基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法技术

在多源多中继协作网络中，为避免协助同一源节点的中继节点之间过度干扰并实现中继节点的效用最大化，提出了一种基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法。该方法通过中继节点功率控制的非合作子博弈和源节点选择的演化子博弈交替迭代，在抑制中继节点之间干扰的同时实现了中继节点对源节点的合理选择，并证明了双层博弈纳什均衡的唯一存在性。仿真结果表明所提出的双层博弈分布式方法可使系统收敛至纳什均衡。

【技术实现步骤摘要】
基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法
本专利技术属于无线网络通讯
，具体涉及一种基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法。
技术介绍
无线协作中继技术因其可增强系统的抗衰落能力，提高传输速率并扩大覆盖范围，而被广泛应用于无线网络中。合理的中继选择和功率控制可以在确保服务质量的同时最小化发送功率。因此，中继选择和功率控制一直是无线协作网络研究中的热点问题。例如：文献[MaricIandYatesR，“BandwidthandpowerallocationforcooperativestrategiesinGaussianrelaynetworks，”inIEEETransactionsonInformationTheory，2010，vol.56，no.4，pp.1880-1889]中提出了一种应用于放大转发协作网络的联合中继选择和功率分配方案。该方案确定了最优中继子集并采用注水算法实现了中继的最优功率分配。文献[WuDi，ZhuGang，ZhaoDong-mei，etal，“Cross-layerdesignofjointrelayselectionandpowercontrolschemeinrelay-basedmulti-cellnetworks，”inIEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference，QuintanaRoo，2011，pp.251-256]在中继辅助蜂窝网络中综合考虑了中继选择和功率控制，提出了一种跨层设计方案以增加平均网络容量并抑制干扰。博弈论作为研究网络资源分配问题的有效工具，已被用于解决无线协作网络的中继节点选择和功率控制等问题。在多源多中继协作网络中，文献[XiaoHai-linandOuyangShan.“Powercontrolgameinmultisourcemultirelaycooperativecommunicationsystemswithaquality-of-serviceconstraint，”inIEEETransactionsonIntelligentTransportationSystems，2015，vol.16，no.l，pp.41-50]提出了基于博弈论的功率控制算法以最小化总功率。该算法在减少能量消耗的同时提高了系统性能。文献[BaidasMWandMacKenzieAB，“Anauctionmechanismforpowerallocationinmulti-sourcemulti-relaycooperativewirelessnetworks，”inIEEETransactionsonWirelessCommunications，2012，vol.11，no.9，pp.3250-3260]提出了一种向上叫价时钟拍卖算法以有效的控制多源多中继协作网络的中继节点发送功率。演化博弈作为博弈论的一个分支，可以用于网络动态博弈问题的建模。在放大转发协作网络中，文献[LiuLing-ya，HuaCun-qing，ChenCai-lian，etal，“Semidistributedrelayselectionandpowerallocationforoutageminimizationincooperativerelayingnetworks，”inIEEETransactionsonVehicularTechnology，2017，vol.66，no.l，pp.295-305]利用演化博弈论进行了中继选择和功率分配以减小接收端的中断概率。在中继辅助蜂窝网络中，演化博弈被用来解决不完全信息条件下的动态中继选择问题。拥有协作资源的中继节点不仅要选择最优发送功率，也要合理的选择源节点以最大化效用。在协作认知中继网络中，文献[ZhangZhao-weiandZhangHai-lin，“Avariable-populationevolutionarygamemodelforresourceallocationincooperativecognitiverelaynetworks，”inIEEECommunicationsLetters，2013，vol.17，no.2，pp.361-364]采用演化博弈论解决了中继节点的源节点选择问题。目前利用博弈论解决无线通信网络中的资源分配问题多聚焦于静态博弈，不能很好的预测节点长期演化过程中网络的状态问题。上述文献中，利用传统非合作博弈理论进行节点功率控制的方案，不能实现动态的中继节点选择。而利用演化博弈理论进行中继选择的方案无法实现节点的最优功率动态控制问题。本文通过对系统进行动态建模来描述理性的网络节点状态随时间的变化过程，将传统非合作博弈和演化博弈理论相结合应用于多源多中继协作网络中在确定中继节点最优发送功率的同时也实现了源节点的合理选择。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法。该控制方法利用双层博弈框架对中继节点联合功率控制和源节点选择问题进行了建模，通过双层博弈的分布式算法，在确定中继节点最优发送功率的同时也实现了源节点的合理选择。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案：该基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法，其特征在于：该控制方法为两层：第一层采用非合作子博弈进行中继节点发送功率的控制，第二层采用演化子博弈进行源节点的选择，双层博弈分布式算法通过交替进行中继节点发送功率的控制和源节点的选择，最终使系统达到双层博弈纳什均衡，实现了多源多中继协作网络资源的合理分配。所述第一层子博弈为中继节点功率控制的非合作子博弈，在协助同一个源节点的中继节点集合中，中继节点之间形成了功率控制的非合作子博弈，中继节点功率控制的最优化问题表示如下：式中，为中继节点R的最大发送功率，uR为中继节点的净效用函数；对于在同一信号时隙内协助源节点的各个中继节点，纳什均衡是由它们的最优发送功率组成的向量，用表示，其中是均衡状态时中除中继节点外，其它中继节点最优发送功率组成的向量；通过多次迭代，此非合作子博弈最终达到纳什均衡，即在最大发送功率限制下，每个中继节点可以得到唯一的最优发送功率。所述第二层子博弈采用演化子博弈，中继节点对源节点的选择问题可建模为演化子博弈，在时刻t，选择协助源节点S的中继节点数记为nS(t)，系统中继节点的总数为选择协助源节点S的中继节点所占比例可表示为xS(t)＝nS(t)/K，向量x(t)＝[x1(t)，L，xM(t)]用来表示t时刻中继节点选择协助源节点的状态；在中继节点选择源节点的演化子博弈中，复制动态表示如下：式中，δ为演化步长，可以用来控制中继节点选择源节点的演化速率；定义uS(t)为中继节点集合ΓS的平均净效用函数，表示整个系统中所有中继节点的平均净效用函数，则uS(t)和分别表示为：式中，S，l∈Ф，经过若干次演化迭代，演化子博弈最终会收敛至由下列方程组确定的演化稳定策略：所述双层博弈分布式算法是交替进行中继节点两种子博弈的迭代，最终使系统达到纳什均衡，表述如下：(1)t＝0时，每个中继节点随机选择发送功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法，其特征在于：该控制方法为两层：第一层采用非合作子博弈进行中继节点发送功率的控制，第二层采用演化子博弈进行源节点的选择，双层博弈分布式算法通过交替进行中继节点发送功率的控制和源节点的选择，最终使系统达到双层博弈纳什均衡，实现了多源多中继协作网络资源的合理分配。

【技术特征摘要】
1.一种基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法，其特征在于：该控制方法为两层：第一层采用非合作子博弈进行中继节点发送功率的控制，第二层采用演化子博弈进行源节点的选择，双层博弈分布式算法通过交替进行中继节点发送功率的控制和源节点的选择，最终使系统达到双层博弈纳什均衡，实现了多源多中继协作网络资源的合理分配。2.如权利要求1所述的基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法，其特征在于：所述第一层的非合作子博弈，在协助同一个源节点的中继节点集合中，中继节点之间形成了功率控制的非合作子博弈，中继节点功率控制的最优化问题表示如下：式中，为中继节点R的最大发送功率，uR为中继节点的净效用函数；对于在同一信号时隙内协助源节点的各个中继节点，纳什均衡是由它们的最优发送功率组成的向量，用表示，其中是均衡状态时中除中继节点外，其它中继节点最优发送功率组成的向量；通过多次迭代，此非合作子博弈最终达到纳什均衡，即在最大发送功率限制下，每个中继节点可以得到唯一的最优发送功率。3.如权利要求1所述的基于双层博弈框架下的联合功率控制和源节点选择的控制方法，具特征在于：所述第二层子博弈采用演化子博弈，中继节点对源节点的选择问题可建模为演化子博弈，在时刻t，选择协助源节点S的中继节点数记为ns(t)，系统中继节点的总数为选择协助源节点S的中继节点所占比例可表示为xs(t)＝ns(t)/K，向量x(t)＝[x1(t)，L，xM(t)]用来表示t时刻中继节点选择协助源节点的状态；在中继节点选择源节点的演化子博...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦果，张海林，周韬，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61