一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法。该认知无线网络基于衬垫式频谱共享方式，至少由2个主用户收发端、2个次用户收发端、1个中继收发端和2条信道构成。次用户与主用户能同时间同信道传输各自的数据，且次用户能借助中继设备协作传输数据。次用户发送数据须执行严格的功率控制，确保对主用户通信造成的干扰不超过其干扰容限。本方法的目标是让两个次用户在两条信道上合理分配功率以最大化各自的传输容量，同时保证两个主用户所受到干扰低于容限。将该功率分配问题模型化为非合作博弈，证明其满足超模特性，从而均衡存在。根据超模博弈的良好收敛性质，提出一种最优反应更新算法来达到均衡点，从而实现合理的功率分配。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，特别是一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法。
技术介绍
认知无线电(CR:CognitiveRadio)是一种提高频谱资源利用率的新技术。作为一种可以感知外部环境的智能通信系统，允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享。在认知无线电网络中，存在两类用户：一类是频谱授权用户，即主用户(PU:PrimaryUser)，另一类是频谱非授权用户，即次用户(SU:SecondaryUser)。认知无线电资源共享方式有3种：第一种是填充式(Overlay)频谱共享：次用户通过频谱感知获取可用信道信息，伺机接入主用户暂时未用的空闲信道通信，一旦主用户返回，立即退出或切换至其他空闲信道；第二种是衬垫式(Underlay)频谱共享：次用户与主用户能同时间同信道传输数据，但次用户必须执行严格的功率控制，确保对主用户通信造成的干扰不超过其干扰容限(干扰温度限)；第三种是混合式(Hybrid)频谱共享：结合前两种共享方式的特点，当次用户感知到主用户占用信道时，采用下垫式频谱共享，通过功率控制抑制对主用户造成的干扰；当感知到主用户未用信道时，切换到填充式频谱共享，以提高频谱利用率和次用户通信能力。在基于衬垫式频谱共享的认知无线电网络中，主用户PU和次用户SU可以在相同信道中同时传输各自的数据，但要求次用户SU必须遵守严格的功率控制，确保对主用户PU造成的干扰不超过其干扰容限(干扰温度限)。在基于衬垫式频谱共享的认知无线电网络中一个重要问题是次用户功率分配。为了保护主用户PU的正常通信，必须对次用户SU的传输功率执行严格、精确控制。ZhouXun和WuBin等人研究了基于OFDM的Underlay认知无线电网络功率分配方法，假设已知部分信道状态信息(CSI:ChannelStateInformation)，设计了一种基于注水算法的快速功率分配方法；WangYichen和RenPinyi等人针对主用户PU的传输保护需求，即主用户统计平均时延满足服务质量(QoS:QualityofService)需求下，以最大化次用户SU的平均速率和峰值速率为目标，把功率分配模型化为一个非凸优化问题，基于凸壳和概率传输理论求解最优功率分配。但是上述功率分配方法均采用集中式功率分配，以认知无线电网络整体性能提升为目标，对全网的细节信息要求高，对传输环境和网络拓扑可能出现的变化反应慢。在认知无线电网络中，各个次用户往往是自私的，可能会尝试提高传输功率来增强自身的传输性能，因此功率控制应采用分布式进行。博弈论作为一种研究策略形式的数学工具，能够分析和预测竞争环境中理性用户的行为和收益，在无线通信网络资源配置和功率控制中获得了广泛运用。在认知无线电网络中，可用频谱资源的有限性使得用户竞争行为变得自私，各个次用户不会考虑其他次用户或网络的整体利益，会单方面追寻自身利益最大化。Goodman等人设计了一种基于非合作博弈的功率控制方法，并证明了非合作功率控制博弈(NPG:Non-cooperativePowerControlGame)有且仅有一个纳什均衡点，但该纳什均衡点是帕累托无效的。为了抑制用户竞争的自私性，随后引入价格机制，使每个用户对使用的资源付出代价，建立了一种基于线性价格的非合作功率控制博弈模型(NPGP:Non-cooperativePowercontrolGameofPricing)。分析表明，NPGP能提高纳什均衡点的帕累托效率，但并非最优。C.W.Sung和W.S.Wong设计了一种基于干扰加权的非线性定价方式，并从信息论角度构建效用函数。但上述功率分配方法均基于非合作博弈求解一元信息，并未将功率控制和信道选择联合。针对多信道协作通信的认知无线电网络功率分配，LiLiying和ZhouXiangwei等人将中继选择和功率分配联合，以主用户干扰容限为约束条件最大化系统吞吐量。KangXin和LiangYingchang等人以不同衰落信道、不同功率约束下的系统容量提升为目标设计了一种最优功率分配方法；NouriN和NooriN以提升认知无线电网络效率为目标设计了一种最优功率分配方法，采用分组定向中继来改善通信链路效率，并最小化对主用户造成的干扰。以上方法存在的不足之处在于：第一，虽然从总体角度考虑了认知无线电网络的整体容量，却没有考虑用户的自私行为；第二，没有考虑次用户能同时接入多条信道时的功率分配准则；第三，没有考虑同一协作中继终端为多个次用户提供中继服务时的总功率约束。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供的一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法，所述认知无线网络至少包括第一主用户发端、第一主用户收端、第二主用户发端、第二主用户收端、第一次用户发端、第一次用户收端、第二次用户发端、第二次用户收端、中继设备发端、中继设备收端、第一信道和第二信道，将传输时间划分为两个时隙：在第一时隙，所述第一主用户发端与第一主用户收端通过第一信道传输数据，所述第二主用户发端与第二主用户收端通过第二信道传输数据；所述第一次用户发端与第一次用户收端通过第一信道传输数据，所述第一次用户发端与中继设备收端通过第二信道传输数据；所述第二次用户发端与第二次用户收端通过第二信道传输数据，所述第二次用户发端与中继设备收端通过第一信道传输数据；在第二时隙，所述第一主用户发端与第一主用户收端通过第一信道传输数据，所述第二主用户发端与第二主用户收端通过第二信道传输数据；所述第一次用户发端与第一次用户收端通过第一信道传输数据，所述中继设备发端与第一次用户收端通过第二信道转发数据；所述第二次用户发端与第二次用户收端通过第二信道传输数据，所述中继设备发端与第二次用户收端通过第一信道转发数据；其特征在于：为了避免对主用户通信造成不可容忍的干扰，同时最大化次用户传输容量，所述第一次用户和第二次用户通过非合作博弈分配传输功率，所述非合作博弈具体步骤如下：步骤1：按照以下方式将功率分配非合作博弈定义为三元组G＝(N,S,U)，其中，N＝{1,2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法，所述认知无线网络至少包括第一主用户发端、第一主用户收端、第二主用户发端、第二主用户收端、第一次用户发端、第一次用户收端、第二次用户发端、第二次用户收端、中继设备发端、中继设备收端、第一信道和第二信道，将传输时间划分为两个时隙：在第一时隙，所述第一主用户发端与第一主用户收端通过第一信道传输数据，所述第二主用户发端与第二主用户收端通过第二信道传输数据；所述第一次用户发端与第一次用户收端通过第一信道传输数据，所述第一次用户发端与中继设备收端通过第二信道传输数据；所述第二次用户发端与第二次用户收端通过第二信道传输数据，所述第二次用户发端与中继设备收端通过第一信道传输数据；在第二时隙，所述第一主用户发端与第一主用户收端通过第一信道传输数据，所述第二主用户发端与第二主用户收端通过第二信道传输数据；所述第一次用户发端与第一次用户收端通过第一信道传输数据，所述中继设备发端与第一次用户收端通过第二信道转发数据；所述第二次用户发端与第二次用户收端通过第二信道传输数据，所述中继设备发端与第二次用户收端通过第一信道转发数据；其特征在于：所述第一次用户和第二次用户通过非合作博弈分配传输功率，所述非合作博弈具体步骤如下：步骤1：按照以下方式将功率分配非合作博弈定义为三元组G＝(N,S,U)，其中，N＝{1,2}是参与者集合，所述参与者为第一次用户发端和第二次用户发端；S＝{S1,S2}是策略集合，其中，S1＝{θ1∈[0,1]|P1θ1h1p1+P2(1‑θ2)h2p1≤I1,P1(1‑θ1)h1p2+P2θ2h2p2≤I2}S2＝{θ2∈[0,1]|P1(1‑θ1)h1p2+P2θ2h2p2≤I2,P1θ1h1p1+P2(1‑θ2)h2p1≤I1}U＝{u1,u2}是效用函数集合；其中，P1表示第一次用户发端拥有的总传输功率；θ1表示第一次用户发端分配给第一信道的传输功率与总传输功率之比；h1p1表示第一次用户发端到第一主用户收端的信道增益；h1p2表示第一次用户发端到第二主用户收端的信道增益；I1表示第一主用户收端的干扰容限；P2表示第二次用户发端拥有的总传输功率；θ2表示第二次用户发端分配给第二信道的传输功率与总传输功率之比；h2p2表示第二次用户发端到第二主用户收端的信道增益；h2p1表示第二次用户发端到第一主用户收端的信道增益；I2表示第二主用户收端的干扰容限；步骤2：当P1h1p1≥0.5I1且P2h2p2≥0.5I2时，即情况1，按照以下方式设计效用函数：ui(θi,θj)=ln(1+Piθihiiσ2+Pj(1-θj)hji)+ln(1+Iihrjhii(hirPiθi+σ2)-σ2Pj(1-θj)hjrhiihrpi12σ2hipihrjhirPi+Pj(1-θj)(hijhrpihjrσ2+hjrhrihipiσ2+Iihjrhrihij)+σ4hipihrj)+ln(1+Pi(1-θi)hirσ2+Pjθjhjr);]]>当P1h1p1<0.5I1且P2h2p2<0.5I2时，即情况2，按照以下方式设计效用函数：ui(θi,θj)=ln(1+Piθihiiσ2+Pj(1-θj)hji)+ln(1+Pi2θihiihirhrj+Piσ2hiihrjσ2(12Pihir+σ2)hrj+Pj(1-θj)hjr(Pihij+σ2)hri)+ln(1+Pi(1-θi)hirσ2+Pjθjhjr);]]>其中，i＝1或2，j＝2或1，分别表示第一次用户或第二次用户；hii表示第i次用户发端到第i次用户收端的信道增益；hij表示第i次用户发端到第j次用户收端的信道增益；hrj表示中继设备发端到第j次用户收端的信道增益；hjr表示第j次用户发端到中继设备收端的信道增益；hri表示中继设备发端到第i次用户收端的信道增益；hir表示第i次用户发端到中继设备收端的信道增益；hipi表示第i次用户发端到第i主用户收端的信道增益；hrpi表示中继设备发端到第i主用户收端的信道增益；σ2表示噪声功率；Pi表示第i次用户拥有的总传输功率；Pj表示第j主用户拥有的总传输功率；步骤3：执行最优反应更新算法求解效用函数集合的纯策略纳什均衡解，从而实现功率分配。...

【技术特征摘要】
1.一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法，所述认知无线网络至少包括第一主用户发端、第一主用户收端、第二主用户发端、第二主用户收端、第一次用户发端、第一次用户收端、第二次用户发端、第二次用户收端、中继设备发端、中继设备收端、第一信道和第二信道，将传输时间划分为两个时隙：在第一时隙，所述第一主用户发端与第一主用户收端通过第一信道传输数据，所述第二主用户发端与第二主用户收端通过第二信道传输数据；所述第一次用户发端与第一次用户收端通过第一信道传输数据，所述第一次用户发端与中继设备收端通过第二信道传输数据；所述第二次用户发端与第二次用户收端通过第二信道传输数据，所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文江，姜文浩，孔乾坤，刘国岭，张博为，应腾达，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50