一种基于博弈论的认知无线电网络带宽、功率联合分配方法

摘要

本发明公开一种认知无线电网络中带宽、功率联合分配方法，属于认知网络领域。本发明特点在于：主、从用户建立协作传输机制，主用户划分部分频带用于主从用户协作传输，其余频带用于从用户实现自身通信需求；从用户划分部分发送功率用于数据转发，其余部分用于实现自身通信需求。本发明确定主从用户为博弈参与者，主用户的共享频谱与从用户的转发功率为策略空间，建立主从用户的收益函数。通过求解博弈模型纳什均衡解，得到频谱与功率联合分配的最优策略。本发明可以有效实现频谱资源与功率资源共享，提高频谱利用率与网络容量。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是认知无线电主从用户协作通信方法。

背景技术

随着信息时代的到来，无线网络在国家经济发展中发挥着越来越重要的 战略作用，并且已渗透到社会的各个领域中。无线技术的飞速发展使得无线 网络呈现出高速化、宽带化、异构化等特点，同时也带来了一系列严峻的挑 战，其中最为紧迫的即是用户对频谱资源需求的不断增长。传统的固定频谱 分配方法导致部分频带竞争异常激烈，频谱资源严重匮乏，而另一方面，部 分频段大量已分配频谱未能充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高频 谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线 电技术近年来受到广泛关注。

认知无线电系统采用基于软件无线电技术的认知无线电终端，能够动态 感知可用频谱，执行软硬件重配置，在不影响授权用户（主用户）正常通信 情况下动态、智能接入空闲频谱，进行数据传输，从而可有效实现频谱资源 共享，提高频谱利用率，解决频谱资源稀缺的问题。

协作通信技术通过用户之间的协同传输，可有效提高网络容量和数据传 输质量，并降低终端传输功率。认知网络中采用协作通信技术能够使网络中 不同的用户在共享频谱资源的情况下，通过分布式协作实现传输性能增强及 频谱利用率的提高。

目前已有研究考虑认知无线网络中协作通信的问题。文献[XiaowenGong, WeiYuan,WeiLiu,Wenqing Cheng,ShuWang.Acooperative relay scheme for  secondary communication in cognitive radio networks.IEEEGLOBECOM, November2008,pp.1-6.]提出了一种旨在提高从用户接收端SINR的认知网络 协作中继机制，通过采用中继节点，可有效降低从用户发射功率，减弱对主 用户的干扰。

文献[WeifengSu,JohnD.Matyjas and Stella Batalama.Active cooperation  between primary users and cognitive radio users in heterogeneous ad-hocnetworks. IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING,VOL.60,NO.4,APRIL 2012,pp.1796-1805.]中提出一种主从用户协同机制，从用户占用部分主用户频 谱为主用户进行中继转发，在满足主用户数据传输速率前提下，确定从用户 可用频谱，通过优化功率分配方案以实现从用户传输速率的最大化。该方法 仅考虑从用户发送功率的优化以实现其传输速率最大化，未考虑从用户频谱 优化分配及主用户收益，无法实现主从用户联合性能优化。

针对以上问题，本专利提出了一种认知无线电网络中主从用户带宽及功 率联合分配的方法，通过建模主从用户非合作博弈模型，求解博弈模型，实 现主用户优化带宽分配及从用户优化功率分配。

发明内容

针对现有认知无线网络中频谱、功率分配存在的上述技术难题，本发明 提出一种基于非合作博弈理论的认知协作网络频谱共享及功率分配算法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为，认知网络中主从用户可组建协 作通信模式，主用户通过分配一部分可利用带宽给从用户，使得从用户能够 顺利传输自身的数据；从用户分配一部分可利用的功率转发主用户的数据， 以建立以主用户为信息发送主体，从用户为中继的协作通信网络。基于非合 作博弈论，建立以主用户带宽分配与从用户功率分配为策略空间的非合作博 弈模型，求解模型的纳什均衡解，确定主从用户带宽与功率的联合优化分配 方案。具体技术方案如下：

一种认知无线电网络中基于博弈的带宽、功率联合分配方法，其特征在 于：将主、从用户通信时段划分为两个等长时段T，主用户划分部分频带用于 主、从用户协作传输，其余频带用于从用户实现自身通信需求；从用户划分 部分发送功率用于协作主用户数据转发，其余部分用于实现自身通信需求， 其中，第一个T时段主用户占用频带W₁发送信息至接收端，第二个T时段从 用户占用频带W₁以从用户协作转发功率P₁为主用户转发信息至接收端，从用 户占用频带W₂实现自身通信，在第一个T时段从用户发送功率为P，第二个T 时段从用户发送功率为P₂；调用公式：U_cu(P₁,W₂)=N_cu(P₁,W₂)-C_cu(P₁)建立主、 从用户非合作博弈模型计算从用户的效用函数，优化求解模型，满足关系 $U_{\mathrm{pu}}(P_1^{*},W_2^{*})\ge U_{\mathrm{pu}}(P_1,W_2^{*}),$$U_{\mathrm{cu}}(P_1^{*},W_2^{*})\ge U_{\mathrm{cu}}(P_1^{*},W_2)$时，其Nash均衡解中为协作主用户数据转发所采用的最优发送功率，为从用户实现自身通信需 求的最优频带，其中，$0\le P_1,P_1^{*}\le P,0\le W_1,W_1^{*}\le W,U_{\mathrm{pu}}(P_1,W_2^{*})$表示主用户采用 发送功率P₁，从用户采取带宽时，对应主用户的效用函数值，表 示主用户采用最优发送功率从用户自身传输带宽为W₂时，对应从用户的 效用函数值。

更进一步地，建立主、从用户非合作博弈模型具体为：根据主用户收益 因子α_pu，根据公式：确定主用户收益函数N_pu(W₂)，根 据采用协作模式后主用户的传输速率主用户未参与协作传输时的传输速 率调用公式：计算主用户成本函数C_pu(P₁,W₂)， 根据公式：U_pu(P₁,W₂)=N_pu(W₂)-C_pu(P₁,W₂)确定主用户效用函数；根据从用户未 采用协作传输机制时的传输速率从用户采用协作传输时的传输速率 调用公式：计算从用户收益函数，根据公式： 确定从用户成本函数C_cu(P₁)，根据从用户收益函数和从用 户成本函数，调用公式：U_cu(P₁,W₂)=N_cu(P₁,W₂)-C_cu(P₁)计算从用户的效用函数。 其中，T为总传输时间，U_pu(P₁,W₂)和U_cu(P₁,W₂)分别表示主、从用户采取发送 功率P₁及带宽W₂时所对应的主、从用户的效用函数值。

优化求解非合作博弈模型具体为：固定从用户协作转发功率P₁，令 得W₂=f₁(P₁)为对应主用户效用函数最优的从用户自身传输带 宽值W₂；固定从用户自身传输带宽W₂，令得P₁=f₂(W₂)为对应 从用户效用函数最优的从用户功率值P₁；联立两式：W₂=f₁(P₁)及P₁=f₂(W₂)， 获得博弈模型纳什均衡解其中，f₁(P₁)表示当从用户分配功率P₁用 于为主用户转发数据时，主用户的最优频谱分配函数；f₂(W₂)表示当主用户分 配频带W₂用于从用户自身数据传输时，从用户的最优功率分配函数

本发明基于博弈理论解决了认知无线网络中主从用户的带宽、功率联合 分配问题。可以有效实现主从用户资源共享及协同传输；通过建模主、从用 户博弈模型，定义主从用户频谱共享协作传输导致的收益及成本，可得到对 应主、从用户优化效用函数的带宽、功率联合分配方案，从用户发送功率和 带宽利用两个方面进行优化，实现主、从用户联合性能优化，实现数据传输。

附图说明

图1（a）主用户频谱划分图，图1（b）从用户功率划分图；

图2认知无线电协作网络模型示意图；

图3基于博弈理论的认知无线电网络主从用户频谱功率分配流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附 图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明所实现的主从用户协作机制带宽、功率分配示意图。 其中，（a）主用户频谱划分图，（b）从用户功率划分图。

根据主用户自身通信以及从用户协作转发带宽W₁，从用户实现自身传输 需求带宽W₂，确定主用户带宽总量W=W₁+W₂，0≤W₁,W₂≤W；根据从用户为主 用户转发数据功率P₁，从用户传输自身数据功率P₂，确定从用户的总发射功率 为P=P₁+P₂且0≤P₁,P₂≤P；将主从用户通信时段2T划分为两个等长时段T，第 一个T时段主用户占用频带W₁发送信息至其接收端，第二个T时段从用户占 用频带W₁以功率P₁为主用户转发信息至主用户接收端，整个2T时段，从用户 占用频带W₂实现自身传输需求，其中，在第一个T时段从用户发送功率为P， 第二个T时段从用户发送功率为P₂。

主用户传输数据至接收端时段，及从用户转发主用户信息至主用户接收 端时段。从用户为主用户执行数据转发阶段，划分部分发送功率用于数据转 发，其余部分用于实现自身通信需求。

图2：认知无线电协作网络模型示意图。

根据所主从用户协作机制，确定博弈模型局中人为一组已建立了协作传 输机制的主、从用户PU与CU，构成博弈参与者集合p=(PU，CU)；划分给 从用户的带宽量W₂，0≤W₂≤W，主用户策略空间为[0,W]；从用户给主用户提 供协作传输的功率P₁。由于0≤P₁≤P，因此主用户的策略空间为[0,P]。

（1）博弈局中人为认知网络中一组主从用户，即主用户（PU）及与其协 作的从用户（CU），构成博弈局中人集合p=(PU，CU)。

（2）给定主用户总带宽量W=W₁+W₂，0≤W₁,W₂≤W，其中，W₁用于主用 户自身通信以及从用户协作转发，W₂用于从用户实现自身传输需求。主用户 策略为确定划分给从用户的带宽量W₂。

（3）给定从用户的总发射功率为P=P₁+P₂，0≤P₁,P₂≤P，其中，P₁用于从 用户为主用户进行协作传输，P₂用于从用户传输自身数据。从用户的策略为 确定其为主用户提供协作传输的功率P₁。

（4）主从用户效用函数集U=(U_pu(P₁,W₂),U_cu(P₁,W₂))，其中，U_pu(P₁,W₂)为主 用户效用函数，U_cu(P₁,W₂)为从用户效用函数。

（5）根据各博弈要素，可建模主从用户非合作博弈论模型： S={p,(W₂,P₁),U}。具体为：

根据主用户收益因子α_pu，根据公式：确定主用户收 益函数N_pu(W₂)，其中，σ_pu与δ_pu为常数，描述主用户收益曲线的斜度与拐点； 根据采用协作模式后主用户的传输速率调用公式：

T计算主用户成本函数C_pu(P₁,W₂)，即主用户采用协作传 输模式所导致其性能下降，其中，表示主用户未采用协作传输时的传输速 率，$R_{\mathrm{pu}}^{\left(\mathrm{nc}\right)}={W\log }_2(1+\frac{P_0|{h_{s,d}|}^2}{{\mathrm{W\sigma }}^2}),$

$R_{\mathrm{pu}}^{\left(\mathrm{co}\right)}=\frac{W_1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_0{{|h}_{s,d}|}^2}{W_1{\sigma }^2}+\frac{P_0{P}_1{\left|h_{s,r}\right|}^2|{h_{r,d}|}^2}{W_1{\sigma }^2(P_0{{|h}_{s,r}|}^2+P_1{{|h}_{r,d}|}^2+W_1{\sigma }^2)}),$其中，P₀为主用户的传输 功率，h_s,d为主用户与接收端间的信道增益，h_s,r为主用户与从用户间的信道增 益，h_r,d为从用户与主用户接收端间的信道增益，σ²为接收端噪声功率，T为 传输时间。根据公式：U_pu(P₁,W₂)=N_pu(W₂)-C_pu(P₁,W₂)确定主用户效用函数。

根据从用户收益函数和从用户成本函数，调用公式： U_cu(P₁,W₂)=N_cu(P₁,W₂)-C_cu(P₁)计算从用户的效用函数。其中，N_cu(P₁,W₂)为从用 户收益函数，即从用户采用协作传输机制所获得收益，根据从用户未采用协 作传输机制时的传输速率采用协作传输模式从用户的传输速率调用 公式：计算从用户收益函数，其中， $R_{\mathrm{cu}}^{\left(\mathrm{nc}\right)}=W_2{\log }_2(1+\frac{P{\left|h_{\mathrm{cu}}\right|}^2}{W_2{\sigma }^2}),$$R_{\mathrm{cu}}^{\left(\mathrm{co}\right)}=W_2{\log }_2(1+\frac{P_2{{|h}_{\mathrm{cu}}|}^2}{W_2{\sigma }^2}).$其中，h_cu为从用户与其接收 端间的信道增益。根据公式：确定从用户成本函数C_cu(P₁)， 即采用协作传输机制从用户分配功率P₁用于为主用户转发数据所支付代价，其 中，β_cu为从用户成本因子，σ_cu和δ_cu为常数，描述从用户成本曲线的斜度与拐 点。

优化求解博弈模型，其中与分别表示当主从用户均 采用最优策略时，各自所取得的效用；表示主用户采用发送功率P₁（可能为非最佳策略），从用户采取最佳带宽时，对应主用户的效用函数值； 表示主用户采用最优发送功率从用户采用带宽W₂（可能为非最 佳策略）时，对应从用户的效用函数值。

求解上述博弈模型步骤如下：

（1）给定从用户协作转发功率P₁，求解对应主用户效用函数最优的从用 户自身传输带宽值W₂，即：令可得W₂=f₁(P₁)。其中，f₁(P₁)表 示当从用户分配功率P₁给主用户时，主用户的最优频谱分配函数，即对应主用 户效用最大的分配策略。

（2）给定从用户自身传输带宽值W₂，求解对应从用户效用函数最优的从 用户功率值P₁，即：令可得P₁=f₂(W₂)。其中，f₂(W₂)表示当主 用户分配W₂给从用户时，从用户的最优功率分配函数，即使得从用户效用最 大的分配策略。

（3）联立两式：W₂=f₁(P₁)及P₁=f₂(W₂)，并求解可得对应主从用户效用 函数U_pu(P₁,W₂)，U_cu(P₁,W₂)最优的一组带宽和功率即为最优化带宽、 功率分配方案。

图3为本发明认知无线电网络主从用户频谱功率分配流程示意图。包括 如下步骤：

301：网络中主用户和认知用户建立协同通信关系；

302：主用户和从用户建立非合作博弈模型，构成了博弈参与者集合 p=(PU,CU)；

303：确定博弈参与人的策略空间

主用户的策略为参量W₂。

给定主用户带宽总量W=W₁+W₂，0≤W₁,W₂≤W，W₁用于整个主用户自身通 信及从用户协作转发，W₂分配给从用户用于实现自身数据传输，主用户策略 为确定划分给从用户的带宽量W₂。

从用户的策略为参量P₁。

给定从用户的总发射功率，其中，P₁用于从用户为主用户进行协作传输， P₂用于从用户传输自身数据。从用户的策略为确定其为主用户提供协作传输功 率P₁。

304：建立博弈模型中主用户的效用函数U_pu(P₁,W₂)

调用公式：U_pu(P₁,W₂)=N_pu(W₂)-C_pu(P₁,W₂)确定博弈模型的效用函数。其中 N_pu(W₂)为主用户收益函数，C_pu(P₁,W₂)为主用户代价函数。

305：建立网络中主用户的收益函数N_pu(W₂)和代价函数C_pu(P₁,W₂)

a)调用公式计算主用户的收益函数，其中α_pu为 主用户收益因子，σ_pu与δ_pu为常数，描述主用户收益曲线的斜度与拐点。

b)调用公式T计算主用户的代价函数，其中 $R_{\mathrm{pu}}^{\left(\mathrm{co}\right)}=\frac{W_1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_0{{|h}_{s,d}|}^2}{W_1{\sigma }^2}+\frac{1}{W_1{\sigma }^2}\frac{P_0{P}_1{{|h}_{s,r}|}^2{\left|h_{r,d}\right|}^2}{P_0{{|h}_{s,r}|}^2+P_1{{|h}_{r,d}|}^2+W_1{\sigma }^2})$为采用协作模式后主用户的 传输速率，表示主用户未参与协作传输时的速率。其中， P₀为主用户的传输功率，h_s,d为主用户与接收端间的信道增益，h_s,r为主用户与 从用户间的信道增益，h_r,d为从用户与主用户接收端间的信道增益，σ²为接收 端噪声功率，T为传输时间。

306：建立博弈模型中从用户的效用函数U_cu(P₁,W₂)

调用公式：U_cu(P₁,W₂)=N_cu(P₁,W₂)-C_cu(P₁)确定博弈模型的效用函数。其中， N_cu(P₁,W₂)为从用户收益函数，C_cu(P₁)为从用户代价函数。

307：获取网络中从用户的收益函数N_cu(P₁,W₂)和代价函数C_cu(P₁)

a)调用公式计算从用户的收益函数，其中， 为从用户在W₂上第一个时间T上以完整功率传输速率， 为从用户在W₂上第二个时间T上的传输速率。

b)调用公式计算从用户的代价函数，其中，β_cu为 从用户成本因子，σ_cu和δ_cu为常数，描述从用户收益曲线的斜度与拐点。

308：优化求解博弈模型的纳什均衡解

（1）给定从用户协作转发功率P₁，求解对应主用户效用函数最优的从用 户自身传输带宽值W₂，即：令可得W₂=f₁(P₁)。

（2）给定从用户自身传输带宽值W₂，求解对应从用户效用函数最优的从 用户功率值P₁，即：令可得P₁=f₂(W₂)。

（3）联立两式：W₂=f₁(P₁)及P₁=f₂(W₂)，可得博弈模型纳什均衡解对应主从用户效用函数U_pu(P₁,W₂)，U_cu(P₁,W₂)联合优化，即为优化带宽、功率 分配方案。

通过上述带宽分配方法获得的带宽、功率为最优带宽、功率。