CN113727452A - 一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法。包括：步骤S1、在一个时隙

的

时间段内，授权用户将同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成频谱池，并设置多条信道进行出租；步骤S2、在一个时隙

的

时间段内，认知用户针对授权用户发射端信号进行能量采集，得到一定的能量

；步骤S3、在一个时隙

的

时间段内，授权用户通过伯川德模型进行租赁价格博弈，最终形成纳什均衡，得到纳什均衡解下的最优信道质量和租赁价格；步骤S4、在一个时隙

的

时间段内，认知用户根据自身需求结合授权用户所提供的信道质量和租赁价格做出购买空闲频谱的选择并进行自身信息的传输。本发明能够使整体能量效率和系统利润最大化。

Description

一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法

技术领域

本发明涉及认知无线电领域，特别是一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法。

背景技术

一、认知无线电是无线通信的一种范例。在这种模式下，没有频谱许可证的用户或者二级用户可以机会地接入那些有频谱许可证用户未使用的频谱，或者接入对那些有频谱许可证的主用户不会造成干扰的频谱。在典型的认知无线电系统中，二级用户首先执行频谱感知去寻找未使用的频谱，然后调整它的传输参数，如编码和调制方案，并传输功率以访问未使用的频带。在认知无线电中有两种未使用频带的定义。在overlay模式下的认知无线电系统，空闲频带是指对主用户绝对没有干扰。在overlay模式下的认知无线电系统，未使用的频带是指二级用户对主用户的干扰低于一定限度的频带。

随着这些年来无线通信业务地不断增长，人们对大数据量传输的无线通信方式的需求呈指数级增长。但是目前的频谱分配方式是一种呆板静态的固定的分配方式。这种固定的无线电频谱分配方式目前来看不能将频谱资源充分利用，有着许多问题，因此认知无线电技术应运而生。

认知无线电技术的思想是无线电频谱资源的动态分配和共享，即在授权用户不使用授权频带的时候，将空闲下来的频段分配给认知用户，从而达到高效的频带利用率。因此，传输数据信息时进行一定的能量获取即能量采集是实现认知无线电频谱利用率的基础和前提条件。

二、能量采集因为其可以提供持续的能量供应，帮助解决认知无线电网络的能量受限问题成为了认知无线电频谱分配中最常用的能够提高能源效率的方法。另外中继技术的引用提高了认知网络的系统性能，同时中继的使用扩展了网络覆盖范围并且提高了传输可靠性。

三、认知无线电的基本概念是频谱复用或频谱共享，授权用户允许认知用户在没有充分频谱的情况下，通过分配或许可，使用授权用户的频谱进行通信。对于有效的动态频谱共享，频谱所有者和频谱用户需要建立经济模型，以便可以最大化授权用户的收入和认知用户的满意度。于是，博弈论的应用可以较好的解决这一问题，通过授权用户与认知用户之间的相互博弈达到纳什均衡得到最优的纳什均衡解，在此基础上实现认知无线电频谱利用率最大化这一目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，找到最优能量采集和最优功率分配下的授权用户出售价格博弈策略，在满足所有约束条件的情况下使整体能量效率和系统利润最大化。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，包括以下步骤：

步骤S1、在一个时隙T的t₁时间段内，授权用户将同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成频谱池，并设置多条信道进行出租；

步骤S2、在一个时隙T的t₂时间段内，认知用户针对授权用户发射端信号进行能量采集，得到能量E_k；

步骤S3、在一个时隙T的t₃时间段内，授权用户通过伯川德模型进行租赁价格博弈，最终形成纳什均衡，得到纳什均衡解下的最优信道质量和租赁价格；

步骤S4、在一个时隙T的t₄时间段内，认知用户根据自身需求结合授权用户所提供的信道质量和租赁价格做出购买空闲频谱的选择并进行自身信息的传输。

在本发明一实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S1中，假设授权用户拥有很大的频带，则空闲的频段即组成频谱共享池，一个频谱共享池是由同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成，即一个频谱共享池包含很多条空闲信道，且这些空闲信道相互正交；这些频谱共享池中的空闲信道由授权用户决定如何出租，此处设定有两个授权用户和多个认知用户，一个认知用户最多购买一条信道。

在本发明一实施例中，步骤S2中，为保证能够有足够能量去进行空闲信道的接入以及自身信息的传输，认知用户ST_k对多个授权用户发射端信号进行能量采集，时间结束后，采集得到的能量E_k：

其中，t₂是能量采集时间，μ₁,μ₂,…,μ_k表示无线环境干扰下的高斯噪声，γ₁,γ₂,…,γ_k表示能量传递速率。

在本发明一实施例中，设置采集得到能量的上限值E_max和下限值E_min；因此考虑以下两种情况：(1)当采集得到能量满足E_min≤E_k≤E_max，认知用户将接入空闲信道并进行信息传输；(2)当采集得到能量满足0≤E_k＜E_min，认知用户将切换至休眠状态，等待下一时隙的到来。

在本发明一实施例中，步骤S3中，针对两个授权用户得到认知用户关于功率效用函数的不同信道需求函数，进一步得到授权用户的收益函数，最后通过伯川德模型博弈达到按时均衡并得到纳什均衡解。

在本发明一实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S3具体为：

步骤S31、初始化定义信道质量参数

授权用户提供的租赁价格p、认知用户对信道的偏好系数θ以及高质量信道表示为H和低质量信道表示为L；

步骤S32、根据以下两个公式计算得到认知用户关于授权用户的功率效用函数，也即信道需求函数：

式中，N表示认知用户数量，g(θ)表示概率概率密度函数，G(θ)表示概率分布函数；

步骤S33、根据以下两个公式计算得到授权用户的收益函数：

式中，

表示高质量信道收益，

表示低质量信道收益，σ表示授权用户边际成本；

步骤S34、根据以下两个公式更新信道售价，此时系统利润最大化：

式中，δ表示系统速率调整参数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明找到最优能量采集和最优功率分配下的授权用户出售价格博弈策略，在满足所有约束条件的情况下使整体能量效率和系统利润最大化。

附图说明

图1为本发明实施例的认知无线电网络模型。

图2为本发明实施例的单位时隙分配框图。

图3为本发明实施例的当系统速率调整参数δ＝0.01时系统信道价格函数与迭代次数的关系。

图4为本发明实施例的当系统速率调整参数δ＝0.01时系统整体利润函数与迭代次数的关系。

图5为本发明实施例的当系统边际成本σ＝1时系统信道价格函数与迭代次数的关系。

图6为本发明实施例的当系统边际成本σ＝1时系统整体利润函数与迭代次数的关系。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1至图2所示，本实施例提供了一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：在一个时隙T的t₁时间段内，授权用户将同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成频谱池，并设置多条信道进行出租。

步骤S2：在一个时隙T的t₂时间段内，认知用户针对授权用户发射端信号进行能量采集，得到一定的能量E_k。

步骤S3：在一个时隙T的t₃时间段内，授权用户通过伯川德模型进行租赁价格博弈，最终形成纳什均衡，得到纳什均衡解下的最优信道质量和租赁价格。

步骤S4：在一个时隙T的t₄时间段内，认知用户根据自身需求结合授权用户所提供的信道质量和租赁价格做出购买空闲频谱的选择并进行自身信息的传输。

在本实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S1具体为：假设授权用户拥有很大的频带，授权用户却没有完全利用这些频段，那么空闲的频段就可以组成频谱共享池，具体来说，一个频谱共享池是由同一时间和地点未被使用的频谱组成，所以一个共享池包含很多条信道，且这些信道相互正交。这些频谱池中的空闲信道由授权用户决定如何出租。虽然有很多条相互正交的信道，但是由于不同的认知用户有不同的信道需求，为了方便研究，这里设定有两个授权用户和多个认知用户，设定一个认知用户最多购买一条信道。

在本实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S2具体为：为了保证能够有足够能量去进行空闲频谱信道的接入以及自身信息的传输，认知用户ST_k对多个授权用户发射端信号进行能量采集，时间结束后，采集得到的能量E_k：

其中，t₂是能量采集时间，μ₁,μ₂,…,μ_k表示无线环境干扰下的高斯噪声，γ₁,γ₂,…,γ_k表示能量传递速率。与此同时，设置采集得到能量的上限值E_max和下限值E_min。于是，本文系统将考虑以下两种情况：(1)当采集得到能量满足E_min≤E_k≤E_max，认知用户将接入空闲频谱并进行信息传输；(2)当采集得到能量满足0≤E_k＜E_min，认知用户将切换至休眠状态，等待下一时隙的到来。

在本实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S3具体为：

步骤S31：初始化定义信道质量参数

授权用户提供的租赁价格p、认知用户对信道的偏好系数θ以及高质量信道表示为H和低质量信道表示为L。

步骤S32：根据以下两个公式计算得到认知用户关于授权用户的功率效用函数，也即信道需求函数：

式中，N表示认知用户数量，g(θ)表示概率概率密度函数，G(θ)表示概率分布函数；

步骤S33：根据以下两个公式计算得到授权用户的收益函数：

式中，

表示高质量信道收益，

表示低质量信道收益，σ表示授权用户边际成本；

步骤S34：根据以下两个公式更新信道售价，此时系统利润最大化：

式中，δ表示系统速率调整参数。

在本实施例中，在overlay认知无线电中，步骤S4具体为：认知用户根据自身需求并结合授权用户所提供的信道质量和租赁价格做出购买空闲频谱的选择用以进行自身信息的传输。

如图3至图6所示，在本实施例中仿真结果得到验证：

图3和图4表示，当δ＝0.01时，信道价格和信道质量是联系在一起的。也就是说信道质量越高意味着主用户所提供的租赁价格就会越高，这在加入能量采集前后是一致的。在加入能量采集之后，处于相同信道的租赁价格和系统利润却存在着些许变化。不管是高质量信道或是低质量信道，它的信道租赁价格都会略低于传统方案，这是因为能量采集的加入致使部分次用户能够有机会接入空闲信道去购买频谱资源，从而拉低了整体的价格水平。而对于系统利润来说，较传统方案均有提升，特别是在高质量通道，高信道通道信息容量大、抗干扰能力强，更能适应外部环境因素变化所带来的影响。

图5和图6表示，当σ＝1时，信道价格与边际成本是成正比关系，但单方面使边际成本也就是信道价格的增加或减少与否，并不能使得系统总利润有所增加。我们知道，系统所获得的收益会随着信道差异性的增大而增多，于是，主用户系统一定会选择信道质量差别较大的信道进行租赁。而加入能量采集后，很好的改观了这一趋势，促使主用户尽可能平衡传输信道，进而使得总的系统利润能够有所提升。

综上所述，可以看出，系统信道价格函数的纳什均衡点较引入能量采集前后有所下降，但系统整体利润函数的纳什均衡点较之前均有增大。于是，本文提出的将能量采集与伯川德频谱分配博弈模型进行融合，在原有算法基础上针对系统传输信息的能量供给问题给出解决方案，虽然信道租赁价格会略微下调，但系统整体的实际利润实现了小幅度增长。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、在一个时隙T的t₁时间段内，授权用户将同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成频谱池，并设置多条信道进行出租；

步骤S2、在一个时隙T的t₂时间段内，认知用户针对授权用户发射端信号进行能量采集，得到能量E_k；

步骤S3、在一个时隙T的t₃时间段内，授权用户通过伯川德模型进行租赁价格博弈，最终形成纳什均衡，得到纳什均衡解下的最优信道质量和租赁价格；

步骤S4、在一个时隙T的t₄时间段内，认知用户根据自身需求结合授权用户所提供的信道质量和租赁价格做出购买空闲频谱的选择并进行自身信息的传输。

2.根据权利要求1所述的一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，在overlay认知无线电中，步骤S1中，假设授权用户拥有很大的频带，则空闲的频段即组成频谱共享池，一个频谱共享池是由同一时间和地点未被使用的空闲频谱组成，即一个频谱共享池包含很多条空闲信道，且这些空闲信道相互正交；这些频谱共享池中的空闲信道由授权用户决定如何出租，此处设定有两个授权用户和多个认知用户，一个认知用户最多购买一条信道。

3.根据权利要求2所述的一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，步骤S2中，为保证能够有足够能量去进行空闲信道的接入以及自身信息的传输，认知用户ST_k对多个授权用户发射端信号进行能量采集，时间结束后，采集得到的能量E_k：

其中，t₂是能量采集时间，μ₁,μ₂,…,μ_k表示无线环境干扰下的高斯噪声，γ₁,γ₂,…,γ_k表示能量传递速率。

4.根据权利要求3所述的一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，设置采集得到能量的上限值E_max和下限值E_min；因此考虑以下两种情况：(1)当采集得到能量满足E_min≤E_k≤E_max，认知用户将接入空闲信道并进行信息传输；(2)当采集得到能量满足0≤E_k＜E_min，认知用户将切换至休眠状态，等待下一时隙的到来。

5.根据权利要求2所述的一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，步骤S3中，针对两个授权用户得到认知用户关于功率效用函数的不同信道需求函数，进一步得到授权用户的收益函数，最后通过伯川德模型博弈达到按时均衡并得到纳什均衡解。

6.根据权利要求1所述的一种能量采集下基于博弈论的认知无线电频谱分配的方法，其特征在于，在overlay认知无线电中，步骤S3具体为：

步骤S31、初始化定义信道质量参数

授权用户提供的租赁价格p、认知用户对信道的偏好系数θ以及高质量信道表示为H和低质量信道表示为L；

步骤S32、根据以下两个公式计算得到认知用户关于授权用户的功率效用函数，也即信道需求函数：

式中，N表示认知用户数量，g(θ)表示概率概率密度函数，G(θ)表示概率分布函数；

步骤S33、根据以下两个公式计算得到授权用户的收益函数：

式中，

表示高质量信道收益，

表示低质量信道收益，σ表示授权用户边际成本；

步骤S34、根据以下两个公式更新信道售价，此时系统利润最大化：

式中，δ表示系统速率调整参数。

Images