CN110233686A - 认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法，结合了认知无线网络的特点，采用用户的偏好值进行用户比较配对，使得联盟U中每个用户都可以寻求本身的最佳的配对搭档，克服了现有技术为追求高的系统性能而未考虑用户的公平性的不足，使得本发明提高了认知无线网络的公平性。采用用户的信道容量建立偏好列表库，通过联盟博弈的方法比较用户的偏好值进行用户的循环配对，实现稳定配对联盟的形成，克服了现有技术中未考虑用户配对过程中配对联盟的稳定性的不足，使得本发明实现了配对联盟以及用户个体的利益最大化。

Description

认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法

技术领域

本发明涉及通信技术技术领域，具体涉及一种认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法。

背景技术

近年来，随着通信用户的大幅度上涨，大部分的频谱已经被分配给授权用户，导致无线网络中的频谱资源极其紧缺。在认知无线电网络中，次用户没有频谱的使用权的，其想要接入信道中，只能租用授权用户的空闲频谱。在多用户—频谱少的不对等的关系下，可见次用户对频谱的争夺是多么的激烈。为了使次用户更能有效的获取频谱且提高用户的利益，人们提出了用户配对来竞争频谱资源。

用户配对是用户为了获得接入空闲频谱的权限，根据自身的偏好选择与其他用户进行合作来接入信道，提高网络的系统容量，实现高质量的通信性能。如今，国内学者已经研究了多种配对方法，如：随机配对方法、最大系统容量算法以及集中配对算法。随机配对方法是未配对的用户随机选取其他用户进行配对，直到所有的用户配对完成。该方法不足的是：只考虑了用户的需求，却未考虑用户配对的效用。最大系统容量算法是遍历所有可能的配对方式，寻求系统容量最大的配对方案。该方法不足的是：只考虑了配对用户的容量，却未考虑到用户配对之间的公平性。集中配对算法是未发起有效提议的用户必须按固定次序发起提议，算法循环运行，直到所有用户都存在有效提议。该方法不足的是：算法容易导致系统陷入死循环。

发明内容

本发明所要解决的是现有技术在认知无线网络中不能有效利用综合化的思想进行稳定配对的的问题，提供一种认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法，具体包括步骤如下：

步骤1、计算用户集合中所有用户配对的信道容量；

步骤2、对于用户集合中的每个用户，分别计算该用户与用户集合中的其他用户配对的信道容量，并根据信道容量递减的顺序对其他用户进行排序，得到用户集合中的每个用户的偏好列表；

步骤3、判断用户集合中的总用户数S是奇数还是偶数：

如果为奇数，则进一步判断用户集合中是否存在没有向其他用户发送有效提议的用户：如果有，则循环执行步骤4-7；否则，仅有一个用户没有进行配对，输出当前稳定配对；

如果偶数，则进一步判断用户集合中是否存在没有向其他用户发送有效提议的用户：如果有，则循环执行步骤4-7；否则，所有用户配对成功，输出当前稳定配对；

步骤4、从用户集合中选择一个没有向其他用户发送过有效提议的用户作为发送方用户i，其中i＝1,2，…，S；

步骤5、基于该发送用户i的偏好列表，依次选择用户集合的其他用户作为接收方用户j，其中j＝1,2，…，S，且j≠i；

步骤6、发送方用户i发送提议给接收方用户j；

步骤7、判断接收方用户j是否已经接受其他用户k发送的提议，其中k∈[1，S]：

若没有接受，则接收方用户j接受发送方用户i发送的提议，发送方用户i与接收方用户j配对成功；

若已经接受，则进一步判断在接收方用户j的偏好列表中，发送方用户i的排列位置是否高于其他用户k：若不高于，则接收方用户j和其他用户k保持配对关系；否则，接收方用户j和发送方用户i配对成功。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

第一，采用用户的偏好值进行用户比较配对，使得联盟U中每个用户都可以寻求本身的最佳的配对搭档，克服了现有技术为追求高的系统性能而未考虑用户的公平性的不足，使得本发明提高了认知无线网络的公平性。

第二，采用用户的信道容量建立偏好列表库，通过联盟博弈的方法比较用户的偏好值进行用户的循环配对，实现稳定配对联盟的形成，克服了现有技术中未考虑用户配对过程中配对联盟的稳定性的不足，使得本发明实现了配对联盟以及用户个体的利益最大化。

第三，通过检测用户数的奇偶，将用户数划分为奇数和偶数两种情况进行用户配对，克服了现有技术中只考虑了用户数为偶数的情况，没有考虑实际通信场景奇数情况的不足，使得本发明提高了系统配对的全面性。

附图说明

图1为认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法的原理图。

图2为本发明应用场景图。

图3为认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法的流程图。

图4为偏好列表中用户偏好关系样例表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为了解决认知无线网络中不能有效利用综合化的思想进行稳定配对的问题，本发明结合了认知无线网络的特点，采用了计算用户配对的信道容量、检测用户数的奇偶、建立偏好列表库、检测用户配对状态、用户配对、检测用户配对状态和输出稳定配对的配对方法，参见图1。本配对方法使用户间两两最优配对，达到联盟稳定配对，实现了配对联盟整体的利益最大化，同时在配对联盟的用户也实现了自身利益最大化；通过检测用户数的奇偶，将用户数划分为奇数和偶数两种情况进行用户配对，提高了系统用户配对的全面性。

本发明的应用场景为认知无线网络，网络中的所有用户处于同一个地理位置中，位于同一个基站下，用户间根据配对的偏好值进行循环两两配对，形成一个稳定的配对联盟来接入上行链路和基站进行数据通信。参见图2。

一种认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法，如图3所示，具体步骤描述如下：

1)计算用户配对的信道容量。

VMIMO系统是指窄带平坦衰落VMIMO系统，系统模型由下式给出：

其中，Y＝(Y₁ Y₂)^T表示用户接收到的信号向量，X_i表示用户i的传输向量，P_i表示用户i的传输功率，n＝(n₁ n₂)^T表示用户i的背景噪声向量。

假定对于VMIMO系统所有用户集合U，给定两个用户i,j∈U，存在着有效的上行链路容量C(i,j)；按照下式计算用户配对的信道容量：

其中，det(·)表示矩阵的行列式，A_t和A_r分别表示发送天线和接收天线的数量，D_Ar表示N_r次序对角矩阵，N_o表示高斯白噪声的零均值，P_s表示传输功率，M表示信道矩阵。

由下式计算得到信道矩阵M：

其中，m_i,j,i,j∈{1,2}表示在基站中从用户i天线到用户j接收天线的复合信道衰落系统。M₁和M₂分别表示从两个用户到基站的复合信道矩阵，M₁＝(m₁₁ m₁₂)^T，M₂＝(m₂₁ m₂₂)^T。

2)建立偏好列表库。

分别对用户集合中的每个用户与用户集合中的其他用户的信道容量进行排序，并且根据信道容量的排序判断出用户之间的偏好关系，得到关于用户集合中的每个用户的偏好列表。

将步骤1计算出来的用户配对的信道容量C(i,j)以递减顺序进行排列，作为偏好列表库。一个用户总是可以偏好于其他能够达到信道容量最高的用户。在偏好列表库中用＞_i来表示用户偏好关系，一个用户k∈U(U为用户的集合)存在着关系式i＞_k j，则表示用户k和用户i配对的偏好值大于用户k和用户j配对的偏好值，即有C(k,i)＞C(k,j)。偏好列表中用户偏好关系样例表如图4所示。

3)检测用户数的奇偶。

判断总用户数S是偶数还是奇数，若总用户数为偶数，则执行步骤4a)，若总用户数为奇数，则执行步骤4b)。

4)检测用户配对状态。

4a)判断是否存在a个(a≤S，S是用户总数)用户没有向其他用户发送有效提议，若不存在，则所有用户配对，输出稳定配对，否则，执行步骤5。

4b)判断是否存在a个(3≤a≤S，S是用户总数)用户没有向其他用户发送有效提议，若不存在，则只会存在一个用户没有进行配对，输出稳定配对，否则，执行步骤5。

5)用户配对。

5a)选择一个用户i∈a发送提议给在偏好列表中该用户的下一个用户j。

用户配对是指一个配对是函数ψ，如果满足下式：

则称用户i和用户j配对，表示为(i,j)。

5b)判断接收方用户j是否已经接受其他用户k发送的提议，若没有接受，则接收方用户j接受用户i发送的提议，用户i和用户j配对成功，否则，执行步骤5c)。

用户i和用户j配对一定是可行配对，并且符合下式：

ψ(i)≠ψ(j)i,j∈U,i≠j

表明了一个用户不能超过一个其他用户进行配对，若同时和多个用户进行配对，则该用户会一直处于接入上行链路的状态，其他用户就没有机会接入上行链路，这对于其他用户是不公平的。

5c)用户j将用户i发送的提议与用户k发送的提议进行比较分析。

5d)判断用户i在偏好列表中的排列位置是否高于用户k，即用户i与用户j配对的偏好值是否大于用户i与用户k配对的偏好值，若不高于，则接收方j拒绝接受用户i的提议，保留用户k发送的提议，用户i和用k保持配对关系，否则，执行步骤5e)。

5e)接收方用户j接受用户i发送的提议，并且丢弃用户k发送的提议，用户i和用户j配对成功。

按照下式判定用户i和用户j配对是可行配对：

ψ(i)≠ψ(j)i,j∈U,i≠j

其中，ψ(i)是用户i的配对函数，ψ(j)是用户j的配对函数。

5f)重复步骤5b)、步骤5c)、步骤5d)、步骤5e)，直至所有用户都无法继续进行配对。

一个用户不能超过一个其他用户进行配对，若同时和多个用户进行配对，则该用户会一直处于接入上行链路的状态，其他用户就没有机会接入上行链路，这对于其他用户是不公平的。

6)检测用户配对状态。

总用户数为偶数，判断用户i是否小于总用户数S，若小于，则返回步骤4a)，否则，执行步骤7。

总用户数为奇数，判断用户i是否小于用户数S-1，若小于，则返回步骤4b)，否则，执行步骤7。

此处的奇偶数的说明只是为了后续的判断起到标签的作用，而在实际程序中并没有再一次的进行奇偶判断。

7)输出稳定配对。

当总用户数为偶数时，所有用户配对，则输出稳定配对；当总用户数为奇数时，只留下了一个偏好值最差的用户没有配对，则输出稳定配对。

本发明采用联盟博弈的方法，在由信道容量建立偏好列表库的基础上根据偏好值进行用户配对，可保证了用户数无论奇偶都可以稳定配对，保证了用户间的公平性，实现配对联盟帕累托最优。本发明可以根据用户的信道容量、偏好值，结合联盟博弈的方法，依次循环进行配对从而使得认知无线网络配对联盟形成达到稳定的状态，实现联盟利益最大化。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (1)

1.认知无线网络基于联盟博弈的稳定配对方法，其特征是，具体包括步骤如下：

步骤1、计算用户集合中所有用户配对的信道容量；

步骤2、对于用户集合中的每个用户，分别计算该用户与用户集合中的其他用户配对的信道容量，并根据信道容量递减的顺序对其他用户进行排序，得到用户集合中的每个用户的偏好列表；

步骤3、判断用户集合中的总用户数S是奇数还是偶数：

如果为奇数，则进一步判断用户集合中是否存在没有向其他用户发送有效提议的用户：如果有，则循环执行步骤4-7；否则，仅有一个用户没有进行配对，输出当前稳定配对；

如果偶数，则进一步判断用户集合中是否存在没有向其他用户发送有效提议的用户：如果有，则循环执行步骤4-7；否则，所有用户配对成功，输出当前稳定配对；

步骤4、从用户集合中选择一个没有向其他用户发送过有效提议的用户作为发送方用户i，其中i＝1,2，…，S；

步骤5、基于该发送用户i的偏好列表，依次选择用户集合的其他用户作为接收方用户j，其中j＝1,2，…，S，且j≠i；

步骤6、发送方用户i发送提议给接收方用户j；

步骤7、判断接收方用户j是否已经接受其他用户k发送的提议，其中k∈[1，S]：

若没有接受，则接收方用户j接受发送方用户i发送的提议，发送方用户i与接收方用户j配对成功；

若已经接受，则进一步判断在接收方用户j的偏好列表中，发送方用户i的排列位置是否高于其他用户k：若不高于，则接收方用户j和其他用户k保持配对关系；否则，接收方用户j和发送方用户i配对成功。