CN106059636A - 一种多天线中继系统中基于博弈论的协作通信方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一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

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。

背景技术

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，浪费资源等这些弊端，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，以最大化自己的效益，而忽略了整个系统的性能。为了克服这些困难，研究人员将博弈论应用到多天线系统，效果显而易见。这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

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，用以提高用户节点的信噪比增益。

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；

(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S₁、S₂作为中继时的最优发送功率和

(3)节点S₁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P_max发送信号x₁，S₁的目标节点是D₁，S₂和D₁收到信号向量y_R1；

(4)节点S₂将y_R1合并成标量信号x_R1，以功率按照最优天线选择准则选择一根天线发送给S₁的目标节点D₁，功率小于等于满功率P_max；D₁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，S₁和D₂收到向量信号y_R2；

(6)节点S₁将y_R2合并成标量信号x_R2，以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D₂，功率小于等于满功率P_max；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。

步骤(2)所述优化问题表示为：

$\begin{array}{c}\left\{K_1^{*},K_2^{*}\right\}={\mathrm{argmaxG}}_1{G}_2\\ \begin{array}{ccc}s.t.& 0\#K_1,K_2& 1\end{array}\end{array};$

其中，

$K_1=\frac{P_{S_1}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};K_2=\frac{P_{S_2}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};$

$U_1={\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_1}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_2}};U_{1\min }=\frac{(P_{S_1}^{source}+P_{S_1}^{relay})\left|\right|h_{S_1,D_1}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

$U_2={\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}};U_{2\min }=\frac{(P_{S_2}^{source}+P_{S_2}^{relay})\left|\right|h_{S_2,D_2}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

其中，

K₁和K₂表示节点S₁和节点S₂的协作策略；

G₁和G₂表示节点S₁和节点S₂的信噪比增益；

U₁和U₂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；

是S₁到D₁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S₂到D₂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；

U_1min和U_2min表示非协作状态下节点S₁和节点S₂分别作为源节点和中继节点时的信噪比；这里节点S₁或S₂付出的功率是作为源节点的发送功率P_S ⁱ与作为中继节点的发送功率P_S ^j之和，即因此节点S₁或S₂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K₁和K₂，从而得到两个节点S₁、S₂作为中继时的最优发送功率和所述优化问题可以采用遍历搜索法求解。

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。

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。

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。

附图说明

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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：多天线中继协作传输节点S₁和节点S₂的信噪比增益。

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S₁和用户节点S₂的天线数是N₁，基站D₁和D₂的天线数是N₂，用户S₁的目标节点是D₁，而用户S₂的目标节点是D₂。但是S₁距离D₁较S₂远些，故想通过协作方式传输数据，以增强链路性能。S₂情况类似。

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P_max＝10mW，并具有连续的功率分配策略空间K_i[I＝1,2]；源节点S₁和S₂均配备2根天线，目标节点D₁和D₂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＝1。信道响应模型为

$H\sqrt{0.0097/d^2}{H}_w,$

其中d是任意两个节点间的距离，代表大尺度衰落；H_W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σ²＝1×10^-8W。设定节点2,3,4的坐标分别为(600,0)，(800,0)，(0,0)，节点S₁的x坐标固定在300，y坐标在0到800之间变化。

首先，选择某个源节点，不妨为S₁，通过导频测量得到所有信道信息的集合。

然后，根据测量所得信道信息集合，求解如下优化问题：

$\begin{array}{c}\left\{K_1^{*},K_2^{*}\right\}={\mathrm{argmaxG}}_1{G}_2\\ \begin{array}{ccc}s.t.& 0\#K_1,K_2& 1\end{array}\end{array};$

其中，

$K_1=\frac{P_{S_1}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};$

$K_2=\frac{P_{S_2}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};$

$U_1={\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_1}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_2}};$

$U_{1\min }=\frac{(P_{S_1}^{source}+P_{S_1}^{Relay})\left|\right|h_{S_1,D_1}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

$U_2={\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}};$

$U_{2\min }=\frac{(P_{S_2}^{Source}+P_{S_2}^{\mathrm{Re}lay})\left|\right|h_{S_2,D_2}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

G₁＝U₁-U_1min；

G₂＝U₂-U_2min；

通过遍历搜索法求解上述优化问题，便可以得到K₁和K₂，从而得到两个源节点作为中继时的最优发送功率和

是S₁到S₂的信道的信噪比，

${\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}=\frac{{P_{S_1}}^{source}{\left(h_{S_1,S_2}^{OPT}\right)}^2}{s^2}=\frac{P_{\max }{\left(h_{S_1,S_2}^{OPT}\right)}^2}{s^2}=\frac{{10}^{-2}{\left(h_{S_1,S_2}^{OPT}\right)}^2}{{10}^{-8}}$

此时S₁采用满功率发送数据；是S₁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。

是S₁到D₁的信道的信噪比，

${\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_1}=\frac{{P_{S_1}}^{source}{\left(h_{S_1,D_1}^{OPT}\right)}^2}{s^2}=\frac{{10}^{-2}{\left(h_{S_1,D_1}^{OPT}\right)}^2}{{10}^{-8}}$

此时S₁采用满功率发送数据；是S₁到D₁的信道矩阵中的范数最大的列向量。也有类似定义。

是S₂到D₁的信道的信噪比，

${\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_2}=\frac{{P_{S_2}}^{relay}{\left(h_{S_2,D_1}^{OPT}\right)}^2}{s^2}=\frac{{P_{S_2}}^{relay}{\left(h_{S_2,D_1}^{OPT}\right)}^2}{{10}^{-8}}$

此时S₂作为中继为S₁转发数据，采用的发送功率不再是满功率，而是一个小于等于满功率的数值。也有类似定义。

G₁和G₂表示为节点S₁和节点S₂的信噪比增益。

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S₁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，以满功率发送信号x₁，S₂和D₁收到信号向量y_R1；

2)另一源节点S₂将y_R1合并成标量信号x_R1，以功率(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S₁的目标节点D₁。D₁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，以满功率发送信号x₂，S₁和D₂收到信号y_R2；

4)S₁将y_R2合并成标量信号x_R2，以功率(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S₂的目标节点D₂。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。

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。

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G₁和G₂，如图3所示。

Claims (5)

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；

(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S₁、S₂作为中继时的最优发送功率和

(3)节点S₁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P_max发送信号x₁，S₁的目标节点是D₁，S₂和D₁收到信号向量y_R1；

(4)节点S₂将y_R1合并成标量信号x_R1，以功率按照最优天线选择准则选择一根天线发送给S₁的目标节点D₁，功率小于等于满功率P_max；D₁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，S₁和D₂收到向量信号y_R2；

(6)节点S₁将y_R2合并成标量信号x_R2，以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D₂，功率小于等于满功率P_max；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：

$\begin{array}{c}\{K_1^{*},K_2^{*}\}=\arg \max G_1{G}_2\\ \begin{array}{cc}s.t.0\#K_1,K_2& 1\end{array}\end{array};$

其中，

$K_1=\frac{P_{S_1}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};K_2=\frac{P_{S_2}^{\mathrm{Re}lay}}{P_{max}};$

$U_1={\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_1}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_2}^{S_1}+{\mathrm{SNR}}_{D_1}^{S_2}};U_{1\min }=\frac{(P_{S_1}^{source}+P_{S_1}^{relay})\left|\right|h_{S_1,D_1}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

$U_2={\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}}{1+{\mathrm{SNR}}_{S_1}^{S_2}+{\mathrm{SNR}}_{D_2}^{S_2}};U_{2\min }=\frac{(P_{S_2}^{source}+P_{S_2}^{relay})\left|\right|h_{S_2,D_2}^{OPT}|{|}^2}{s^2};$

其中，

K₁和K₂表示节点S₁和节点S₂的协作策略；

G₁和G₂表示节点S₁和节点S₂的信噪比增益；

U₁和U₂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；

是S₁到D₁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S₂到D₂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；

U_1min和U_2min表示非协作状态下节点S₁和节点S₂分别作为源节点和中继节点时的信噪比；这里节点S₁或S₂付出的功率是作为源节点的发送功率P_S ⁱ与作为中继节点的发送功率P_S ^j之和，即因此节点S₁或S₂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K₁和K₂，从而得到两个节点S₁、S₂作为中继时的最优发送功率和

3.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。