CN110300412B - 基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明的公开了一种基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，频谱资源共享方法所基于的场景为认知无线电网络系统，认知无线电网络系统包括K个非授权用户和一对授权用户组；频谱资源共享方法包括以下内容：步骤一、对无线电网络系统的用户状态进行初始化：步骤二、将处理信道条件较差的非授权用户作为独立且固定的用户簇；步骤三、将步骤二未处理的非授权用户按照各自的信道增益

的大小进行排序，再按照此顺序逐个对非授权用户进行合并与拆分。解决了现有技术中认知无线电网中由于频谱资源稀缺所导致的资源分配问题。

Description

基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法

【技术领域】

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法。

【背景技术】

随着认知无线电网络中高速传输和数据流量的巨大增长，频谱资源愈发紧张，从世界各国的频率划分图中可以看出，从3KHz到300GHz的频谱均被授权给不同的无线电业务，部分频段(如1164MHz～3000MHz)利用率较高，甚至于非常拥挤。但是存在部分授权频段的频谱利用率较低，不能基于市场需求分配频谱资源，无法确保无线电频谱的使用效率最大化，这严重阻碍了无线通信的进一步发展。因此，在这样的背景下，我们急需提出一种有效的频谱资源共享技术，已解决当前无线电频谱资源供给与需求不能较合理地匹配的问题。

在认知无线电网络的覆盖式(underlay)频谱资源共享方案中，非授权用户可以与授权用户使用相同的频谱同时进行传输，但是由非授权用户带来的干扰不能影响到授权用户的通信质量。在此应用背景下，非正交多址(NOMA)技术的出现，能够有效地提高未来移动网络的频谱接入效率。在下行链路的非正交多址技术方案中，基站可以通过不同的功率分配(对具有较差信道条件的用户分配较高的传输功率)，实现在相同的时间或频率内为多个用户服务。

博弈论作为一种实用的数学工具，可以解决合作或者竞争场景的各种问题。合作博弈论的思想已经被广泛应用于无线通信系统中，部分学者在分布式单天线发射机背景下发布了一种公平的合作策略，它允许用户自组织形成用户簇，以求得最大化频谱利用率。另有学者提出了用于认知无线电网络中非授权用户的分布式协作策略，其中每个非授权用户可以决定自己形成或者离开用户簇来实现其自身需求。因此，在认知无线电网络中，以合作博弈论为基础的覆盖式(underlay)频谱资源共享技术值得更深层次的挖掘和研究。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，以解决现有技术中认知无线电网中由于频谱资源稀缺所导致的资源分配问题。

本发明采用以下技术方案：基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，

频谱资源共享方法所基于的场景为认知无线电网络系统，认知无线电网络系统包括K个非授权用户和一对授权用户组；

频谱资源共享方法包括以下内容：

步骤一、对无线电网络系统的用户状态进行初始化：

步骤二、将处理信道条件较差的非授权用户作为独立且固定的用户簇；

步骤三、将步骤二中未处理的非授权用户按照各自的信道增益

的大小进行排序，再按照此顺序逐个对非授权用户进行合并与拆分：

3.1)若存在某个用户簇C_j，当其加入另一个用户簇时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇加入到其他用户簇中，形成一个新的用户簇；

3.2)若存在某个用户簇C_j，当将其拆分成新的用户簇C_j1、C_j2时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇拆分出新的用户簇。

进一步的，步骤二的具体内容为：

用U_i表示非授权用户，其中i∈[1,K]，用L表示授权用户，非授权用户对应信道的信道增益为

由非授权用户形成的M个用户簇可表示为C_j，其中j∈[1,M]；

设置非授权用户U_i(i∈[1,K])对应信道的信道增益门限值为G_t，若非授权用户所对应的信道增益

低于门限值，即

则将该非授权用户作为独立且固定的用户簇。

进一步的，频谱资源共享方法还包括：

若所有非授权用户均不满足合并条件和拆分条件，表明已经实现非授权用户的总信道容量最大化，即现有非授权用户簇状态已经达到纳什均衡状态，则执行如下步骤：授权用户选择可接入的非授权用户簇：若存在接入授权频段后，依然可以满足授权用户通信需求的非授权用户簇，则由授权用户L选择能使整体系统和速率最大的非授权用户簇C_jmax进行接入；否则，授权用户不允许任何非授权用户簇接入其频段；

若所有非授权用户簇状态未达到纳什均衡状态，返回执行步骤三。

本发明的有益效果是：以最大化认知无线电网络在在频谱共享过程中所实现的系统总吞吐量为目的，进而提高认知无线电网络的传输特性，实现了认知无线电网络中授权用户和非授权用户的速率最大化；通过将非正交多址认知无线电网络中的非授权要用户进行簇组合，大幅度提升认知无线电网络的系统吞吐量；将非授权用户间干扰考虑进去，从资源分配的源头环节解决了传输干扰问题；适用于各种用户数量和不同小区间距的情况。

【附图说明】

图1为本发明基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法的流程图；

图2为用本发明对认知无线电网络的整体速率在使用不同频谱接入技术的性能仿真图；

图3为用本发明对认知无线电网络在授权用户提出不同的要求下的性能仿真图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，本发明的使用场景是认知无线电网络，该网络包含K个非授权用户和一对授权用户组。我们采取覆盖式(underlay)认知无线电网络中的频谱资源共享方案，即非授权用户可以在对授权用户产生的干扰低于门限值的情况下，用所有授权频段进行传输，无需频谱感知。用U_i，其中i∈[1,K]表示非授权用户，用L表示授权用户，非授权用户对应信道的信道增益为

由非授权用户形成的M个用户簇可表示为C_j，其中j∈[1,M]。

首先定义两种条件：

一、合并条件：对所有非授权用户组成的用户簇而言，若存在某个用户簇C_j，当其加入另一个用户簇时，可以实现比原有系统状态更高速率，则称用户簇C_j满足合并条件。

二、拆分条件：对所有非授权用户组成的用户簇而言，若存在某个用户簇C_j，当将其拆分成新的用户簇C_j1、C_j2时，可以实现比原有系统状态更高速率，则称该用户簇满足拆分条件。

参照图1，本发明在上述场景的实现步骤如下：

步骤一，系统用户状态初始化：

对系统中各用户的状态进行初始化，将系统中K个非授权用户U_i(i∈[1,K])置为单独的用户簇C_j其中，j∈[1,M]，此时K＝M。

步骤二，处理信道条件较差的非授权用户对应链路：

设置非授权用户U_i(i∈[1,K])对应信道的信道增益门限值为G_t，若非授权用户所对应的信道增益

低于门限值，即

则将该非授权用户作为独立且固定的用户簇，不再考虑对其执行合并或拆分操作。根据非正交多址(NOMA)技术的基本原理，这些非授权用户具有相对较差的信道条件，则对向其分配更多的功率资源以保证其正常通信。

步骤三，剩余非授权用户的合并与拆分：对未形成独立且固定用户簇的非授权用户簇，根据其各自的信道增益

按照从大到小的顺序进行排序，并按照此顺序对未形成独立且固定用户簇的非授权用户执行以下操作：

3.1)若该非授权用户簇满足合并条件，即存在某个用户簇C_j，当其加入另一个用户簇时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇加入到其他用户簇中，形成一个新的用户簇；

3.2)若该非授权用户簇满足拆分条件，即存在某个用户簇C_j，当将其拆分成新的用户簇C_j1、C_j2时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇拆分出新的用户簇。

步骤四，判断是否达到稳定用户簇结合方式：

若所有非授权用户均不满足合并条件和拆分条件，表明已经实现非授权用户的总信道容量最大化，即现有非授权用户簇状态已经达到纳什均衡状态，则执行步骤五；反之，返回执行步骤三。

步骤五，授权用户选择可接入的非授权用户簇：

若存在接入授权频段后，依然可以满足授权用户通信需求的非授权用户簇，则由授权用户L选择能使整体系统和速率最大的非授权用户簇C_jmax进行接入；否则，授权用户不允许任何非授权用户簇接入其频段。

在评估非授权用户簇是否满足合并和拆分条件的过程中，按照本发明的流程设计，每个用户簇都会通过合并或者拆分的方式来实现整体系统和速率最大的目标，若存在某用户簇满足合并或拆分条件，则证明系统和速率依然由提高的空间，此时用户簇为达到稳定状态。所以，当不存在满足合并和拆分条件的用户簇时，所有非授权用户簇就已经达到了纳什均衡状态。

实施例：

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

1.仿真条件：假设认知无线电网络中，包括1个授权用户和20个非授权用户。授权用户的传输功率为15dB，非授权用户的传输功率为20dB,主用户准许认知用户占用个人频带的参考要求系数为0.8。

2.仿真内容：对underlay认知无线网络中采用本发明频谱资源分配方法和其他随机分配方法在不同用户数量的前提下进行仿真比较，结果如图2。图2中，纵坐标为“系统的整体速率”，表示整个网络的总速率；横坐标为“非授权用户的数量”。

由图2仿真结果可知，在用户数量不同的情况下，采用本发明的非正交认知无线电网络的系统速率明显高于采用其它分配方法的系统速率；由此可以证明本发明算法可应用与不同数量的用户场景，且效果明显优于其他频谱资源分配方法。

3.仿真内容：对非正交认知无线电网络中采用本发明频谱资源分配方法和授权用户设定的不同的要求值进行仿真比较，结果如图3。图3中，纵坐标为“选择的簇的尺寸”，表示由认知用户形成的簇的规模大小；横坐标为“授权用户设定的要求值”。

由图3仿真结果可知，在小区内用户数量不同的情况下，采用本发明的非正交认知无线网络中组成簇的大小明显高于采用其他分配方法；由此可以证明本发明算法适用于不同的小区内用户数量，且效果明显优于其他频谱资源分配方法。

本发明的基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，主要解决了现有技术中认知无线电网络在覆盖式(underlay)频谱资源共享方案下的用户簇形成问题。其实现方案是，初始化，将系统中非授权用户设置为单独的用户簇，随后通过信道增益的门限值将部分非授权用户设置为独立且固定的用户簇，并对剩余非授权用户进行多次迭代的合并和拆分操作以获取使系统传输速率最大的用户簇组，最后由授权用户选择最佳用户簇接入其授权频谱，实现频谱资源共享。本发明大幅度提高了系统整体吞吐量，并且使用于不同小区间距离和不同小区内用户数量的情况，可用于解决未来5G系统频谱资源的管理问题。

Claims (3)

1.基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，其特征在于，

资源分配方法所基于的场景为认知无线电网络系统，所述认知无线电网络系统包括K个非授权用户和一对授权用户组；

所述资源分配方法包括以下内容：

步骤一、对无线电网络系统的用户状态进行初始化：

步骤二、将处理信道条件较差的非授权用户作为独立且固定的用户簇；

步骤三、将所述步骤二中未处理的非授权用户按照各自的信道增益

的大小进行排序，再按照此顺序逐个对所述非授权用户进行合并与拆分：

3.1)若存在某个用户簇C_j，当其加入另一个用户簇时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇加入到其他用户簇中，形成一个新的用户簇；

3.2)若存在某个用户簇C_j，当将其拆分成新的用户簇C_j1、C_j2时，可以实现比原有系统状态更高速率，则令该用户簇拆分出新的用户簇。

2.如权利要求1所述的基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，其特征在于，所述步骤二的具体内容为：

用U_i表示非授权用户，其中i∈[1,K]，用L表示授权用户，非授权用户对应信道的信道增益为

由非授权用户形成的M个用户簇可表示为C_j，其中j∈[1,M]；

设置非授权用户U_i(i∈[1,K])对应信道的信道增益门限值为G_t，若非授权用户所对应的信道增益

低于门限值，即

则将该非授权用户作为独立且固定的用户簇。

3.如权利要求1或2所述的基于博弈论的非正交认知无线电网络中资源分配方法，其特征在于，所述资源分配方法还包括：

若所有非授权用户均不满足合并条件和拆分条件，表明已经实现非授权用户的总信道容量最大化，即现有非授权用户簇状态已经达到纳什均衡状态，则执行如下步骤：授权用户选择可接入的非授权用户簇：若存在接入授权频段后，依然可以满足授权用户通信需求的非授权用户簇，则由授权用户L选择能使整体系统和速率最大的非授权用户簇C_jmax进行接入；否则，授权用户不允许任何非授权用户簇接入其频段；

若所有非授权用户簇状态未达到纳什均衡状态，返回执行步骤三。

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