基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。考慮SU與PU共存的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明提出了一種優(yōu)選的利益函數(shù)以確保SU可以達(dá)到符合要求SINR值與功率值，并且基于此利益函數(shù)推導(dǎo)出了對(duì)應(yīng)的功率控制迭代算法，在每次迭代過程中，SU節(jié)點(diǎn)可根據(jù)CRN網(wǎng)絡(luò)的通信要求獲得更好的利益值。通過將本發(fā)明中的方法與另外兩種方法做對(duì)比，證明了本發(fā)明中的功率控制方法具有更好的抗噪聲作用。
【專利說明】基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]認(rèn)知無線電(Cognitive Radio, CR)技術(shù)是一項(xiàng)用于緩解頻譜資源緊缺問題的極有研究前途的應(yīng)用技術(shù)。通過向周圍環(huán)境不斷地學(xué)習(xí)與調(diào)整，具有CR功能的用戶可感知周圍頻譜空間中存在著的“頻譜空洞(Spectrum Holes)”，也即沒有或僅部分被其它用戶占用的頻段來用于自身數(shù)據(jù)的傳輸。正是這種機(jī)會(huì)式頻譜接入的特點(diǎn)，CR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。然而，為了不干擾相應(yīng)頻段的授權(quán)用戶或主用戶(Primary User,PU),認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network, CRN)自身需要進(jìn)行一系列的調(diào)整與控制，其中最重要的一項(xiàng)控制技術(shù)就是認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的傳輸功率控制技術(shù)。
[0003]功率控制技術(shù)是一項(xiàng)基本的資源分配技術(shù)。在CRN中，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)過高的傳輸功率會(huì)干擾主用戶之間的通信，然而，過低的傳輸功率卻難以保證自身滿足服務(wù)質(zhì)量的通信需求。因此，CRN中功率控制的主要目的即:合理控制次級(jí)認(rèn)知用戶(Secondary Users, SU)的傳輸功率，以減少對(duì)PU的干擾，同時(shí)滿足自身服務(wù)質(zhì)量要求(Quality of Service,QoS)及提高CRN網(wǎng)絡(luò)的功率利用率。相關(guān)領(lǐng)域已有大量的關(guān)于功率控制方面的研究。近年來，考慮到CRN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)——不同用戶以機(jī)會(huì)式頻譜接入的方式競(jìng)爭(zhēng)有限的頻譜資源——應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的博弈論也被引入到通信領(lǐng)域，以解決功率控制問題。
[0004]博弈論是應(yīng)用數(shù)學(xué)理論的一個(gè)分支。作為模擬自私個(gè)體之間的互動(dòng)關(guān)系以預(yù)測(cè)它們的決策的有力工具，博弈論被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)、無線通信等領(lǐng)域。一個(gè)基本的博弈論模型包括參與者集、策略空間集、利益函數(shù)三個(gè)要素，每個(gè)參與者在自己的策略空間中選擇一個(gè)策略，以最大化自己根據(jù)利益函數(shù)所取得的收益。在每個(gè)參與者追求自身利益最大化的過程中，如果利益函數(shù)選取合適，會(huì)達(dá)到一種均衡狀態(tài)。最常見的均衡狀態(tài)即納什均衡，處于納什均衡中的博弈模型，每個(gè)參與者都對(duì)自身的收益滿意，也即沒有任何參與者可以通過自身單方面的更改策略去獲得更高的收益。
[0005]近年來，隨著博弈論應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，在CRN中將博弈論與功率控制問題進(jìn)行結(jié)合研究正受到越來越多的關(guān)注。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，相關(guān)文獻(xiàn)如下:
[0006]P.Setoodeh 等人在《Proceedings of the IEEE, vol.97, n0.5, pp.915 -939，May.2009》上發(fā)表了題為 “Robust transmit power control for cognitive radio”的文章。該文章中提出了一個(gè)能量高效的MAC (Medium Access Control)層功率控制協(xié)議，該協(xié)議可根據(jù)不同信號(hào)源的不同數(shù)據(jù)速率，支持?jǐn)?shù)據(jù)包的可變速率傳輸；通過分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)廣播特性，該算法可最小化網(wǎng)絡(luò)的整體能量消耗。然而，算法協(xié)議復(fù)雜度高，控制開銷大。
[0007]David Goodman 等人在《1999 IEEE International Workshop on MobileMultimedia Communications, 1999.(MoMuC，99), 1999, pp.55 - 63.))上發(fā)表了題為 “Powercontrol for wireless data”的文章。該文章中提出的非合作博弈論模型是目前研究中最常用的模型，之后的大量研究都是基于此模型的更新與討論。然而該模型提出的利益函數(shù)中不包括代價(jià)函數(shù)，使得博弈達(dá)到的納什均衡較難接近Pareto最優(yōu)。之后有大量的研究以提出包含代價(jià)函數(shù)的利益函數(shù)，并運(yùn)用了超模博弈論、隱函數(shù)定理等相關(guān)理論對(duì)利益函數(shù)對(duì)應(yīng)納什均衡的存在性與惟一性進(jìn)行了數(shù)學(xué)證明。
[0008]T.Shen 等人在〈〈2011 International Conference on Computer Science andService System (CSSS)，Jun.2011，pp.2408 - 2411.》上發(fā)表了題為 “Power control gamebased on new pricing function for cognitive radio，，的文章。該文章中提出了一種基于信干比(Signal to Interference ratio, SIR)的代價(jià)函數(shù)的非合作博弈論模型。通過提出一種新的代價(jià)函數(shù)以優(yōu)化利益函數(shù)并證明其納什均衡的存在性與惟一性，該研究表明了其提出的功率控制算法在維持CRN的SIR要求上的優(yōu)越性，然而該模型沒有考慮到CR的傳輸功率限制。
[0009]S.ffu, X.Wang 等人在《2011 Third International Conference onCommunications and Mobile Computing (CMC)，Apr.2011，pp.262 - 265》上發(fā)表了題為 “Apower control game via new pricing with dynamic coefficient in cognitive radio，，的文章，該文章中提出了一種新的指數(shù)形式的代價(jià)函數(shù)，以包含進(jìn)干擾溫度的影響，但是其并沒有考慮到次級(jí)CRN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量問題。
[0010]由相關(guān)研究及CRN網(wǎng)絡(luò)的特性可知，為了盡可能少的干擾授權(quán)用戶，同時(shí)滿足次級(jí)CRN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，Qos與次級(jí)認(rèn)知用戶(Cognitive Users，CUs)的傳輸功率門限值就成了 CRN網(wǎng)絡(luò)的兩大要點(diǎn)(下文中我們會(huì)交替使用SU與CU)，基于非合作博弈論的CRN中的功率控制算法也就有了重要意義。本發(fā)明提出的功率控制方法，優(yōu)選地保證了 SU向CRN基站上行通信時(shí)，同時(shí)滿足CRN基于信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)的QoS要求與節(jié)點(diǎn)的傳輸功率門限問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有研究與技術(shù)上的不足，本發(fā)明提出了一種基于非合作博弈論的優(yōu)選的迭代功率控制方法。根據(jù)非合作博弈論模型，在該功率控制方法中，各SU獨(dú)立而自私的、通過多次迭代來決定自身的傳輸功率值。本發(fā)明所提出的迭代功率控制方法，是基于本發(fā)明所提出的一種新的非合作博弈論的利益函數(shù)所推導(dǎo)出來的，該優(yōu)選的利益函數(shù)可以確保SU同時(shí)達(dá)到符合要求的SINR與傳輸功率值。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 提供一種基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，包括以下步驟:
[0013]第一步:初始化，令k=0 ;各SU節(jié)點(diǎn)同時(shí)以傳輸功率值/，向CRN基站傳輸數(shù)據(jù)；
[0014]第二步:令k=k+l，在各SU節(jié)點(diǎn)第k次與CRN基站通信前，CRN基站將該節(jié)點(diǎn)第k-1次迭代過程中接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)的SINR值}^—[>傳輸給該SU節(jié)點(diǎn)；
[0015]第三步:各SU節(jié)點(diǎn)根據(jù)CRN的通信門限值/f'與第k-Ι次的SINR值rf—和第k_l次的傳輸功率值/f—”，進(jìn)行計(jì)算得到第k次迭代過程的傳輸功率值；
[0016]第四步:各SU節(jié)點(diǎn)以功率值Z向CRN的基站傳輸數(shù)據(jù)；[0017]第五步:重復(fù)第二步到第四步，直到在兩次相鄰迭代過程中，節(jié)點(diǎn)的傳輸功率值之差小于一足夠小的常數(shù)ε為止；
[0018]第六步:之后，各SU使用通過迭代過程得到的傳輸功率值向CRN基站傳輸數(shù)據(jù)。
[0019]優(yōu)選地，在所述第三步中，根據(jù)干擾溫度確定CRN的通信門限值/f ο
[0020]優(yōu)選地p為CRN中第i個(gè)SU節(jié)點(diǎn)不干擾TO通信的最大傳輸功率值，其小于等于每個(gè)SU的最大傳輸功率值，即:
【權(quán)利要求】
1.一種基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征在于，包括以下步驟:第一步:初始化，令k=0 ;各SU節(jié)點(diǎn)同時(shí)以傳輸功率值/7向CRN基站傳輸數(shù)據(jù)；第二步:令k=k+l，在各SU節(jié)點(diǎn)第k次與CRN基站通信前，CRN基站將該節(jié)點(diǎn)第k-Ι次迭代過程中接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)的SINR值y" Μ專輸給該SU節(jié)點(diǎn)；第三步:各SU節(jié)點(diǎn)根據(jù)CRN的通信門限值與第k-Ι次的SINR值ff—?和第k_l次的傳輸功率值/f—U，進(jìn)行計(jì)算得到第k次迭代過程的傳輸功率值;第四步:各SU節(jié)點(diǎn)以功率值向CRN的基站傳輸數(shù)據(jù)；第五步:重復(fù)第二步到第四步，直到在兩次相鄰迭代過程中，節(jié)點(diǎn)的傳輸功率值之差小于一足夠小的常數(shù)ε為止；第六步:之后，各SU使用通過迭代過程得到的傳輸功率值向CRN基站傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征是，在所述第三步中，根據(jù)干擾溫度確定CRN的通信門限值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征是，/f為CRN中第i個(gè)SU節(jié)點(diǎn)不干擾TO通信的最大傳輸功率值，其小于等于每個(gè)SU的最大傳輸功率值^ 即:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征是，采用迭代公式進(jìn)行pf的求取，迭代公式具體為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非合作博弈論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征是，定義如下:
【文檔編號(hào)】H04W52/04GK103634886SQ201210297568
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月20日
【發(fā)明者】焦建通, 蔣鈴鴿, 何晨, 田軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 富士通株式會(huì)社