能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法，包括：初始化系统参数；根据基站的天线数与传感器的个数判断是否满足大规模MIMO迫零算法限制，如果条件满足，给出系统能量采集的最优时间和次优时间；否则，方法结束；针对系统参数和能量采集时间，给出能量塔的最优和次优定价方法；针对系统参数和能量采集时间，计算能量塔的最优和次优收益。本发明专利技术计算出系统的能量采集最优时间、能量塔的最优定价和能量塔的最优收益，同时为了减小运算复杂度，给出了次优定价方法的能量采集时间的闭式解。两种方法均可以增加能量塔的收益，具有实用性和可行性强的优点。

Pricing method based on Stackelberg game in large scale MIMO system with energy acquisition

The request includes the pricing method based on the Stackelberg game to protect a large-scale MIMO system of energy acquisition: system initialization parameters; according to whether the number of antennas and the sensor base station judgment to meet the large-scale MIMO zero forcing algorithm, if the conditions are satisfied, the optimal time gives the system of energy acquisition and suboptimal time; otherwise methods end; the system parameters and energy acquisition time, optimal and suboptimal pricing method gives the energy tower; the system parameters and energy acquisition time, calculating the optimal energy tower and suboptimal returns. The invention calculates the optimal time of the energy acquisition, the optimal pricing of the energy tower and the optimal revenue of the energy tower, and at the same time, in order to reduce the computational complexity, a closed solution of the energy harvesting time of the sub optimal pricing method is given. The two methods can both increase the income of the energy tower, and have the advantages of practicability and feasibility.

【技术实现步骤摘要】
能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法
本专利技术属于绿色通信节能
，具体是能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法。
技术介绍
在无线能量采集场景中，部署基站、传感器、能量塔三种设备。传感器在没有任何内部电源的情况下，遵循先采集后传输的方案与基站进行通信，即传感器先从能量塔处采集能量，然后利用采集的能量向基站传送信息。在实践中，传感器和能量塔需要一个互利的方案来确保双方之间的能源交易。首先，传感器的收益包括获得的数据吞吐量减去支付给能量塔的成本而产生的收入。能量塔的收益应包括向传感器销售能量产生的收入减去运营成本。将能量塔和传感器之间的这种交互关系建模为Stackelberg博弈。为了保证最大化自身收益，能量塔需要采用合理的定价策略来控制传感器采集的能量。如果能量塔定价太低，那么自身收益较小；而能量塔定价过高，造成传感器的采集能量需求减少，从而也使得自身的收益降低。因此，需要一种较好的定价策略在保证传感器和基站之间通信质量的前提下，合理设置能量塔的定价，最大化能量塔的收益。近年来，在能量采集中基于Stackelberg博弈方法来控制能量塔的定价研究正受到越来越多的关注。对现有文献检索发现，相关文献如下：SiddharthaSarma等人在《2016IEEEWirelessCommunicationsLetters，Jun.2016,vol.5,no.3,pp.336-339.》上发表了题为“RobustEnergyHarvestingBasedonaStackelbergGame”的文章。该文章在多传感器节点场景中研究了基站和多天线能量塔之间的无线能量采集技术，将能量塔和传感器节点之间的交互关系设计为Stackelberg博弈，这种多天线系统通过采用波束成形来提高能量传输的效率。文章假设传感器节点和功率信标之间拥有不完全信道状态信息，提出了在基站端基于吞吐量的非中断概率的效用函数。HenryChen等人在《2015IEEEInternationalConferenceonAcoustics，2015，pp.3177-3181.》上发表了题为“Astackelberggame-basedenergytradingschemeforpowerbeacon-assistedwireless-poweredcommunication”的文章。该文章研究了由一个接入点、一个信息源和多个能量塔组成的能量塔辅助无线能量通信网络。在下行链路中，信息源从接入点采集射频能量，能量塔辅助接入点为信息源充电，然后信息源在上行链路中向接入点发送信息。然而，在实际中，接入点和能量塔可能属于不同的运营商。因此，在下行能量转移阶段(即“能源交易”)，模型将此能量交易流程建模为Stackelberg博弈，其中接入点是领导者，能量塔是追随者，得出了博弈的Stackelberg均衡。由相关研究可知，为了最大化能量塔的收益并满足整个系统的通信服务质量，能量塔需要对传感器采用一个较合理的定价方法。本专利技术基于能量塔的收益函数，根据凸优化内点算法，得出了最大化能量塔收益的最优价格因子和最优采集能量时间。同时为了减小凸优化算法的复杂度，提出了一种最大化能量塔收益的次优定价算法，导出了次优能量采集时间的闭集表达式。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种减小了算法复杂度，同时保证了较好的能量塔收益的基于Stackelberg博弈的定价方法。本专利技术的技术方案如下：一种能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法，其包括以下步骤：1)、初始化并设置大规模MIMO系统参数，包括M,K,βk,gk,ξk,σ2,Pmax,k＝1,…,K，其中，M为基站的天线数，K为传感器的个数，βk是传感器k的大尺度衰落因子，gk是能量塔到传感器k的信道增益，ξk是传感器k的能量转换效率，σ2是基站端的背景噪声，Pmax是能量塔的最大传输功率；设置UPB,的初值为0，UPB和分别是能量塔的最优和次优收益；2)、根据基站的天线数与传感器的个数判断是否满足大规模MIMO迫零算法限制，如果条件满足，计算出系统能量采集的最优时间和次优时间；否则，方法结束；3)、针对步骤1)的系统参数和步骤2)的能量采集最优时间和次优时间，分别计算出对应的能量塔的最优定价和次优定价；4)、针对步骤1)的系统参数和步骤2)的能量采集最优时间和次优时间，分别计算对应的能量塔的最优收益和次优收益。进一步的，在步骤2)中，如果基站天线数M和传感器个数K使得大规模MIMO迫零算法条件成立，即M≥K+1，则通过凸优化内点法获得单位时间内传感器的最优能量采集时间τoptimal，而次优能量采集时间τsuboptimal为：其中参数Pmax是能量塔的最大传输功率；如果条件不成立，方法结束。进一步的，所述步骤3)能量塔的最优或次优定价为：参数能量采集时间τ＝τoptimal或τsuboptimal，将参数α、rk和τoptimal分别代入计算出能量塔的最优定价；同理，将α、rk和τsuboptimal分别代入计算能量塔的次优定价。进一步的，所述步骤4)能量塔的最优收益UPB为：能量塔的次优收益为：能量塔收益的理论极限值为：其中参数τoptimal、τsuboptimal分别为单位时间内传感器的最优和次优能量采集时间。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术针对能量采集的大规模MIMO系统，提供了一种最大化能量塔收益的定价方法。本专利技术能够使得系统在知道信道状态信息的情况下，通过凸优化内点法来实现最大化能量塔收益。该定价方法在保证系统通信质量的前提下，找到最大化能量塔收益的最优解，但是算法复杂度较高。为此，本专利技术又提出了减小算法复杂度的一种次优定价算法，找到最大化能量塔收益的次优能量采集时间，相比最优算法，减小了算法复杂度，同时保证了较好的能量塔收益。本专利技术提出了一种部署基站、传感器和能量塔三种设备的新的无线能量采集场景。通过能量塔的最优性条件来搜索最大化能量塔收益的定价策略，找到最大化能量塔收益的定价，同时提出了一种减小运算复杂度的次优定价策略。本专利技术所提供的两种方法均提高了能量塔的收益。由于算法具有解析表达式，因此执行速度快，具有较好的可行性和实用性。本专利技术具体创新的步骤：首先，在多传感器节点中部署多天线基站和用于能量采集的能量塔；其次，在保证服务质量QoS的情况下，假设已知信道状态信息，推导出能量塔收益函数，通过凸优化内点法找到最大化能量塔收益的能量采集时间最优解，得到能量塔的最优定价，并计算能量塔的最优收益；然后，为了减小算法复杂度，找到能量塔的次优能量采集时间，得到能量塔的次优定价，并计算能量塔的次优收益；最后，仿真对比两种算法的性能。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例的提供的能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法的流程图；图2为本专利技术在能量塔的最大传输功率从0增加到30dbm时的不同天线数下的能量塔收益曲线图；图3为本专利技术在能量塔的最大传输功率从0增加到30dbm时的不同用户数下的能量塔收益曲线图；图4为本专利技术在基站天线数从10增加到100时的能量塔收益曲线图。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、初始化并设置大规模MIMO系统参数，包括M,K,βk,gk,ξk,σ

【技术特征摘要】
1.一种能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、初始化并设置大规模MIMO系统参数，包括M,K,βk,gk,ξk,σ2,Pmax,k＝1,…,K，其中，M为基站的天线数，K为传感器的个数，βk是传感器k的大尺度衰落因子，gk是能量塔到传感器k的信道增益，ξk是传感器k的能量转换效率，σ2是基站端的背景噪声，Pmax是能量塔的最大传输功率；设置UPB,的初值为0，UPB和分别是能量塔的最优和次优收益；2)、根据基站的天线数与传感器的个数判断是否满足大规模MIMO迫零算法限制，如果条件满足，计算出系统能量采集的最优时间和次优时间；否则，方法结束；3)、针对步骤1)的系统参数和步骤2)的能量采集最优时间和次优时间，分别计算出对应的能量塔的最优定价和次优定价；4)、针对步骤1)的系统参数和步骤2)的能量采集最优时间和次优时间，分别计算出对应的能量塔的最优收益和次优收益。2.根据权利要求1所述的能量采集的大规模MIMO系统中基于Stackelberg博弈的定价...

【专利技术属性】
技术研发人员：万晓榆，魏霄，杨晓娜，王正强，樊自甫，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50