一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，采用精确势博弈对网络进行建模，针对认知节点间干扰情况，将信道中的干扰值作为参与者的效用函数，将所有参与者的效用函数作为势函数，考虑网络部署分布情况，提出基于距离的负指数干扰函数，根据节点间的距离生成干扰矩阵进行频谱分配，本发明专利技术不仅可以对网络中的干扰进行有效抑制，还可以良好的提升频谱利用率。

A Game Theory-based Spectrum Allocation Method for Cognitive Heterogeneous Cellular Networks

【技术实现步骤摘要】
一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法
本专利技术涉及一种网络频谱分配方法，特别是一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，属于认知异构蜂窝网络资源分配

技术介绍
蜂窝单层网络不仅很难达到的上下行速率要求，而且存在室内覆盖效果欠佳、室外热点地区的容量不足等问题。因此异构网络成为蜂窝移动通信系统中引入的关键技术之一。在传统蜂窝网络的基础上引入小功率节点包括Pico基站、中继节点、Femto基站及D2D节点等，构成异构蜂窝网络，可以针对性地増强覆盖，同时有效地提高用户的服务质量。然而面对移动应用数据的指数增长，传统的蜂窝通信网络技术已经达到其突破点，传统的蜂窝网络结构网格结构大正面临着前所未有的挑战。基于此情况，认知异构蜂窝网络技术被广泛应用于数据通信网络中。现有的频带资源通常是由政府或者相关部门静态管理使用，随着计算机通信业务发展变化，蜂窝网络中的语音数据图像等多媒体业务不断增加，在此过程中，频谱被不断划分给不同的通信系统使用。然而无线服务只在一定子区域中进行通信，这使得频谱在不同频域、时域和空间域上的极度不平衡,导致频谱资源成为十分紧张的稀缺资源。认知无线电网络允许未授权用户在不对授权用户产生干扰的情况下，对频谱进行使用。在这种情况下，认知无线电网络中认知节点之间的干扰问题将无法忽视。资源分配是一种有效的干扰抑制方法，其中频谱分配具有良好效果，值得深入研究。博弈论是微观经济学的一门数学工具，用于分析多个决策实体之间的策略交互，最近被广泛应用于认知无线电网络中的资源分配调度规划中。由于认知无线电本质上是学习其环境并且通过修改其跨任务参数来优化其性能的自主代理，所以它们的交互可以使用博弈理论框架来建模。在该框架中，认知无线电是参与者，他们的行动是选择新的传输参数和新的传输频率等，这些选择将会影响自己的性能以及邻近参与者的性能。现有的频谱配技术大部分在理论仿真层面提高频谱效率，其信道干扰均是采用“0-1”绝对二进制干扰模型建立的，并没有充分考虑到异构蜂窝网络实际的部署场景，实际上在网络节点的部署中，干扰的强度会随着两节点之间的距离增加呈现衰减趋势，本专利技术提出的基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，充分考虑到网络实际部署情况，提出基于距离的干扰函数，良好的反应了信道中的干扰情况。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够有效抑制网络中的干扰、提升频谱利用率的基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，包括以下步骤：步骤1：采用势博弈对认知异构蜂窝网络进行建模，将每个认知传输节点作为博弈的理性自私参与者，将可供选择的信道作为策略，确定传输节点效用函数，确定势函数，并在初次随机分配信道；步骤2：计算任意接收节点和传输节点间的距离，根据节点距离和干扰函数得到传输信道中的干扰函数；步骤3：计算初始化之后的每个接收节点处的信干噪比；步骤4：针对每个传输节点，遍历所有策略，计算效用函数，找到最优效用函数，最优效用函数对应的策略为最优策略，每个节点对应的最优策略构成最优策略集s，系统达到纳什均衡。本专利技术还包括：1.步骤1的采用势博弈对网络进行建模具体为：认知异构蜂窝网络的博弈模型设定为G＝{N,{Si},{ui}}，其中N为博弈的参与者，即网络中的传输节点的有限集合，{Si},i∈N为博弈的策略有限集，策略si定义为待分配的子信道，其中笛卡尔积S＝S1×S2···×Sn为所有参与者可选策略构成的策略空间，{ui},i∈N为每个参与者的效用函数集合，对于博弈中每一个参与者i来说，效用函数ui是与策略si有关的函数，记s-i为除了i节点外其余节点的策略集合；2.步骤1的效用函数具体为：其中，pij为传输节点i发送信号给接收节点j的传输功率，Hij是传输节点i和接收节点j之间的信道增益，I(si,sj)为基于距离的干扰函数；效用函数u{si,s-i}表示为：u{si,s-i}＝-Ini-Iin其中：其中，Ini表明是邻居节点对传输节点i的干扰值，Iin表明了传输节点i对邻居节点的干扰值。3.步骤1中确定势函数具体为：采用所有参与者的效用值作为势函数，势函数的表达式如下：且势函数P{si,s-i}满足：P(si,s-i)-P(s'i,s-i)＝u(si,s-i)-u(s'i,s-i)4.步骤2中任意接收节点和传输节点间的距离满足：其中xi，yi为节点i的横纵坐标值，xj，yj为节点j的横纵坐标值；假设干扰只存在当两节点采用共信道传输的情况下，则干扰函数为:其中，A为与发射功率有关的干扰比例系数，s为距离权重因子，dij为节点i和节点j之间的欧式距离。5.步骤3中信干噪比满足：其中，pi为传输节点i的传输功率，Hii为传输节点i与接收节点i之间的信道增益，Hji(j≠i)为传输节点j与接收节点i之间的传输干扰增益，N0是信道中的加性高斯白噪声。6.步骤4中找到最优效用函数具体为：当效用函数满足其中，则为最优效用函数，为仅改变传输节点i的最优策略，为除了节点i之外其他所有节点的最优策略集。本专利技术有益效果：本专利技术提供了一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，采用精确势博弈对网络进行建模，针对认知节点间干扰情况，将信道中的干扰值作为参与者的效用函数，将所有参与者的效用函数作为势函数，充分考虑网络部署分布情况，提出基于距离的负指数干扰函数，良好的反应了信道中的干扰情况，根据节点间的距离生成干扰矩阵进行频谱分配，结果表明本方法不仅可以对网络中的干扰进行有效抑制，还可以良好的提升频谱利用率。附图说明图1为本方法中求解纳什均衡部分流程图；图2为归一化干扰函数；图3为随机分配后节点SINR直方图；图4为本方法分配后节点SINR直方图；图5为随机分配与本方法分配后的频谱利用率对比图；图6为基于距离的干扰因子与绝对干扰因子下的频谱利用率对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本文作进一步具体说明：本专利技术的目的在于提出一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，其中的均衡点求解部分流程图如1所示，具体包括以下步骤:步骤1：采用势博弈对网络进行建模，确定节点效用函数，确定势函数并证明，对网络各节点随机分配信道。步骤2：计算各个节点间的距离，根据节点距离和干扰函数可以得到节点处的干扰情况。其中距离的计算采用欧式距离进行计算，包括传输节点间的距离以及传输节点和接收节点之间的距离。步骤3：计算初始化之后的每个接收节点处的信干噪比，因为SINR的值可以良好的反应信道中的干扰情况。步骤4：针对传输节点i，遍历所有策略，计算效用函数，判断当前策略对应的效用函数是否最优，若是，则得到该节点最优解，反之继续搜索，直到效用函数最佳。寻找除了传输节点i以外其他所有节点的最优策略，构成最优策略集s，即系统达到纳什均衡点。接下来针对流程图中用到的理论公式进行分析，并验证本方法是一个精确势博弈。针对具体流程中的步骤1：认知异构蜂窝网络的博弈模型可以设定为G＝{N,{Si},{ui}}，其中N为博弈的参与者的有限集合，对应为网络中的传输节点，{Si},i∈N为博弈的策略有限集，策略si定义为待分配的子信道，其中笛卡尔积S＝S1×S2···×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用势博弈对认知异构蜂窝网络进行建模，将每个认知传输节点作为博弈的理性自私参与者，将可供选择的信道作为策略，确定传输节点效用函数，确定势函数，并在初次随机分配信道；步骤2：计算任意接收节点和传输节点间的距离，根据节点距离和干扰函数得到传输信道中的干扰函数；步骤3：计算初始化之后的每个接收节点处的信干噪比；步骤4：针对每个传输节点，遍历所有策略，计算效用函数，找到最优效用函数，最优效用函数对应的策略为最优策略，每个节点对应的最优策略构成最优策略集s，系统达到纳什均衡。

【技术特征摘要】
1.一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用势博弈对认知异构蜂窝网络进行建模，将每个认知传输节点作为博弈的理性自私参与者，将可供选择的信道作为策略，确定传输节点效用函数，确定势函数，并在初次随机分配信道；步骤2：计算任意接收节点和传输节点间的距离，根据节点距离和干扰函数得到传输信道中的干扰函数；步骤3：计算初始化之后的每个接收节点处的信干噪比；步骤4：针对每个传输节点，遍历所有策略，计算效用函数，找到最优效用函数，最优效用函数对应的策略为最优策略，每个节点对应的最优策略构成最优策略集s，系统达到纳什均衡。2.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，其特征在于：步骤1所述采用势博弈对网络进行建模具体为：认知异构蜂窝网络的博弈模型设定为G＝{N,{Si},{ui}}，其中N为博弈的参与者，即网络中的传输节点的有限集合，{Si},i∈N为博弈的策略有限集，策略si定义为待分配的子信道，其中笛卡尔积S＝S1×S2···×Sn为所有参与者可选策略构成的策略空间，{ui},i∈N为每个参与者的效用函数集合，对于博弈中每一个参与者i来说，效用函数ui是与策略si有关的函数，记s-i为除了i节点外其余节点的策略集合。3.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的认知异构蜂窝网络频谱分配方法，其特征在于：步骤1所述效用函数具体为：其中，pij为传输节点i发送信号给接收节点j的传输功率，Hij是传输节点i和接收节点j之间的信道增益，I(si,sj)为基...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶方，张羽，孙骞，田园，酒铭杨，李一兵，吴静，张慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23