CN106792731A - 基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，它涉及宽带卫星通信系统下的高效资源利用技术，重点是提供一种基于非合作博弈的功率分配方法。本发明基于现有卫星通信网络的基础之上，网络架构属于星形网络，在中心站控制下调整次要用户的发射功率，最大限度的利用主要用户转发器的频谱资源，实现非合作博弈机制下的功率分配能力，这样可以保证主要用户与次要用户的QoS业务需求。与现有技术相比，本发明将用户分为主要用户与次要用户，次要用户与主要用户共享星上频谱资源实现资源的高效利用，采用的非合作博弈算法，能够有效描述该场景的功率分配机制，实现整体协同资源分配能力。特别适用于宽带卫星网络下的功率资源优化利用。

Description

基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域中的资源优化技术，尤其涉及一种基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法。

背景技术

卫星通信中的频谱资源是一个典型的资源受限场景，为了更加高效地利用卫星频谱资源，ACM技术及更高阶的调制技术等先进技术在不断深入应用，近年来随着认知无线电技术的不断发展在地面无线通信中的研究成果日益丰富，其在卫星通信领域的应用的研究也在不断深入，与以往传统的资源利用方式不同，用户可以机会式的利用频谱资源进一步提升其利用效能。基于此，在主要用户与次要用户共存的场景下，严格控制次要用户的发射功率将自身的传输效能最大化，而不影响主要用户的传输能力是一项十分关键的技术，因此将认知技术引入卫星通信领域有着十分重要的意义。非合作博弈理论是解决这一问题的有效手段之一，可以通过建立代价函数，实现次要用户的发射功率资源的有效分配，达到公平性与合理性的资源分配目的。

发明内容

本发明的目的是使传统的卫星通信网络融入认知无线电中频谱共享的思想，使把次要用户的功率分配问题建模成为非合作博弈理论模型，实现功率的公平合理分配，最大限度的利用频谱资源。

本发明所采取的技术方案为，基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)中心站根据检测星上的干扰温度来确定干扰门限，以干扰门限确定主要用户与次要用户的发射功率叠加门限；

(2)中心站的网管中心接收主要用户与次要用户的QoS要求；

(3)中心站创建用于功率分配的非合作博弈模型；

(4)通过非合作博弈模型，建立相应的描述次要用户发射功率的代价函数；

(5)初始化非合作博弈模型的参数，参数包括：发射功率、目标SIR、系数、迭代次数；

(6)通过代价函数对次要用户发射的功率进行迭代，检测是否达到收敛最优解，如果达到收敛最优解，则转到步骤(8)；如果没有达到收敛最优解，则转到步骤(7)；

(7)检查是否达到预先设置的最大迭代次数，如果达到最大迭代次数，则转到步骤(8)；如果没有达到最大迭代次数，则转到步骤(6)；

(8)中心站向次要用户下发功率分配策略；

(9)次要用户根据中心站下发的功率分配策略进行通信；

完成基于非合作博弈的卫星通信功率分配。

其中，步骤(3)中的非合作博弈模型，表示为：

其中，p_i为第i个次要用户的发射功率，p^*为纳什均衡功率，为第i个次要用户的纳什均衡功率，J_i为第i个次要用户的代价函数，γ_i为第i个次要用户的目标SIR，N为次要用户数。

其中，步骤(4)中的代价函数，表示为：

其中，J_i为第i个次要用户的代价函数，p^*为纳什均衡功率，b_i和a_i是非负的常数系数，为第i个次要用户的目标SIR，λ_i为满足次要用户QoS需要的调整系数，p_i为第i个次要用户发射功率。

本发明与背景技术相比具有如下优点

1.与现有技术相比本发明将认知无线电技术中的频谱共享思路引入卫星通信领域之中，能够有效提升有限频谱资源的利用效率技术。其中最重要的是在主要用户与次要用户共存场景下的资源利用，建模成为非合作博弈模型，提升次要用户之间的功率分配效能。

2.选用的非合作博弈代价函数能够进行快速迭代运算，实现功率的有效分配，既能满足次要用户之间的功率分配需求，也不降低主要用户的QoS要求，为共享形式的频谱资源分配提供一种行之有效的方法。

附图说明

图1为基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法流程图；

图2为频谱资源共享模型图；

具体实施方式

下面，结合图1至图2对本发明作进一步说明。

基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，其特征在于，所述的非合作博弈算法，具体包括下列步骤：

(1)中心站根据检测星上的干扰温度来确定干扰门限，以干扰门限确定主要用户与次要用户的发射功率叠加门限；

(2)中心站的网管中心接收主要用户与次要用户的QoS要求；

(3)中心站创建用于功率分配的非合作博弈模型；

其中所述的非合作博弈模型，表示为：

其中，p_i为第i个次要用户的发射功率，p^*为纳什均衡功率，为第i个次要用户的纳什均衡功率，J_i为第i个次要用户的代价函数，γ_i为第i个次要用户的目标SIR，N为次要用户数。以上表述的基于非合作博弈模型纳什均衡策略可以理解为没有一个参与者可以单边改善自己的发射功率来获得更多的效益，换言之，纳什均衡是一个稳定状态，即没有参与者愿意改变策略，这样达到的最优解。

(4)通过非合作博弈模型，建立相应的描述次要用户发射功率的代价函数；

其中所述的代价函数，表示为：

其中，J_i为第i个次要用户的代价函数，p^*为纳什均衡功率，b_i和a_i是非负的常数系数，为第i个次要用户的目标SIR，λ_i为满足次要用户QoS需要的调整系数，p_i为第i个次要用户发射功率。

(100)代价函数必须具备凸函数的性质，而且是非负的，因此存在一个非负的最小值。

(101)为了得到纳什均衡解，求(2)式针对p_i的1阶导数，可以得到：

解得p_i，可以得到第ith个次要用户的发射功率极值为：

其中I_i为第i个次要用户所遭受的，其他N-1个次用户和主用户的干扰，h_i为第i个次要用户的信道增益，由此得到相应的第i个次要用户功率迭代公式为：

(102)收敛性分析证明：

功率可以根据p⁽ⁿ⁺¹⁾＝f(p⁽ⁿ⁾)进行迭代调整，且给出了迭代函数收敛，必须满足的3条性质。(1)非负性，即发射功率p_i＞0，(2)单调性，如果p^*＞p，这时f(p^*)＞f(p)，(3)可扩展性，如果α＞1,αf(p)＞f(αp)。

●非负性：

根据公式(3)，为了确保f(p)＞0，这时我们可以得到

●单调性：

分析中，用x代替I_i/h_i，这时令为了确保f(p^*)-f(p)为正数，对g(x)取1阶导数，可以得到通过式(6)可得出，需保证g(x)是递减函数，可以令g'(x)＜0，得到一个必要条件通过这个条件可以满足f(p^*)＞f(p)。

●可扩展性：

∵α＞1,∴αf(p)-f(αp)，综合以上的分析中满足第3条性质的条件。

基于以上的分析结果，为了满足功率迭代算法p⁽ⁿ⁺¹⁾＝f(p⁽ⁿ⁾)需要满足以上的3条性质。通过推导可以得出功率控制算法收敛的充分必要条件为

(103)纳什均衡解的存在性：

为了证明了纳什均衡解的唯一性，可以得到：

通过隐函数定理，需要证明公式(8)的雅可比矩阵非奇异，即只需证明雅可比行列式的值不为0。

根据上式可以得雅可比矩阵为：

根据式(10)，其雅可比矩阵主对角线的值是-1，在实际的通信系统中，c_ij和h_j非常小。因此雅可比矩阵的值由主对角线决定，而且必定是非0值，故迭代式的雅可比矩阵非奇异，这时功率控制算法存在唯一的纳什均衡解，能确保整个系统能够达到一个稳定的发射功率值。

(5)初始化非合作博弈模型的参数；参数包括：发射功率、目标SIR、系数、迭代次数；

(6)通过代价函数对次要用户发射的功率进行迭代，检测是否达到收敛最优解，如果达到收敛最优解，则转到步骤(8)；如果没有达到收敛最优解，则转到步骤(7)；

(7)检查是否达到预先设置的最大迭代次数，如果达到最大迭代次数，则转到步骤(8)；如果没有达到最大迭代次数，则转到步骤(6)；

(8)中心站向次要用户下发功率分配策略；

(9)次要用户根据中心站下发的功率分配策略进行通信；

完成基于非合作博弈的卫星通信功率分配。

Claims (3)

1.基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)中心站根据检测星上的干扰温度来确定干扰门限，以干扰门限确定主要用户与次要用户的发射功率叠加门限；

(2)中心站的网管中心接收主要用户与次要用户的QoS要求；

(3)中心站创建用于功率分配的非合作博弈模型；

(4)通过非合作博弈模型，建立相应的描述次要用户发射功率的代价函数；

(5)初始化非合作博弈模型的参数，参数包括：发射功率、目标SIR、系数、迭代次数；

(6)通过代价函数对次要用户发射的功率进行迭代，检测是否达到收敛最优解，如果达到收敛最优解，则转到步骤(8)；如果没有达到收敛最优解，则转到步骤(7)；

(7)检查是否达到预先设置的最大迭代次数，如果达到最大迭代次数，则转到步骤(8)；如果没有达到最大迭代次数，则转到步骤(6)；

(8)中心站向次要用户下发功率分配策略；

(9)次要用户根据中心站下发的功率分配策略进行通信；

完成基于非合作博弈的卫星通信功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，其特征在于：步骤(3)中的非合作博弈模型，表示为：

$\begin{array}{c}{J}_i(p_i^{*},{\mathrm{\γ}}_i(p^{*}\left)\right)\≤J_i(p_i,{\mathrm{\γ}}_i(p_i,p_{-i}^{*}\left)\right)\\ \∀p_i,\∀i=1,2,\mathrm{...},N\end{array}$

其中，p_i为第i个次要用户的发射功率，p^*为纳什均衡功率，为第i个次要用户的纳什均衡功率，J_i为第i个次要用户的代价函数，γ_i为第i个次要用户的目标SIR，N为次要用户数。

3.根据权利要求1所述的一种基于非合作博弈的卫星通信功率分配方法，其特征在于：步骤(4)中的代价函数，表示为：

$J_i(p_i^{*},{\mathrm{\γ}}_i(p^{*}\left)\right)=b_i{e}^{-\frac{{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{\γ}}_i^{tar}}}+a_i{p}_i$

其中，J_i为第i个次要用户的代价函数，p^*为纳什均衡功率，b_i和a_i是非负的常数系数，为第i个次要用户的目标SIR，λ_i为满足次要用户QoS需要的调整系数，p_i为第i个次要用户发射功率。