專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)fdm信道選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源管理技術(shù)，具體涉及認(rèn)知無(wú) 線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM (Frequency Division Multiplexing,頻分復(fù)用)信道選擇方法。
背景技術(shù)：
智能無(wú)線(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能通過(guò)主動(dòng)地感知無(wú)線(xiàn)頻譜使用、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)環(huán)境、 自適應(yīng)地重配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式與參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與周邊無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié) 同工作的目標(biāo)。因此，具有認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電能力、重配置能力的新一代智能認(rèn) 知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成為研究重點(diǎn)。
認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)由獨(dú)占某些信道的一級(jí)用戶(hù)和擇機(jī)使用空閑信道的二 級(jí)用戶(hù)組成。傳統(tǒng)的基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇算法[Nie Nie, C.Comaniciu. Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks. New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, pp: 269 -278, Nov. 2005.]沒(méi)有考慮不同的發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)的接收機(jī)可能具有不同的信 干比門(mén)限，將用戶(hù)之間的共道沖突簡(jiǎn)單地等同為干擾功率的絕對(duì)大小，也沒(méi) 有考慮 一級(jí)用戶(hù)和二級(jí)用戶(hù)間的干擾限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選 擇方法，該方法可以準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)信道選擇問(wèn)題，同時(shí)在認(rèn) 知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中有效地進(jìn)行信道選擇。
本發(fā)明提供的基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法，其步 驟包括
步驟(l):確定一級(jí)用戶(hù)占用的固定信道
定義用戶(hù)i的策略Siqo,l,2，…，K)， K為可用信道數(shù)；1《Si《K， Sj表 示用戶(hù)i選擇的傳輸信道的序號(hào)，Si=0表示用戶(hù)i選擇停止傳輸；
根據(jù)一級(jí)用戶(hù)預(yù)先占用信道情況，確定一級(jí)用戶(hù)的固定策略Si， i=N+l, N+2，…，N+M，其中，M為一級(jí)用戶(hù)數(shù),N為二級(jí)用戶(hù)數(shù)；
步驟(2): 二級(jí)用戶(hù)按照下述過(guò)程輪流選擇最佳信道 (2.1)按照下述條件確定各二級(jí)用戶(hù)的可選信道①在所選信道上傳 輸可以達(dá)到信干比門(mén)限要求，即該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第一部分
"—2 。,D(/J)"不小于-1;②在所選信道上傳輸所產(chǎn)生的共道干擾不會(huì)
使某一級(jí)用戶(hù)無(wú)法滿(mǎn)足信干比門(mén)限要求，即每個(gè)一級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第 一部分"一J] 不小于-l;
其中，一、二級(jí)用戶(hù)i的效用函數(shù)f/,(s,，^)是用戶(hù)i選擇的策略&和當(dāng) 前所有其他用戶(hù)選擇的策略^的函數(shù)，定義為
Z c》x>(/j)- Z cp(/,力V/ (I)
其中，C,.,表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的沖突，其計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 6</formula> 如果i=j
A表示用戶(hù)i的發(fā)射功率，/,.表示用戶(hù)i的信干比門(mén)限，Gy表示發(fā)射機(jī)
Ti和接收機(jī)Rj之間的鏈路增益；
D(i,j)表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的干擾方程，定義如下 fl如果用戶(hù)i,j使用相同的信道
0其他
式(I)中，第一部分"一 Z 的相反數(shù)表示用戶(hù)i受到其他用
乂力，乂=1
浴W
戶(hù)的沖突之和，第二部分"-Z qD(/，刀"的相反數(shù)表示用戶(hù)i對(duì)其他用
戶(hù)的沖突之和；當(dāng)sr0時(shí)，t/,(s,，s—,)=0;
(2.2) 定義一個(gè)策略選擇周期為各二級(jí)用戶(hù)輪流選擇一次傳輸信道的 過(guò)程，在一個(gè)策略選擇周期中，每個(gè)二級(jí)用戶(hù)輪流執(zhí)行步驟(2.1)，在得到 的可選信道中選擇使該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)t/,(^、)在其他二級(jí)用戶(hù)所選 信道不變的情況下達(dá)到最大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二 級(jí)用戶(hù)選擇停止傳輸；
(2.3) 如果該策略選擇周期的選擇結(jié)果與上一個(gè)策略選擇周期的選擇 結(jié)果不同，則重復(fù)步驟(2.1)至(2.2)繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)策略選擇周期，否 則，信道選擇結(jié)束，將上述步驟(2.2)得到的傳輸信道作為最佳信道。
本發(fā)明提出了一種接收機(jī)干擾模型下，可分布式實(shí)現(xiàn)的基于博弈論的 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)頻譜FDM分配方法，該方法可以準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)信道選擇問(wèn)題，同時(shí)在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中有效地進(jìn)行信道選擇，考慮了 一級(jí)用戶(hù)和二級(jí)用戶(hù)間的干擾限制，其目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的總干擾水平最小。
圖1為基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法如圖1所示，包括以 下步驟
步驟(l):初始化
(1. O確定系統(tǒng)參數(shù):一級(jí)用戶(hù)數(shù)M， 二級(jí)用戶(hù)數(shù)N，可用信道數(shù)K,發(fā) 射功率向量P,信干比門(mén)限向量r。
設(shè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的一級(jí)用戶(hù)數(shù)為M， 二級(jí)用戶(hù)數(shù)為N， FDM方式 下每個(gè)用戶(hù)只能選擇一個(gè)信道傳輸.二級(jí)用戶(hù)的序號(hào)為1到N， 一級(jí)用戶(hù)的 序號(hào)為N+l到N+M。設(shè)可用信道數(shù)為K，序號(hào)為1到K。用戶(hù)i由處于不 同位置的一對(duì)發(fā)射機(jī)Tj和接收機(jī)Rj組成。
定義發(fā)射功率向量/^tel/ ^0^+M)， /7,.表示用戶(hù)i的發(fā)射功率。
定義信干比門(mén)限向量r =I & 2 0}(w+A/), &表示用戶(hù)i的信干比門(mén)限。
即接收機(jī)Ri的信干比(Signal to Interference Ratio, SIR)必須保證大于幾.，如式
(2)所示，式(2)中其他變量的定義如后所述。
D(i，j)表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的干擾方程，定義如下 ..、fl如果用戶(hù)i，j使用相同的信道 ^
訓(xùn),="ww P'G"-々, (2)
(1.2) 通過(guò)測(cè)量或估計(jì)得到鏈路增益矩陣G 定義鏈路增益矩陣G = I 0}(iV+A/>^+M), q表示發(fā)射機(jī)Tj和接
收機(jī)Rj之間的鏈路增益，鏈路增益矩陣G可以通過(guò)測(cè)量或估計(jì)得到。
(1.3) 計(jì)算出沖突矩陣C
定義沖突矩陣C = I OS CJ ，表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的沖
突，如式(3)所示。當(dāng)H時(shí)，q的意義是若用戶(hù)i和用戶(hù)j選擇相同的信道， 接收機(jī)Rj接收到的來(lái)自發(fā)射機(jī)Ti的干擾功率，與接收機(jī)Rj在保證大于信干 比門(mén)限7,.的條件下允許的最大干擾功率的比值。當(dāng)這個(gè)比值大于1時(shí)，令 C,l。當(dāng)i,時(shí)，令C,O。
C =
、
min(l, ^^)-min(1， ^^L)，如果i# j
& 乂 &力 (3)/ 。
、0 如果i=j
步驟(2):確定一級(jí)用戶(hù)占用的固定信道
博弈的參與者是所有一級(jí)用戶(hù)和二級(jí)用戶(hù)的集合。定義用戶(hù)i的策略 Sie{0,l，2,...,K}， K為可用信道數(shù)；1《Si《K時(shí)，Si表示用戶(hù)i選擇的傳輸
信道的序號(hào)，Si-O表示用戶(hù)i選擇停止傳輸；由于一級(jí)用戶(hù)預(yù)先占用信道的
情況在信道選擇過(guò)程中不變，所以應(yīng)根據(jù)一級(jí)用戶(hù)預(yù)先占用信道情況，確
定一級(jí)用戶(hù)的固定策略Si， i=N+l，N+2,…,N+M。 步驟(3): 二級(jí)用戶(hù)輪流選擇最佳信道
用戶(hù)i的效用函數(shù)C/,(^^)是用戶(hù)i選擇的策略^和當(dāng)前所有其他用戶(hù) 選擇的策略^的函數(shù)，定義為<formula>formula see original document page 9</formula> (4)
t/,"，^)由2部分組成，第一部分的相反數(shù)2 cyx/，y)表示用戶(hù)i受 到其他用戶(hù)的沖突之和，第二部分的相反數(shù)j; cyx/,y)表示用戶(hù)i對(duì)其他
用戶(hù)的沖突之和。顯然，s產(chǎn)0時(shí)，[/,(&，^)=0。
如果對(duì)于一個(gè)博弈可以找到一個(gè)全局的潛在函數(shù)Pot滿(mǎn)足條件(5)，這 個(gè)博弈就是一個(gè)確定的潛在博弈。條件(5)的意義是單一參與者改變策略 后，其效用函數(shù)f/,(^、,)的變化量等于全局的潛在函數(shù)Pot的變化量。
<formula>formula see original document page 9</formula> (5)
式(5)中，^表示用戶(hù)i的另一個(gè)策略。
在潛在博弈中，如果參與者順序地采取盡可能地提高自己效用函數(shù)的 策略選擇方式，參與者的策略集將收斂到一個(gè)純策略納什均衡點(diǎn)，使得潛 在函數(shù)最大化。
對(duì)于采用效用函數(shù)(4)的信道分配博弈， 一個(gè)確定的潛在函數(shù)如式 (6)所示，其意義是網(wǎng)絡(luò)的總干擾水平的相反數(shù)
一,，0"St/,(仏)V/ (6) 定義一個(gè)策略選擇周期為各二級(jí)用戶(hù)輪流選擇一次傳輸信道的過(guò)程。
各二級(jí)用戶(hù)的可選信道滿(mǎn)足下列2個(gè)條件①在所選信道上傳輸可以達(dá)到
信干比門(mén)限要求，即該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第一部分"一Z c力"(/,y)"
不小于-l;②在所選信道上傳輸所產(chǎn)生的共道干擾不會(huì)使某一級(jí)用戶(hù)無(wú)法滿(mǎn) 足信干比門(mén)限要求，即每個(gè) 一 級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第 一部分脅w
"—Z 。,鄰,力"不小于-i。
在一個(gè)策略選擇周期中，每個(gè)二級(jí)用戶(hù)輪流在可選信道中選擇使該二 級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)t/,^,，^)在其他二級(jí)用戶(hù)所選信道不變的情況下達(dá)到最 大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二級(jí)用戶(hù)選擇停止傳輸；
如果一個(gè)策略選擇周期的選擇結(jié)果與上一個(gè)策略選擇周期的選擇結(jié)果 不同，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)策略選擇周期；否則，信道選擇結(jié)束。信道選擇 結(jié)束時(shí)，各二級(jí)用戶(hù)所選策略收斂到純策略納什均衡點(diǎn)，潛在函數(shù)達(dá)到最 大，即網(wǎng)絡(luò)的總干擾水平最小。
權(quán)利要求
1、一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法，其步驟包括步驟(1)確定一級(jí)用戶(hù)占用的固定信道定義用戶(hù)i的策略si∈{0，1，2，...，K}，K為可用信道數(shù)；1≤si≤K，si表示用戶(hù)i選擇的傳輸信道的序號(hào)，si＝0表示用戶(hù)i選擇停止傳輸；根據(jù)一級(jí)用戶(hù)預(yù)先占用信道情況，確定一級(jí)用戶(hù)的固定策略si，i＝N+1，N+2，…，N+M，其中，M為一級(jí)用戶(hù)數(shù)，N為二級(jí)用戶(hù)數(shù)；步驟(2)二級(jí)用戶(hù)按照下述過(guò)程輪流選擇最佳信道(2.1)按照下述條件確定各二級(jí)用戶(hù)的可選信道①在所選信道上傳輸可以達(dá)到信干比門(mén)限要求，即該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第一部分 id="icf0001" file="A2008100482800002C1.tif" wi="39" he="12" top= "139" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>不小于-1；②在所選信道上傳輸所產(chǎn)生的共道干擾不會(huì)使某一級(jí)用戶(hù)無(wú)法滿(mǎn)足信干比門(mén)限要求，即每個(gè)一級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)的第一部分 id="icf0002" file="A2008100482800002C2.tif" wi="39" he="12" top= "167" left = "40" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>不小于-1；其中，一、二級(jí)用戶(hù)i的效用函數(shù)Ui(si，s-i)是用戶(hù)i選擇的策略si和當(dāng)前所有其他用戶(hù)選擇的策略s-i的函數(shù)，定義為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>s</mi><mrow> <mo>-</mo> <mi>i</mi></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>+</mo><mi>N</mi> </mrow></munderover><msub> <mi>C</mi> <mi>ji</mi></msub><mi>D</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>+</mo><mi>N</mi> </mrow></munderover><msub> <mi>C</mi> <mi>ij</mi></msub><mi>D</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>∀</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中，Cij表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的沖突，其計(jì)算公式為pi表示用戶(hù)i的發(fā)射功率，γi表示用戶(hù)i的信干比門(mén)限，Gij表示發(fā)射機(jī)Ti和接收機(jī)Rj之間的鏈路增益；D(i，j)表示用戶(hù)i對(duì)用戶(hù)j的干擾方程，定義如下式(I)中，第一部分 id="icf0006" file="A2008100482800003C3.tif" wi="39" he="12" top= "112" left = "73" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的相反數(shù)表示用戶(hù)i受到其他用戶(hù)的沖突之和，第二部分 id="icf0007" file="A2008100482800003C4.tif" wi="37" he="12" top= "128" left = "80" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的相反數(shù)表示用戶(hù)i對(duì)其他用戶(hù)的沖突之和；當(dāng)si＝0時(shí)，Ui(si，s-i)＝0；(2.2)定義一個(gè)策略選擇周期為各二級(jí)用戶(hù)輪流選擇一次傳輸信道的過(guò)程，在一個(gè)策略選擇周期中，每個(gè)二級(jí)用戶(hù)輪流執(zhí)行步驟(2.1)，在得到的可選信道中選擇使該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)Ui(si，s-i)在其他二級(jí)用戶(hù)所選信道不變的情況下達(dá)到最大的傳輸信道，如果可選信道的集合為空，該二級(jí)用戶(hù)選擇停止傳輸；(2.3)如果該策略選擇周期的選擇結(jié)果與上一個(gè)策略選擇周期的選擇結(jié)果不同，則重復(fù)步驟(2.1)至(2.2)繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)策略選擇周期，否則，信道選擇結(jié)束，將上述步驟(2.2)得到的傳輸信道作為最佳信道。
全文摘要
本發(fā)明屬于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源管理技術(shù)，是一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法。其步驟為①確定一級(jí)用戶(hù)占用的固定信道；②每個(gè)二級(jí)用戶(hù)輪流在可選信道中選擇使該二級(jí)用戶(hù)的效用函數(shù)在其他二級(jí)用戶(hù)所選信道不變的情況下達(dá)到最大的傳輸信道直至收斂，如果可選信道的集合為空，該二級(jí)用戶(hù)選擇停止傳輸。各二級(jí)用戶(hù)的可選信道滿(mǎn)足在所選信道上傳輸可達(dá)到信干比門(mén)限要求；在所選信道上傳輸所產(chǎn)生的共道干擾不會(huì)使某一級(jí)用戶(hù)無(wú)法滿(mǎn)足信干比門(mén)限要求。本發(fā)明可準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)信道選擇問(wèn)題，并有效地進(jìn)行信道選擇，考慮了一、二級(jí)用戶(hù)間的干擾限制，目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的總干擾水平最??；本發(fā)明所提出的算法可分布式實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04B1/707GK101321388SQ200810048280
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者干 劉, 亮 周, 鑫 周, 旭 朱, 朱光喜, 莉 馬 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)