}{p}_j{G}_{\mathrm{ji}}D(i,j)}\≥{\mathrm{\γ}}_i---\left(2\right)$

(1.2)通过测量或估计得到链路增益矩阵G

定义链路增益矩阵G＝{G_ij|G_ij≥0}_(N+M)×(N+M)，G_ij表示发射机T_i和接收机R_j之间的链路增益，链路增益矩阵G可以通过测量或估计得到。

(1.3)计算出冲突矩阵C

定义冲突矩阵C＝{C_ij|0≤C_ij≤1}_(N+M)×(N+M)，C_ij表示用户i对用户j的冲突，如式(3)所示。当i≠j时，C_ij的意义是若用户i和用户j选择相同的信道，接收机R_j接收到的来自发射机T_i的干扰功率，与接收机R_j在保证大于信干比门限γ_i的条件下允许的最大干扰功率的比值。当这个比值大于1时，令C_ij＝1。当i＝j时，令C_ij＝0。

步骤(2)：确定一级用户占用的固定信道

博弈的参与者是所有一级用户和二级用户的集合。定义用户i的策略s_i∈{0，1，2，...，K}，K为可用信道数；1≤s_i≤K时，s_i表示用户i选择的传输信道的序号，s_i＝0表示用户i选择停止传输；由于一级用户预先占用信道的情况在信道选择过程中不变，所以应根据一级用户预先占用信道情况，确定一级用户的固定策略s_i，i＝N+1，N+2，…，N+M。

步骤(3)：二级用户轮流选择最佳信道

用户i的效用函数U_i(s_i，s_-i)是用户i选择的策略s_i和当前所有其他用户选择的策略s_-i的函数，定义为：

$U_i(s_i,s_{-i})=-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ji}}D(i,j)-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}D(i,j)\∀i---\left(4\right)$

U_i(s_i，s_-i)由2部分组成，第一部分的相反数

表示用户i受到其他用户的冲突之和，第二部分的相反数

表示用户i对其他用户的冲突之和。显然，s_i＝0时，U_i(s_i，s_-i)＝0。

如果对于一个博弈可以找到一个全局的潜在函数Pot满足条件(5)，这个博弈就是一个确定的潜在博弈。条件(5)的意义是单一参与者改变策略后，其效用函数U_i(s_i，s_-i)的变化量等于全局的潜在函数Pot的变化量。

$U_i(s_i,s_{-i})-U_i(s_i^{*},s_{-i})=\mathrm{Pot}(s_i,s_{-i})-\mathrm{Pot}(s_i^{*},s_{-i})\∀i---\left(5\right)$

式(5)中，s_i ^*表示用户i的另一个策略。

在潜在博弈中，如果参与者顺序地采取尽可能地提高自己效用函数的策略选择方式，参与者的策略集将收敛到一个纯策略纳什均衡点，使得潜在函数最大化。

对于采用效用函数(4)的信道分配博弈，一个确定的潜在函数如式(6)所示，其意义是网络的总干扰水平的相反数：

$\mathrm{Pot}(s_i,s_{-i})=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N+M}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i(s_i,s_{-i})\∀i---\left(6\right)$

定义一个策略选择周期为各二级用户轮流选择一次传输信道的过程。各二级用户的可选信道满足下列2个条件：①在所选信道上传输可以达到信干比门限要求，即该二级用户的效用函数的第一部分

不小于-1；②在所选信道上传输所产生的共道干扰不会使某一级用户无法满足信干比门限要求，即每个一级用户的效用函数的第一部分

不小于-1。

在一个策略选择周期中，每个二级用户轮流在可选信道中选择使该二级用户的效用函数U_i(s_i，s_-i)在其他二级用户所选信道不变的情况下达到最大的传输信道，如果可选信道的集合为空，该二级用户选择停止传输；

如果一个策略选择周期的选择结果与上一个策略选择周期的选择结果不同，则继续进行下一个策略选择周期；否则，信道选择结束。信道选择结束时，各二级用户所选策略收敛到纯策略纳什均衡点，潜在函数达到最大，即网络的总干扰水平最小。

Claims (1)

1.一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，其步骤包括：

步骤(1)：确定一级用户占用的固定信道：

定义用户i的策略s_i∈{0，1，2，...，K}，K为可用信道数；1≤s_i≤K，s_i表示用户i选择的传输信道的序号，s_i＝0表示用户i选择停止传输；

根据一级用户预先占用信道情况，确定一级用户的策略s_i，i＝N+1，N+2，…，N+M，其中，M为一级用户数，N为二级用户数；

步骤(2)：二级用户按照下述过程轮流选择最佳信道：

(2.1)按照下述条件确定各二级用户的可选信道：①在所选信道上传输可以达到信干比门限要求，即该二级用户的效用函数的第一部分

不小于-1；②在所选信道上传输所产生的共道干扰不会使某一级用户无法满足信干比门限要求，即每个一级用户的效用函数的第一部分

其中，一、二级用户i的效用函数U_i(s_i，s_-i)是用户i选择的策略s_i和当前所有其他用户选择的策略s_-i的函数，定义为：

$U_i(s_i,s_{-i})=-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ji}}D(i,j)-\underset{j\≠i,j=1}{\overset{M+N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}D(i,j)\∀i---\left(I\right)$

其中，C_ij表示用户i对用户j的冲突，其计算公式为：

p_i表示用户i的发射功率，γ_i表示用户i的信干比门限，G_ij表示发射机T_i和接收机R_i之间的链路增益；

D(i，j)表示用户i对用户j的干扰方程，定义如下：

式(I)中，第一部分

的相反数表示用户i受到其他用户的冲突之和，第二部分

的相反数表示用户i对其他用户的冲突之和；当s_i＝0时，U_i(s_i，s_-i)＝0；

(2.2)定义一个策略选择周期为各二级用户轮流选择一次传输信道的过程，在一个策略选择周期中，每个二级用户轮流执行步骤(2.1)，在得到的可选信道中选择使该二级用户的效用函数U_i(s_i，s_-i)在其他二级用户所选信道不变的情况下达到最大的传输信道，如果可选信道的集合为空，该二级用户选择停止传输；

(2.3)如果该策略选择周期的选择结果与上一个策略选择周期的选择结果不同，则重复步骤(2.1)至(2.2)继续进行下一个策略选择周期，否则，信道选择结束，将上述步骤(2.2)得到的传输信道作为最佳信道。

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