CN107135508A - 一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法，该方法将小基站网络中的协作干扰管理问题建模为带有转移效用的联盟博弈模型。首先根据小基站的能量采集策略确定同一联盟内小基站的时间共享策略，同时对小基站的效用函数进行定义，并构建了使小基站系统容量最大化的优化模型。接着建立小基站在联盟间的转移准则并定义一种历史集合，根据这些准则找出使系统总效用最大的稳定联盟结构、最优时间共享策略和最佳的功率分布。该方法能较快达到收敛，且最终能收敛到一个稳定的联盟结构，并获得最大的系统总容量。在小基站密集部署的情况下，该方法的性能优势明显。

Description

一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法

技术领域

本发明涉及一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法，属于通信技术领域。

背景技术

由小基站和宏基站组成的双层蜂窝异构网络既能够提高热点地区的服务质量，又能够弥补宏基站覆盖不到的盲点区域，已成为5G的研究热点。尽管引入小基站可以扩大网络的覆盖面积以及提高系统的总容量，但蜂窝异构网络中小基站的密集部署也带来了一些新的问题和挑战，例如频谱复用会导致小基站和宏基站之间的跨层干扰以及小基站之间的同层干扰。

为了解决这些干扰问题，小基站网络可以使用干扰管理技术。干扰管理的技术方案大致可分为非合作与合作的两类。非合作的干扰管理方案主要考虑的是通过小基站的功率控制和资源分配等问题来最大化每个小基站的自身性能。在非合作场景下，小基站忽略同层干扰给其他小基站带来的恶劣影响，仅仅只关注自己的服务质量，而合作式干扰管理方案不仅能有效减轻小基站之间的同层干扰，还能提高小基站网络的系统性能。

另外，大量部署小基站还会增加供电负担，因此可以考虑能量采集技术进行供电。能量采集技术是一种可行并且有效的解决小基站能源问题的方案，它能够采集环境中的可再生能源来给小基站供电，以方便小基站的部署，推动蜂窝异构网络的可持续性发展。但现有的关于能量采集小基站的文献均考虑的是对小基站个人效用的优化，而忽视了小基站之间的相互干扰对系统总性能产生的影响。本发明将小基站的合作博弈问题和能量采集结合在一起，以系统整体效用最大化为目标对基于联盟博弈的能量采集小基站的干扰管理问题进行了研究。将小基站的协作干扰管理问题建立为带有转移效用的联盟博弈模型，同一联盟中的小基站采用时间共享的方式进行协作传输。小基站之间以系统总效用最大为目标进行博弈，从非协作的初始状态出发，最终收敛到一个稳定的联盟结构。

发明内容

技术问题：本发明针对下行能量采集小基站网络，提出了一种基于分布式联盟博弈的干扰管理方法。该方法将小基站网络中的协作干扰管理问题建模为带有转移效用的联盟博弈，根据小基站的能量采集策略确定同一联盟内小基站的时间共享方式，并构建了使小基站系统容量最大化的优化模型；利用提出的转移准则和历史集合，找出使系统总效用最大的稳定联盟结构、最优时间共享策略和最佳的功率分布；对该方法的收敛性和稳定性进行分析，证明了该方法能收敛到一个稳定的联盟结构。

技术方案：本发明的一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法，包括以下步骤：

(1)网络中所有小基站从环境中采集能量，并初始化历史集合为空集；

(2)各小基站间先以非协作的方式，即将每个小基站作为一个单独的联盟来形成初始化的联盟结构；

(3)各小基站以最大化系统总效用值为目标来形成联盟，联盟形成过程具体如下：

(3.1)小基站i找出当前存在的所有联盟；

(3.2)从现存联盟中选择任一联盟S_k，计算小基站i加入该联盟所需的功率成本其中是SBSi∈S_k将自己的信息广播到离它最远的 SBSj^*∈S_k，且刚好达到信噪比门限要求时所消耗的功率。若所需功率成本不大于联盟能容忍的最大功率成本，则转步骤(3.3)，否则从其余联盟中重新随机选一个联盟重复步骤(3.2)；

(3.3)对于所述步骤(3.2)中选出的联盟，判断其是否在小基站i的历史集合中，若不在，则转步骤(3.4)，否则重新选一个联盟，重复步骤(3.2)；

(3.4)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的个人效用，小基站的个人效用计算过程具体如下：

(3.4a)将联盟S_k内各小基站i单位时间内采集到的能量E_i构成的集合定义为该联盟的能量采集策略，即令E_CS表示在联盟结构CS下，所有联盟的能量采集策略的一个集合，即联盟的能量采集策略E_CS是已知的。联盟S_k内的时间共享策略与该联盟的能量采集策略有关，定义联盟S_k的时间共享策略为式中，α_i为联盟S_k中小基站用户SUEi在总传输时间内所占比例。α_i的大小取决于小基站采集到的能量多少，小基站i每秒内采集到的能量E_i越多，则其在联盟内总传输时间中所占比例也会越大，反之，则越小。因此，α_i的设置应满足：

(3.4b)在小基站互相协作的场景下，若采用联盟合作的方法，每个小基站 SBSi∈S_k服务下的用户SUEi的可达速率为其中，g_i,i表示SBSi和SBSi服务下的SUEi之间的信道增益，σ²表示高斯白噪声的方差，表示宏基站对SUEi的跨层干扰，Γ_CS表示在联盟结构CS下，所有联盟的时间共享策略的一个集合，即I_i(S_k,CS,Γ_CS)表示其他联盟内的SBS对联盟S_k中SUEi 产生的总的同层干扰。由于SBSi∈S_k每秒采集到的能量E_i在α_i∈(0,1]秒内全部使用完，因此E_i/α_i表示每个SBSi∈S_k的平均发射功率。SBSi∈S_k在联盟S_k中的个人效用值即为

(3.5)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的联盟效用，联盟S_k的效用值可表示为该联盟内所有小基站的个人效用之和，为：

(3.6)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的系统总效用，系统总效用即为所有联盟的效用值之和，也等于系统中所有小基站的个人效用总和；

(3.7)判断小基站i是否满足转移准则中的三个条件：

(a)小基站转移到另一个联盟后的个人效用值要大于转移前的效用值；

(b)小基站加入另一个联盟后该联盟的效用值不能小于小基站加入前的联盟效用值；

(c)小基站进行转移后新形成的联盟结构对应的系统总效用值要大于原来的联盟结构下的系统总效用；

若同时满足(a)、(b)、(c)三个条件，则小基站i成功转移到所述步骤(3.3) 中选出的联盟，并将该联盟加入小基站i的历史集合中，转步骤(3.8)，若不满足则重新选一个联盟，重复步骤(3.2)；

(3.8)小基站i重复步骤(3.1)，直至不再转移为止，转步骤(3.9)；

(3.9)选择另一个小基站重复步骤(3.1)，直至所有小基站都不再转移为止，即得到一个稳定的联盟结构；

(4)当联盟结构CS达到稳定，即得到一个使系统总效用最大的联盟结构时，停止所述步骤(3)中的联盟形成过程，转步骤(5)，否则重复步骤(3)；

(5)同一联盟中的小基站利用该联盟内的时间共享策略进行协作传输。

有益效果

1.本发明在小基站密集部署的情况下，获得的系统性能明显优于非合作方法；

2.本发明基首次将小基站的合作博弈问题和能量采集结合在一起，以系统整体效用最大化为目标对基于联盟博弈的能量采集小基站的干扰管理问题进行了研究。为了得到最大的系统效用，小基站之间通过不断博弈形成联盟，最终得到使系统总效用最大的稳定联盟结构、最优时间共享策略和最佳的功率分布；

3.本发明中小基站从非协作的初始状态出发，最终收敛到一个稳定的联盟结构，收敛速度较快。

附图说明

图1为本发明的下行蜂窝异构网络图；

图2为本发明的具体步骤流程图；

图3为系统收敛情况的仿真结果图；

图4为系统总效用与小基站数量的关系图。

图5为系统总效用与SBS分布范围的关系图

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明技术方案。

本发明的下行蜂窝异构网络如图1所示，该网络包括一个宏基站(MBS)和N 个小基站(SBS)，各用户以闭合方式接入小基站。令N＝{1,...,N}表示网络中的所有小基站，假设每个SBS i∈N仅为一个小基站用户服务，令SUE i表示由 SBS i∈N服务的小基站用户。宏基站采用传统的供电方式，而小基站从可再生的环境资源，例如风能、太阳能中采集能量进行供电。单位时间内每个小基站采集的能量服从一定的分布，令E_i表示SBS i∈N每秒采集到的能量。

在非协作场景下，每个SBS i∈N在传输数据时始终占用一个子信道上的传输时长，因此在传输过程中每个小基站用户会受到来自其他使用同一个子信道的小基站的干扰。令g_i,j表示SBS i和SBS j服务下的SUE j之间的信道增益，且SBS i到 SUE j的下行发射功率为p_i,j，则在非协作情况下SBS i∈N的可达速率为：

式中，σ²表示高斯白噪声的方差，表示宏基站MBS对由SBS i∈N服务的 SUE i的跨层干扰，而表示SUE i受到的总的同层干扰：

另外，在本发明的场景下，由于单位时间内SBS i采集的能量为E_i，因此SBS i的下行发射功率p_i,i即等于E_i。

因此，在小基站密集部署的区域内，若使用非协作的方式，小基站之间会产生严重的同层干扰，从而影响小基站的可达速率。由于宏基站和小基站用户之间相距较远且存在穿墙损耗，所以下行的跨层干扰相比小基站之间的同层干扰要小得多。因此为了减轻同层干扰，本发明提出了一种基于小基站之间互相协作并形成联盟的干扰管理方法。

本发明中，关于联盟形成博弈模型的构建，具体如下：

定义一个非重叠式联盟S_k，且为一个非空的子集，即满足和k≠m。假设N个小基站(SBS)总共形成K个联盟，则这K个联盟构成一个联盟结构CS，且CS＝{S₁,...,S_K}。

网络中的小基站作为玩家参与联盟博弈，当一个联盟S_k形成后，联盟内的协作传输通过某种时间共享策略来进行。将联盟S_k内各小基站单位时间内采集到的能量构成的集合定义为该联盟的能量采集策略，即由于在本发明中，联盟结构CS是一个优化的变量，因此联盟的总数是一个不断变化的值，用|CS|来代替K表示联盟结构CS内联盟的个数。令E_CS表示在联盟结构CS 下，所有联盟的能量采集策略的一个集合，即联盟的能量采集策略E_CS是已知的。联盟S_k内的时间共享策略与该联盟的能量采集策略有关。

定义联盟S_k的时间共享策略为：

式中，α_i为联盟S_k中小基站用户SUEi在总传输时间内所占比例。α_i的大小取决于小基站采集到的能量多少，小基站i每秒内采集到的能量E_i越多，则其在联盟内总传输时间中所占比例也会越大，反之，则越小。因此，α_i的设置应满足：

由此可见，在同一个联盟内，同一个子信道可以被多个SBS共享，即能够将每个SBS到它的用户SUE的下行传输在时间上分离开来。同一个联盟内的某个时间段只会有一个SBS在占用资源，这样可以有效的减轻联盟S_k内的干扰。然而，由于不同的联盟之间仍然存在干扰，因此，尽管SUE不受同一联盟内其他SBS的干扰，其还是会受到来自其他联盟的SBS下行传输所带来的同层干扰。

尽管小基站之间互相协作能够带来有效的性能增益，但同时也带来了一定的协调成本。小基站形成联盟必然要进行信息的交互，交换信息时消耗的功率即为形成联盟所付出的代价。在联盟S_k内，每个SBS i∈S_k通过广播自己的信号给联盟内其他SBS来交换信息，要保证每个SBS都能够给同一联盟内距离它最远的 SBS发射信息。假设在整个信息交换过程中，传输不出错，则形成一个联盟S_k的功率成本为：

其中，是SBS i∈S_k将自己的信息广播到离它最远的SBS j^*∈S_k，且刚好达到信噪比门限要求时所消耗的功率。令γ₀表示SBS j^*∈S_k的信噪比门限值，假设小基站接收端的噪声功率与用户一样，则：

由式(7)和式(8)可以看出，形成联盟的功率成本与联盟内各小基站地理位置的分布有关，若分布的越广泛，那么相应的功率成本也会增加。另外，功率成本还与联盟内的成员数目的大小相关，联盟规模越大，所消耗的功率成本也越大。定义一个联盟S_k能容忍的最大的功率成本为若形成联盟S_k的则不允许该联盟形成，反之若则允许该联盟形成。

由以上讨论可以得出，在小基站互相协作的场景下，若采用联盟合作的方法，每个小基站SBS i∈S_k服务下的用户SUE i的可达速率为：

其中，表示宏基站对SUE i的跨层干扰；Γ_CS表示在联盟结构CS下，所有联盟的时间共享策略的一个集合，即I_i(S_k,CS,Γ_CS)表示其他联盟内的SBS对联盟S_k中SUE i产生的总的同层干扰；满足：

由于SBS i∈S_k每秒采集到的能量E_i在α_i∈(0,1]秒内全部使用完，因此每个 SBSi∈S_k的平均发射功率p_i,i＝E_i/α_i，带入式(9)可得：

本发明利用带有转移效用的联盟形成博弈的方法对小基站网络中的协作问题进行建模，N中的所有SBS视为博弈的玩家。定义一个带转移效用(TU)的联盟形成博弈G＝(N,v)，其中N表示所有玩家，即小基站的集合，v表示每个联盟的效用值。联盟S_k的效用值可表示为该联盟内所有小基站可达速率之和，即：

并且

在本发明中，联盟内干扰可以忽略不计，参与博弈的小基站的性能受到网络中其他联盟的影响，因此，任意一个联盟S_k∈CS的效用值v(S_k,CS,Γ_CS)不仅取决于联盟S_k中的成员，还受到联盟结构CS，时间共享策略Γ_CS以及小基站能量采集策略E_CS的影响。

定义SBS i∈S_k在联盟S_k中的效用值为其在S_k中的可达传输速率，即：

根据(12)可知，联盟S_k∈CS的效用值为：

其中，u(S_k,CS,Γ_CS)为：

而联盟形成博弈G＝(N,v)在联盟结构CS，时间共享策略Γ_CS以及能量采集策略E_CS下的系统总效用值即为所有联盟的效用值之和，也等于N中所有小基站的可达速率总和，可表示为：

本发明的优化目标是在一定约束条件下，找到使系统总效用值最大的联盟结构和时间共享策略，即联盟形成博弈G＝(N,v)的最优解，为此建立如下优化模型：

max v(CS,Γ_CS) (17a)

其中，式(17a)表示优化目标，即系统的总效用值最大，寻求令总效用最大时的联盟结构CS及时间共享策略Γ_CS；式(17b)表示形成联盟所需要的功率成本不能大于联盟所能容忍的最大功率成本式(17c)和式(17d)表示一个联盟内的时间共享策略的形成及其需要满足的约束条件；式(17e)表示联盟内小基站SBS i∈S_k将信息广播到距它最远的SBSj^*∈S_k，且满足信噪比门限要求时所需发射功率的最小值；式(17f)表示SBS i∈S_k的平均发射功率不小于所需发射功率的最小值。

本发明中，转移准则的定义具体如下：

为了能够对两种联盟结构进行比较，必须设置合适的判断准则，判断准则主要包括两种：个人效用准则和联盟效用准则。个人效用准则即为在博弈中比较两个联盟结构好坏时，只考虑个人的效用获得提升，而联盟效用准则是考虑联盟效用的提高。在本发明中，比较两种联盟结构时需要同时考虑两种效用的提高，并通过分布式的方法获得系统总效用的增加。

假设存在一个联盟结构CS＝{S₁,...,S_a,S_b,...,S_K}，若SBS i∈S_a要从当前联盟S_a转移到另一个联盟S_b，即联盟结构从CS＝{S₁,...,S_a,S_b,...,S_K}转变为 CS′＝{CS\{S_a,S_b}}∪{S_a\{i}}∪{S_b∪{i}}，必须满足如下转移准则

该转移准则说明了小基站必须满足三个条件才能从一个联盟转移到另一个联盟，即：

(1)小基站转移到另一个联盟后的个人效用值要大于转移前的效用值；

(2)小基站加入另一个联盟后该联盟的效用值不能小于小基站加入前的联盟效用值；

(3)小基站进行转移后新形成的联盟结构对应的系统总效用值要大于原来的联盟结构下的系统总效用。

本发明的历史集合H(i)的定义具体如下：

针对小基站i定义一个历史集合H(i)，H(i)中包含小基站i曾经加入过的所有联盟。当小基站i满足转移规则后，还需要保证即将加入的联盟不在历史集合H(i)中才能成功进行转移，并将其加入的联盟记入历史集合H(i)中，这样可以使得任何一个小基站都不会重复加入同一个联盟，确保收敛。

通过使用转移准则和历史集合，小基站可以进行分布式的判决，自主决定加入何种联盟，无须再依靠全局调度来比较两种联盟结构的好坏，大大减轻了系统的负荷。

本发明提出了一种在小基站网络中结合能量采集的新的分布式联盟形成方法，如图2所示。首先，N中的所有小基站从环境中采集能量，各小基站间先以非协作的方式形成初始化的联盟结构。接着，小基站找出所有现存的联盟，根据转移准则和历史集合判断是否要加入或离开某个联盟，每次转移完成后，系统总效用都会得到改善，同时联盟结构也会发生改变，且联盟内的成员变化也会导致该联盟的时间共享策略发生变化，因而在联盟中的小基站所占用的传输时长也相应产生变化，小基站的发射功率随之改变。最后，当所有小基站都不再进行转移时，就形成了稳定的联盟结构，同时也得到了小基站的最佳时间共享策略和功率分配。一旦联盟结构稳定下来，在同一个联盟中的小基站就可以利用确定的时间共享方式来进行协作传输。

本发明的基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法具体步骤如下：

(1)令N＝{1,...,N}表示网络中所有小基站，SBS i∈N从环境中采集能量 E_i∈(0,E^max]，并初始化历史集合

(2)各小基站间先以非协作的方式形成初始化的联盟结构 CS＝{{1},{2},...,{N}}；

(3)定义转移准则和一个联盟能容忍的最大的功率成本各小基站根据转移准则、最大功率成本和历史集合，并以最大化系统总效用值为目标来形成联盟；

(4)当联盟结构CS达到稳定，即得到一个使系统总效用最大的联盟结构时，停止所述步骤(3)中的联盟形成过程，转步骤(5)，否则重复步骤(3)；

(5)同一联盟中的小基站利用该联盟内的时间共享策略进行协作传输。

综上，本发明将小基站的协作干扰管理问题建立为带有转移效用的联盟博弈模型，令同一联盟中的小基站采用时间共享的方式进行协作传输。每个小基站根据事先定义的效用函数和转移准则，以系统总效用最大为目标进行博弈，从非协作的初始状态出发，最终收敛到一个稳定的联盟结构。如附图3所示，为系统收敛情况的仿真结果，可以看出，本发明的基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法能够很快达到收敛。另外，附图4及图5分别描述了系统总效用与小基站数量的关系和系统总效用与小基站分布范围的关系，可以看出，本发明的基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法的性能明显优于非合作的方法。

Claims (1)

1.一种基于联盟博弈的能量采集小基站干扰管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)网络中所有小基站从环境中采集能量，并初始化历史集合为空集；

(2)各小基站间先以非协作的方式，即将每个小基站作为一个单独的联盟来形成初始化的联盟结构；

(3)各小基站以最大化系统总效用值为目标来形成联盟，联盟形成过程具体如下：

(3.1)小基站i找出当前存在的所有联盟；

(3.2)从现存联盟中选择任一联盟S_k，计算小基站i加入该联盟所需的功率成本其中是SBSi∈S_k将自己的信息广播到离它最远的SBSj^*∈S_k，且刚好达到信噪比门限要求时所消耗的功率；若所需功率成本不大于联盟能容忍的最大功率成本，则转步骤(3.3)，否则从其余联盟中重新随机选一个联盟重复步骤(3.2)；

(3.3)对于所述步骤(3.2)中选出的联盟，判断其是否在小基站i的历史集合中，若不在，则转步骤(3.4)，否则重新选一个联盟，重复步骤(3.2)；

(3.4)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的个人效用，小基站的个人效用计算公式为：

其中，S_k表示所述步骤(3.2)中选出的联盟；CS表示当前的联盟结构；Γ_CS表示在联盟结构CS下，所有联盟的时间共享策略的一个集合；E_i为小基站i单位时间内采集到的能量；为联盟S_k中小基站用户SUEi在总传输时间内所占比例，α_i的大小取决于小基站采集到的能量多少，小基站i每秒内采集到的能量E_i越多，则其在联盟内总传输时间中所占比例也会越大；g_i，i表示SBSi和SBSi服务下的SUEi之间的信道增益；σ²表示高斯白噪声的方差；表示宏基站对SUEi的跨层干扰；I_i(S_k，CS，Γ_CS)表示其他联盟内的小基站对联盟S_k中SUEi产生的总的同层干扰；

(3.5)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的联盟效用，联盟S_k的效用值可表示为该联盟内所有小基站的个人效用之和，为：

(3.6)对于所述步骤(3.3)中选出的联盟，计算小基站i转移到该联盟前后的系统总效用，系统总效用即为所有联盟的效用值之和，也等于系统中所有小基站的个人效用总和；

(3.7)判断小基站i是否满足转移准则中的三个条件：

(a)小基站转移到另一个联盟后的个人效用值要大于转移前的效用值；

(b)小基站加入另一个联盟后该联盟的效用值不能小于小基站加入前的联盟效用值；

(c)小基站进行转移后新形成的联盟结构对应的系统总效用值要大于原来的联盟结构下的系统总效用；

若同时满足(a)、(b)、(c)三个条件，则小基站i成功转移到所述步骤(3.3)中选出的联盟，并将该联盟加入小基站i的历史集合中，转步骤(3.8)，若不满足则重新随机选一个联盟，重复步骤(3.2)；

(3.8)小基站i重复步骤(3.1)，直至不再转移为止，转步骤(3.9)；

(3.9)选择另一个小基站重复步骤(3.1)，直至所有小基站都不再转移为止，即得到一个稳定的联盟结构；

(4)当联盟结构CS达到稳定，即得到一个使系统总效用最大的联盟结构时，停止所述步骤(3)中的联盟形成过程，转步骤(5)，否则重复步骤(3)；

(5)同一联盟中的小基站利用该联盟内的时间共享策略进行协作传输。