一种基于联盟博弈的能量采集小基站资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于联盟博弈的能量采集小基站资源分配方法。首先构建了能量采集小基站的模型，邻近的小基站之间采用传输线连接以进行信息交换和能量传递。然后将小基站的能量共享以及时间分配问题建立为非重叠的联盟博弈，其中具有能量采集能力的小基站作为博弈的参与者，策略为加入的联盟，每个小基站的效用函数定义为小基站在加入联盟中所分得的时间内传输信息的频谱效率，而每个联盟的效用为加入联盟的小基站效用之和。本方案可通过传输线交换信息和共享能量；加入同一联盟内的小基站共享传输时间以及采集的能量，满足转移条件的小基站可以在联盟之间转移，以提高自身和联盟总的效益，实现系统效用最大化。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于联盟博弈的能量采集小基站资源分配方法。

背景技术

无线通信系统由于其能为移动设备提供通信服务，特别能适应地形比较难以铺设线路的场景。一方面，为了能够绿色节能地实现为移动用户提供服务的目标，能量采集基站一直是通信领域热门的研究点。另一方面，随着5G时代的到来，为了能够实现全方位覆盖，密集小基站组网也是值得投入经精力的领域。由于频谱资源的稀缺性，在密集小基站网络中都会采用频谱复用技术，这种方法带来的问题是造成了小基站之间的干扰，可以采用优化算法加以控制。

在小基站网络中，由于能使用低功率为用户提供接入服务，因此非常适合与能量采集技术相结合，使用采集的自然能量(如太阳能、风能等)为用户提供服务，同时采用优化算法优化资源分配以提高系统性能。在现有的小基站优化算法中，比较常见的使用博弈论非合作式地优化自身的发射功率、信道分配等资源，这种方法站在个体角度考虑自身效益优化资源，提高个人收益。目前比较热门的研究算法是合作式的博弈算法，例如联盟博弈，不仅考虑个人效益，还同时考虑集体的效益，增加系统的性能，能够有效利用频谱等资源。

因此对于能量采集小基站网络下行场景，本发明将能量采集技术与小基站相结合，建立能量可转移的小基站场景，在一定范围内的小基站可以通过传输线交换信息和共享能量。同时，考虑采用联盟博弈对小基站传输的时间以及功率进行优化，加入同一联盟内的小基站共享传输时间以及采集的能量，满足转移条件的小基站可以在联盟之间转移，以提高自身和联盟总的效益，实现系统效用最大化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是给出一种能量采集小基站网络中能够利用采集能量提供服务，通过联盟博弈算法减少同层干扰进而提高吞吐量，保证系统总容量的资源分配方法。

技术方案：本发明的基于联盟博弈的能量采集小基站网络资源分配方法，包括以下步骤：

1)联盟结构初始化

1.1)定义模型中小基站集合为{SC}＝{1,2,...,N}，小基站用户集合为{SUE₁,SUE₂,...,SUE_N}，小基站传输线设立的范围距离门限是d_th，相互距离在门限以内的小基站之间可以通过传输线通信以及能量交互，模型中设所有小基站共用同一信道，彼此间产生干扰，小基站的时隙长度为T；

1.2)初始时每个小基站都各自形成一个联盟，联盟内只有该小基站一个成员，联盟结构为{CS}₀＝{S₁,S₂,S₃,...,S_N}，小基站i将上个时隙采集到的能量E_i作为该时隙能使用的能量，能量在整个时隙上均匀使用，计算出小基站功率为P_i＝E_i/T，根据采集到的信道信息，带入公式和可以得到小基站i的频谱效率其中，S_k为小基站SBS_i所属的联盟，P_i为小基站SBS_i的发射功率，G_i,i为小基站SBS_i到其所服务的用户SUE_i的信道增益，为与小基站SBS_i不同联盟的小基站SBS_j对用户SUE_i产生的同信道干扰，No为噪声功率谱密度，B代表的是信道的带宽，因此No*B为噪声功率，小基站在联盟S_k中分得的传输时间为在这里小基站i占用全部传输时间，因此

1.3)联盟结构初始化完成；

2)联盟博弈算法调整联盟结构

2.1)初始联盟结构{CS}₀＝{S₁,S₂,S₃,...,S_N}，能量采共享策略时间共享策略为{Γ_CS}₀＝{Γ_cs1,Γ_cs2,...,Γ_csN}＝{{T},{T},...,{T}}，根据公式：

v(S_k,CS,Γ_CS,E_CS)＝x_i(S_k,CS,Γ_CS,E_CS)

分别计算初始联盟的小基站个人效用各联盟效用以及该联盟结构总效用同时初始化历史选择集合{H_i(t)}_i∈N，记录用户对各联盟的选择，令t＝1，

2.2)小基站i所属联盟设为S_k，该小基站依次向联盟集合申请接入，其中{S_j'}＝{S_j}∪i，根据时间以及能量共享均分的原则，该联盟内小基站的发射功率以及传输时间可调整为和根据个人效用、联盟效用，以及联盟总效用的公式求得小基站i加入后的三种效用{x_i}^t、

2.3)检查效用是否满足：(1)(2)(3)(4)若满足前三项要求，则检查H_i(t)是否与{H_i(1),H_i(2),...,H_i(t)}其中某一个有相同数值，即检查本次选择的联盟是否曾经接入并离开过，若无相同数值，则不曾加入过该联盟，记H_i(t+1)＝S_j，联盟结构为否则本次申请被拒绝，联盟结构还原为算法跳到步骤2.2向下一个联盟执行；

2.4)执行步骤2.3后，当对每一个小基站向每一个可以申请的联盟都尝试接入后，令检查此时的联盟{CS}_t是否与{CS}_t-1相同；如果不相同，t＝t+1，算法跳至2.2继续执行，如果相同，则本联盟博弈算法结束，最终联盟结构为{CS}_t，根据相应的能量共享策略{E_CS}_t和时间共享策略{Γ_CS}_t，小基站调整发射功率。

本发明基于采集能量可转移小基站网络的单层网络场景，对小基站网络的传输时间以及传输能量做出合理安排。首先建立能量采集小基站下行网络场景，在一定范围内小基站可以采用传输线进行通信和能量传输，后面说明的优化算法也只在该范围内进行。

本发明方法利用合作博弈理论建非重叠合作博弈模型，博弈的参与者为小基站，策略为联盟结构中的联盟集合，效用函数定义为小基站在联盟中的频谱效率。加入联盟后，联盟内小基站可以通过平分传输时间和传输能量获得时间共享策略和能量共享策略。小基站通过联盟博弈加入使个人效益、联盟效益以及联盟总效益增加的联盟，即考虑了个人的服务能力，也同时增加了整个小基站网络的容量。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、将时兴的能量采集技术与小基站网络结合，考虑采集的能量为用户提供服务，绿色节能，建立起采集能量可转移的小基站模型，并将小基站的资源分配问题构建为一个以优化小基站网络总频谱效率的优化问题。

2、不同于常用于无线网络资源分配的非合作博弈模型，本发明采用合作博弈模型优化小将小基站网络划分为多个联盟，统一联盟内的小基站共享传输时间和传输能量。为了保证小基站在各联盟之间转移时效益增加，还设立了转移条件和历史转移集合，只有在满足条件的基础上才能进行转移。联盟博弈考虑了个人和集体的效用，因此有效提高网络整体的效益。

附图说明

图1为能量采集小基站网络下行模型图。

图2为本发明方法的流程示意图。

图3、图4、图5，图6为能量采集小基站网络中小基站和系统的频谱效率的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实例和说明书附图1、2对发明的技术方案进行详细说明：

本发明利用联盟博弈对能量采集小基站网络中各小基站传输的时间资源和能量资源进行优化：首先建立能量采集小基站下行网络模型，根据设定的小基站通信距离得出每个小基站可通信的小基站集合，联盟内小基站之间的距离要小于通信距离，因此联盟内的小基站应该在可通信的小基站集合内；利用合作博弈中的非重叠联盟博弈算法将小基站网络划分为多个联盟，联盟内小基站共享传输时间和传输能量。为了能够实现小基站在联盟之间转移时个人及系统效用不受损失，博弈还建立了转移准则，只有在满足准则的条件下，小基站才能脱离当前的联盟，进入选择的联盟中；此外，由于小基站能量在转移前后产生变化，有可能出现小基站在两个联盟之间循环的情况，为了解决这种情况本发明设立了历史转移集合以记录曾经加入过的基站防止重复接入同一联盟。

本发明研究的能量采集小基站网络下行场景如图1所示，基于联盟博弈的能量采集小基站网络资源分配方法的总体流程图见附图2。

本发明的一种基于联盟博弈的能量采集小基站网络资源分配方法，包括以下步骤：

1)联盟结构初始化

1.1)定义模型中小基站集合为{SC}＝{1,2,...,N}，小基站用户集合为{SUE₁,SUE₂,...,SUE_N}，每个小基站只为一个用户提供服务，小基站传输线设立的范围距离门限是d_th，得到小基站的邻近小基站集合{CD_i}_i∈N，相互距离在门限以内的小基站之间可以通过传输线通信以及能量交互，模型中设所有小基站共用同一信道，彼此间产生干扰，小基站的时隙长度为T；

1.2)初始时每个小基站都各自形成一个联盟，联盟内只有该小基站一个成员，联盟结构为{CS}₀＝{S₁,S₂,S₃,...,S_N}，小基站i将上个时隙采集到的能量E_i作为该时隙能使用的能量，能量在整个时隙上均匀使用，计算出小基站功率为：

P_i＝E_i/T>

从基站发射到用户接收的信号会经过一段距离，产生衰落，衰落的大小与两者之间的距离d有关。本方法中采用的衰落模型的衰落公式如下：

(1)小基站到小基站用户的衰落

当d＞15时，

PL(dB)＝60+25*log10(15)+40*log10(d-15)+10 (2)

当d≤15时，

PL(dB)＝40+25*log10(d)+10 (3)

由信道衰落可以获得用户的信道增益。小基站i到小基站j的用户的信道增益为G_i,j。小基站的集合为i,j∈{1,2,...,N}。

小基站用户i受到来自另一小基站j的干扰，表示形式如下：

Ig_i,j＝P_j*G_j,i>

根据采集到的信道信息以及干扰信息，可以求出小基站在联盟S_k中时的信干噪比，带入公式：

其中，S_k为小基站SBS_i所属的联盟，P_i为小基站SBS_i的发射功率，G_i,i为小基站SBS_i到其所服务的用户SUE_i的信道增益，为与小基站SBS_i不同联盟的小基站SBS_j对用户SUE_i产生的同信道干扰，No为噪声功率谱密度，B代表的是信道的带宽，因此No*B为噪声功率，小基站在联盟S_k中分得的传输时间为将信干噪比和传输时间带入公式：

可以得到小基站i的频谱效率其中为信干噪比和是在联盟S_k中小基站i占用的传输时间。在初始化中小基站i占用全部传输时间，因此

1.3)联盟结构初始化完成；

2)联盟博弈算法调整联盟结构

2.1)根据步骤1)中获得的联盟结构以及能量共享策略和时间共享策略，本发明能量采集小基站的传输时间以及能量构建为一个非重叠的联盟博弈。

本发明中的非重叠联盟即一个小基站只能属于一个联盟。定义一个非重叠式联盟S_i，且为一个非空的子集，即满足和i≠m。假设N个小基站总共形成M个联盟，则这M个联盟构成一个联盟结构CS，且CS＝{S₁,...,S_M}。联盟博弈模型中将N个小基站作为参与者，小基站通过选择加入联盟来调整自身发射信号的时间。当形成联盟S_k时，联盟内的基站协商共享传输时间T，也即获得该联盟的时间共享策略此后若联盟结构稳定，小基站将按照时间共享策略Γ_CS调整发射信号功率传输信息。联盟S_k的时间共享策略从公平性出发，设联盟内的小基站均分传输时间，则联盟S_k的时间共享策略为：

其中，|S_k|为联盟S_k中的小基站数，每个小基站传输时间相等，均为T/|S_k|，每个小基站按照接入联盟的顺序依次占用信道发送信息。由此可见，联盟内每个小基站在不同的时间段上占用信道，互相之间不存在干扰，而不同联盟之间存在干扰，因此与不形成联盟相比，联盟博弈可以使小基站网络的干扰大大降低。

已知小基站采集的能量集合为{E₁,E₂,E₃,...,E_N}，在联盟S_k中小基站i的能量共享策略为：

其中为联盟内小基站采集的总能量，每个小基站均分总能量。由于采用的传输线由于收发端设备和线路的损耗，实际在每个小基站的能量与公式(8)计算的并不相同，根据采集的能量和能量共享策略的关系可分为以下两种情况：

(1)即采集的能量不小于它发送信息时应使用的能量，它将把多余的能量传送给联盟内其他小基站。这时在传输中使用的能量就为发射功率为：

(2)即采集的能量小于它发送信息时应使用的能量，它将接收来自其他用户的能量用于传输，由于能量传送损耗，这时可用的能量为：

其中，η为能量的传送损耗系数，0＜η＜1，为联盟内其他小基站传给该基站的能量。因此，小基站的发射功率为

小基站SBS_i受到的干扰与时间共享策略和能量共享策略都有关，可表示为：

小基站的信干噪比为：

因此小基站SBSi的频谱效率也是时间共享策略和能量共享策略的函数，表示为：

综上，小基站根据时间共享策略Γ_CS和能量共享策略E_CS调整发射功率，完成信息传输。

本发明对能量采集小基站网络建立具有转移效用的联盟博弈模型，将小基站作为博弈的参与者，式(13)作为博弈的效用函数。定义一个带转移效用(TU)的联盟博弈G＝(N,v)，其中N为小基站的集合，即博弈的参与者，v表示联盟结构CS中每个联盟的效用，可表示为：

并且每个小基站单独的效用定义为：

考虑能量的传输损耗与收发节点之间距离有一定关系，联盟内部各小基站之间的距离必须加以限制。因此在形成联盟的时候，为小基站之间的距离定义一个门限d_th，即加入联盟的小基站i与联盟内任一小基站的距离d_i,j都不大于d_th。若存在小基站j使得d_i,j＞d_th，则联盟无法结成。因此，联盟S_k的效用为：

其中，

联盟博弈G＝(N,v)在联盟结构CS下，已知时间共享策略Γ_CS和能量共享策略E_CS，系统的总效用为所有联盟的效用之和，也即系统中所有小基站的效用之和：

为了比较转移前后两种联盟结构的优劣，保证用户在转移后个人和系统的效用，还需要设立小基站转移准则。设当前的联盟结构为CS＝{S₁,S₂,S₃,...,S_M}，其中小基站SBSi∈S_k要从当前联盟S_k转移到另一个联盟S_n，即联盟结构转变为CS′＝{CS{S_k,S_n}}∪{S_k{i}}∪{S_n∪{i}}，要转移成功必须满足如下转移准则＞_S：

其中，＞_s转移准则表示只有在满足以上三个效用条件时才能从当前联盟S_k转移到另一个联盟S_n。每个条件的解释如下：

(1)小基站离开当前联盟到另一个联盟后，小基站个人效用要有所增加；

(2)小基站离开当前联盟到另一个联盟后，加入的联盟的效用要大于未加入前的效用；

(3)小基站离开当前联盟到另一个联盟后，新的联盟结构对应的系统总效用必须大于原来的联盟结构的系统总效用。

为了解决小基站在联盟内来回切换的问题，本发明在小基站转移过程中为其定义一个历史选择集合{H_i(t)}_i∈N，H_i(t)表示小基站i在第t次转移时选择的联盟。在满足上述三个转移条件的基础上，小基站转移的目标联盟H_i(t)必须与{H_i(1),H_i(2),H_i(3),...,H_i(t-1)}都不相同，才能够使得小基站从联盟H_i(t-1)转移到H_i(t)的联盟中，即小基站只能够加入此前从未加入过的联盟，如果下一转移目标联盟已存在于历史选择集合中，则本次转移不成立，小基站仍选择当前联盟H_i(t-1)。

2.2)初始联盟结构{CS}₀＝{S₁,S₂,S₃,...,S_N}，能量采共享策略时间共享策略为{Γ_CS}₀＝{Γ_cs1,Γ_cs2,...,Γ_csN}＝{{T},{T},...,{T}}，即每个小基站i选择自己形成一个联盟，其能量采集策略为自己采集到的能量，传输时间为整个时隙T，根据公式(15)、(16)、(17)、(18)分别计算初始联盟的小基站个人效用各联盟效用以及该联盟结构总效用

v(S_k,CS,Γ_CS,E_CS)＝x_i(S_k,CS,Γ_CS,E_CS)

初始化历史选择集合{H_i(1)＝S_i}_i∈N，记录用户对各联盟的选择，即初始时每个小基站选择自己单独形成一个联盟，令t＝1，

2.3)小基站i所属联盟设为S_k，该小基站依次向联盟集合申请接入，其中{S_j'}＝{S_j}∪i，根据时间以及能量共享均分的原则，该联盟内小基站的发射功率以及传输时间可调整为：

根据个人效用、联盟效用，以及联盟总效用的公式求得小基站i加入后的三种效用{x_i}^t、

2.4)检查效用是否满足：(1)(2)(3)(4)若满足前三项要求，则检查当前选择的联盟S_j是否与{H_i(1),H_i(2),...,H_i(t)}其中某一个有相同数值，若无相同数值，则不曾加入过该联盟，记H_i(t+1)＝S_j，联盟结构为否则认为本次申请被拒绝，联盟结构还原为算法跳到步骤2.3向下一个联盟执行；

2.5)执行步骤2.3和2.4后，当每一个小基站向每一个可以申请的联盟都尝试接入后，检查此时的联盟{CS}_t是否与{CS}_t-1相同；如果不相同，t＝t+1，算法跳至2.3继续执行，如果相同，则本联盟博弈算法结束，最终联盟结构为{CS}_t，根据相应的能量共享策略{E_CS}_t和时间共享策略{Γ_CS}_t，小基站调整发射参数。

综上所述，本发明研究的是能量采集小基站下行场景的资源分配问题，为具有能量采集能力的小基站网络建立合理的网络模型，规定能够通信和能量传输的小基站的范围；然后将该小基站网络的传输资源分配问题建模为非重叠的联盟博弈问题，小基站通过加入不同联盟调整自身传输能量和传输时间，以获得更高的个人和联盟总效益。

如附图3所示，随着通信距离门限d_th和小基站数目的增加，增加了能够通信和加入联盟的小基站数目，因此本发明的小基站网络总频谱效率增加，但到一定距离和数目时，由于传输时间均分和干扰的增加造成效率的降低，总频谱效率增加减慢；图4和图5中，小基站网络的总频谱效率随着小基站数目的增长而上升，而小基站的平均频谱效率随着小基站数目的增长而下降，并且本发明算法明显好于另外两种对比算法；附图6中基于能量采集的小基站网络资源分配方法由于能够与通信范围内的用户进行通信和能量共享，因此在对用户服务的满足情况上要高于对比算法。