CN108601077B - 一种d2d通信中基于超模博弈的功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种D2D通信中基于超模博弈的功率控制方法,其特征是,包括如下步骤:1)建立基于超模博弈的系统模型;2)获得蜂窝用户、D2D用户对的终端功率的帕累托占优解。这种方法具有提升系统效用值、保持系统公平性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及蜂窝网络中D2D通信技术,具体是一种D2D(Device—to—DeviceCommunication,简称D2D)通信中基于超模博弈的功率控制方法。
背景技术
蜂窝网络中引入D2D通信,在带来诸多优点的同时也面临着一些挑战,如会话建立、资源分配、功率控制和干扰协调等。D2D通信在一定程度上能解决无线频谱的匮乏,但其仍需在基站控制下复用小区资源,同时给系统带来干扰。D2D通信最主要的挑战是如何恰当地分配可复用的信道资源、传输功率及D2D链路和蜂窝链路的同信道干扰消除。
在超模博弈中,终端的最优响应是随干扰者策略单调递增的。超模博弈最大意义在于它具有纳什均衡,并且可以确定一个纳什均衡的解集,两个纳什均衡点组成解集的上界和下界,超模博弈的简单性使得凸性假设和可微性假设不再必要。
纳什均衡可以最大化每个参与博弈终端的效用值,但是对系统全局效用来说,往往不是帕累托有效的。若通过改变终端策略(新策略不同于纳什均衡),可以在不降低某些终端效用值的前提下,提高其他终端效用值,并获得一个更优的全局有效策略组合,称为帕累托占优。
根据上述理论,设计双层迭代最优价格均衡算法求解超模博弈,在外层迭代中求解超模博弈中最优价格cbest,在内层迭代中求解最优价格下的帕累托占优解pcbest,并证明了该博弈策略空间中最小功率矢量帕累托占优其它功率矢量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种D2D通信中基于超模博弈的功率控制方法。这种方法具有提升系统效用值、保持系统公平性的优点。
实现本发明目的的技术方案是:
一种D2D通信中基于超模博弈的功率控制方法,与现有技术不同的是,包括如下步骤:
1)建立基于超模博弈的系统模型:系统模型其中K={1,2,…,K}表示蜂窝用户和D个D2D用户对的终端集合,是终端j∈κ的策略空间,p是策略集合的最小功率,p是用户终端的最大发射功率,为终端效用函数,c为价格因子,在上行链路通信期间,由于D个D2D用户对共享蜂窝用户的信道资源,并对基站接收信号造成干扰,因此蜂窝用户信干噪比为:
与此同时,蜂窝用户终端也会对D个D2D用户对的接收机产生干扰,相应的D2D用户对接收机信号的的信干噪比为:
其中pk,pd和pd'分别代表蜂窝用户k和D2D用户d,d'的发射功率,gke为蜂窝用户到基站之间的信道增益,gde为第d个D2D对和基站之间的信道增益,gij表示不同用户间的信道增益,σ2表示接收端的热噪声功率,表示D对D2D对基站的干扰功率和,表示蜂窝用户和D2D用户d'∈D,d'≠d对的干扰功率和,每一个终端的最优策略是其他终端策略的响应函数即:根据纳什均衡下的取值得到不同用户的响应函数,蜂窝用户响应函数:
D2D用户响应函数:
终端的效用函数如公式(5)所示:
其中R是传输速率,为数据帧的准确接收概率,M为一帧比特数,γj为不同用户的信干噪比,即公式(1)或公式(2),lj表示电池生存时间,使用Peukert’s定律C是电池容量,终端用户j的发射功率pj,电路消耗功率p0,工作电压V0,a是一个常数,cj(pj,p-j)=cpj,是价格函数;
2)获得蜂窝用户、D2D用户对的终端功率的帕累托占优解:使用双层迭代,在外层迭代中求解超模博弈中最优价格cbest,在内层迭代中求解最优价格下的帕累托占优解pcbest,包括:
(5)cbest=c+△c,pcbest=p0,终止迭代;
步骤2)中所述的纳什均衡迭代包括:
求解最小功率p,博弈是超模博弈的条件是,效用函数在(pj,p-j)以及(pj,c)上具有非递减可微性,由非递减可微性条件得γ j≥2lnM,当γ j=2lnM时是信干噪比变化率最大点,推导出策略集合的最小功率p j。
化简上式括号内的子式得:
超模博弈均衡解集中最小元素ps(c)=p,可证明ps(c)为帕累托占优解,并且在该功率下终端的效用最大。
本技术方案利用微观经济学的概念并使用超模博弈理论,将通信网络中的功率控制问题建模为经济学模型,得到有效的帕累托占优解。
传统能效函数仅能表示瞬时数据流量,本技术方案改进效用函数,使其更加接近实际的指标,考虑终端电池的非线性效应,使效用函数包含遍历能效;然后在效用函数中加入定价机制,通过定价激励合作来提高系统性能,但是仍然保持功率控制解决方案的不合作性质。
这种方法具有提升系统效用值、保持系统公平性的优点。
附图说明
图1为实施例中D2D通信的系统模型示意图;
图2为实施例中五个终端效用和随价格c的变化曲线示意图;
图3为实施例中总功率随D2D对数的变化曲线示意图;
图4为实施例中总效用随D2D对数的变化曲线示意图;
图5为实施例中信干噪比随D2D对数的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述,但不是对本发明的限定。
实施例:
一种D2D通信中基于超模博弈的功率控制方法,包括如下步骤:
1)建立基于超模博弈的系统模型:如图1所示,系统模型其中K={1,2,...,K}表示蜂窝用户和D个D2D用户对的终端集合,是终端j∈κ的策略空间,p是策略集合的最小功率,是用户终端的最大发射功率,为终端效用函数,c为价格因子,在上行链路通信期间,由于D个D2D用户对共享蜂窝用户的信道资源,并对基站接收信号造成干扰,因此蜂窝用户信干噪比为:
与此同时,蜂窝用户终端也会对D个D2D用户对的接收机产生干扰,相应的D2D用户对接收机信号的的信干噪比为:
其中pk,pd和pd'分别代表蜂窝用户k和D2D用户d,d'的发射功率,gke为蜂窝用户到基站之间的信道增益,gde为第d个D2D对和基站之间的信道增益,gij表示不同用户间的信道增益,σ2表示接收端的热噪声功率,表示D对D2D对基站的干扰功率和,表示蜂窝用户和D2D用户d'∈D,d'≠d对的干扰功率和,每一个终端的最优策略是其他终端策略的响应函数即:根据纳什均衡下的取值得到不同用户的响应函数,蜂窝用户响应函数:
D2D用户响应函数:
终端的效用函数如公式(5)所示:
其中R是传输速率,为数据帧的准确接收概率,M为一帧比特数,γj为不同用户的信干噪比,即公式(1)或公式(2),lj表示电池生存时间,使用Peukert’s定律C是电池容量,终端用户j的发射功率pj,电路消耗功率p0,工作电压V0,a是一个常数,本例a为1.3,cj(pj,p-j)=cpj,是价格函数;
2)获得蜂窝用户、D2D用户对的终端功率的帕累托占优解:使用双层迭代,在外层迭代中求解超模博弈中最优价格cbest,在内层迭代中求解最优价格下的帕累托占优解pcbest,包括:
(5)cbest=c+△c,,pcbest=p0,终止迭代;
步骤2)中所述的纳什均衡迭代包括:
具体地:
本例为1个蜂窝用户和D=(K-1)个D2D用户对均匀分布在小区中,位置相对静止,用户终端和基站配备单个天线,每个D2D用户对包含一个发射机和一个接收机终端,D2D用户对和蜂窝用户共享信道资源,蜂窝用户通过基站通信,D2D用户对间距离足够近且直接通信,假设信道系数为简单路径损耗模型:其中A=0.097是一常数,其他参数见下表1:
表1
本例求解最小功率p,博弈是超模博弈的条件是,效用函数在(pj,p-j)以及(pj,c)上具有非递减可微性,由非递减可微性条件得γ j≥2lnM,当γ j=2lnM时是信干噪比变化率最大点,推导出策略集合的最小功率p j。
超模博弈均衡解集中最小元素ps(c)=p,可证明ps(c)为帕累托占优解,并且在该功率下终端的效用最大。
如图2所示,图中p为不同c值时的均衡解,cbest对应着函数取最大值,pcbest最大程度地保证了所有终端总效用值的最大化,但是,由于cbest的值无法通过数学方法准确计算,受搜索精度的限制,pcbest是一个帕累托占优解,如果出现有一个用户效用值比以前的均衡效用值要差,我们终止递增定价因子。
如图3所示,图中NPG(p)表示纳什均衡解,M-NPGP(Pcbest)表示超模博弈均衡解,M-NPGPS(ps(cbest))表示超模博弈解集的下界,从图中可以看出系统总功率随D2D对数的增多而增大,并且ps(cbest)<pcbest<p,说明改进后M-NPGP提高了系统性能,ps(cbest)帕累托占优pcbest、p。
如图4所示,从图中可知,M-NPGP效用值较NPG的效用值有所提高,而在M-NPGP中较小的元素ps(cbest)可以得到比较大的元素pcbest更高的效用值,同时,随着D2D对数的增加,三种解的总效用值不断减小,最后趋于一致。
如图5所示,NPG中的值是固定值,M-NPGP中ps(cbest)对应的以上两种均衡解使得各终端的接收信干噪比均相等,而在本实施例中,每个终端的功率搜索空间变为从图中可以看出在D2D对数较少时,终端均衡时的信干噪比大。
综上可以得出M-NPGP与NPG的结果相比,所有终端的发射功率都下降了,而效用值和生存时间却都得到了提高,但是上述性能的改进是以降低一定的信干噪比为代价的,而降低后的信干噪比仍能保证基本通信,这种代价换取的效益符合应急通信的实际情况。
Claims (2)
1.一种D2D通信中基于超模博弈的功率控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)建立基于超模博弈的系统模型:系统模型其中K={1,2,…,K}表示蜂窝用户和D个D2D用户对的终端集合,是终端j∈κ的策略空间,p是策略集合的最小功率,是用户终端的最大发射功率,为终端效用函数,c为价格因子,在上行链路通信期间,D个D2D用户对共享蜂窝用户的信道资源,并对基站接收信号造成干扰,蜂窝用户信干噪比为:蜂窝用户终端会对D个D2D用户对的接收机产生干扰,相应的D2D用户对接收机信号的的信干噪比为:
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D2D用户响应函数:
终端的效用函数如公式(5)所示:
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2)获得蜂窝用户、D2D用户对的终端功率的帕累托占优解:使用双层迭代,在外层迭代中求解超模博弈中最优价格cbest,在内层迭代中求解最优价格下的帕累托占优解pcbest,包括:
(5)cbest=c+△c,pcbest=p0,终止迭代;
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