一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法，该方法将合法干扰机与非法用户发射功率博弈的通信场景建模处理，包括：1)所述通信场景被建模为干扰反制斯坦伯格博弈，构建合法干扰机与非法用户效用函数后，假定合法干扰机与非法用户分别作为领导者(干扰机感知非法用户先做出行动)和跟随者；2)依据干扰机的行动，非法用户求解出最佳应对策略；3)合法干扰机基于非法用户的最佳应对策略，并在满足合法用户基本通信要求的同时，分析规划出自身的最优干扰策略。本发明专利技术可在频谱资源紧张的环境下，以满足己方基本通信需求为前提，最大化地抑制非法用户的活动。本发明专利技术符合真实通信场景，实现了最优干扰与协防的有机结合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法
本专利技术涉及通信博弈对抗领域，尤其涉及一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法。
技术介绍
非法用户的活动(例如窃密，恶意干扰等)会对合法用户的通信安全构成威胁，特别地，若双方地理位置较近，危害性的程度将愈发增大。在现有基于功率域的干扰技术中，往往只关注的是合法干扰机与非法用户之间的博弈，忽略了合法干扰机因功率泄露而对己方同频用户(考虑有限的频谱资源)带来的影响，合法干扰机增大发射功率，对非法用户产生较大干扰的同时，也会对己方用户带来损失。所以，考虑己方合法用户的存在，更符合真实的通信场景。为此，对非法用户方实行电磁干扰来保障合法用户的通信安全具有重要的意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于干扰反制斯坦伯格博弈的通信功率控制方法，所述通信场景包含合法用户，合法干扰机以及非法用户。将场景建模为干扰反制斯坦伯格博弈后，合法干扰机首先采取行动，当感知到非法用户存在时，对其进行干扰，而后非法用户采取应对策略。最终，经过几轮迭代博弈，双方求解出各自的最优传输功率策略。此外，同时考虑由于频谱资源紧张，合法干扰机也会对合法用户产生干扰的问题；所述方法包括如下步骤：步骤1，建立通信场景，所述通信场景包含合法用户，合法干扰机以及非法用户；步骤2，依据合法干扰机的行动，非法用户求解出最优传输功率；步骤3，合法干扰机基于非法用户的最佳应对策略，在满足合法用户基本通信需求的同时，分析规划出自身的最佳干扰功率。步骤1中，将合法干扰机与非法用户发射功率博弈的通信场景建模为干扰反制斯坦伯格博弈，定义博弈双方即合法干扰机与非法用户的效用函数，并设定合法干扰机与非法用户分别作为领导者和跟随者。步骤1中，所述非法用户具有更强地感知能力(可以感知干扰信道增益以及自身传输代价的确定值)，其效用函数V、优化目标以及约束条件如下：maxV(P,Pj)，s.t.P≤P(max)，其中，P为非法用户的发射功率，Pj为合法干扰机传输功率，P(max)为非法用户最大发射功率，δ为信道背景噪声，α为非法用户发射端到其接收端的信道增益，β为合法干扰机发射端到非法用户接收端的干扰信道增益，C为非法用户的传输代价。步骤1中，所述合法干扰机的效用函数U、优化目标以及约束条件如下：maxU(P,Pj)，其中，为合法干扰机最大发射功率，αl为α在状态l时的信道增益，Ek为状态k时E的传输代价，σu(αl,Ek)为αl与Ek的联合概率分布，βu为合法干扰机发射端到合法用户接收端之间的干扰信道增益，Pu为合法用户的传输功率，αu为合法用户发射机到接收机之间的信道增益，r为满足基本通信传输要求时的阈值(取值为0.1)，L表示合法干扰机信道增益的状态个数，K表示合法干扰机传输代价的状态个数。步骤2包括：当给定合法干扰机发射功率时，由于满足：则非法用户的效用函数V是关于其发射功率P的凹函数，基于对偶优化理论，引入非负对偶变量λ后，由优化目标maxV(P,Pj)及约束条件P≤P(max)所组成优化问题的拉格朗日函数L(P,Pj,λ)为：根据KKT条件(库恩-塔克条件)，得到：通过上述公式求得非法用户最优传输功率P*：其中，中间参数步骤3包括：对于合法干扰机，设定其感知到非法用户发射端到接收端的信道增益α共有L个状态(合法干扰机只能感知到非法用户发射端到接收端信道增益α的多个状态值。非法用户可以感知到其发射端到接收端信道增益α的确定值)，定义为α1,...,αl,...,αL，并且L个状态的概率分别为设定合法干扰机的传输代价E共有K个状态，定义为E1,...,Ek,...,EK，并且K个状态的概率分别为τ1,...,τk,...,τK；联合概率分布σu(αl,Ek)满足概率与τk分别满足与将代入到得到：当满足条件Pj≥Λ时，合法干扰机效用函数是其发射功率Pj的线性函数；当满足条件Pj＜Λ时，合法干扰机的效用函数是其发射功率Pj的凹函数；由约束条件得到：求得关于合法干扰机发射功率的联合约束条件为：其中，参数引入非负对偶变量μ，由合法干扰机目标函数maxU(P,Pj)及约束条件所组成优化问题的拉格朗日函数L(P,Pj,μ)为：根据KKT条件(库恩-塔克条件)，上述公式为：得到合法干扰机发射功率为：步骤3中，建立如下合法干扰机的效用函数U(P,Pj)：为求上述效用函数U(P,Pj)的最大值，考虑以下四种情况：第一种情况，当条件Λ≤0满足时，合法干扰机的效用函数U(P,Pj)在Pj＝0处获得最大值；第二种情况，当条件Λ＞0,Γ≤0满足时，合法干扰机的效用函数U(P,Pj)在Pj＝0处获得最大值；第三种情况，当条件Λ＞0,0＜Γ＜Λ满足时，合法干扰机的效用函数U(P,Pj)在Pj＝Γ处获得最大值；第四种情况，当条件Λ＞0,Γ≥Λ满足时，合法干扰机的效用函数U(P,Pj)在Pj＝Λ处获得最大值。则合法干扰机的最佳干扰功率为：其中，在基于博弈的相关研究工作中，斯坦伯格博弈作为非合作博弈(以自私的方式进行博弈，不考虑决策行为对其他参与者效用的影响)的一种，其可以有效地描述参与者的分层行为特性，对于功率域中频谱对抗问题建模具有独特地优势。具体地，基于斯坦伯格博弈的过程中，建立博弈双方的效用函数，并依据参与者的行动顺序，分别假定领导者与跟随者。领导者首先采取行动，跟随者感知到领导者行动策略后再做决策，博弈双方制定的传输功率策略随着对方策略的调整而调整，经过几轮迭代博弈竞争，最终实现各自效用的最大化。因此，对于本专利技术所描述的通信场景，基于干扰反制斯坦伯格博弈的功率控制方法可有效解决该问题。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术基于频谱资源紧张的环境下，合法方通过设立合法干扰机，在满足己方用户基本通信需求的同时来最大化地抑制非法用户的活动，合法干扰机与非法用户在功率域进行博弈，双方最终得到各自的最佳传输功率策略。此种方法，可以自适应非法用户通信节点的特异性，在资源紧缺的约束下，实现干扰与协防的有机结合，提高了频谱对抗的优势。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1是本专利技术所设计合法干扰机与非法用户发射功率博弈的通信场景示意图；图2是本专利技术所述基于干扰反制斯坦伯格博弈的功率控制方法流程图；图3是合法干扰机与非法用户的传输功率收敛性分析图；图4是合法干扰机传输代价对效用的影响分析图；图5是合法干扰机的斯坦伯格博弈均衡(SE)和纳什均衡(NE)的对比分析图。具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，建立通信场景，所述通信场景包含合法用户，合法干扰机以及非法用户；/n步骤2，依据合法干扰机的行动，非法用户求解出最优传输功率；/n步骤3，合法干扰机基于非法用户的最佳应对策略，在满足合法用户基本通信需求的同时，分析规划出自身的最佳干扰功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰反制博弈的通信功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立通信场景，所述通信场景包含合法用户，合法干扰机以及非法用户；
步骤2，依据合法干扰机的行动，非法用户求解出最优传输功率；
步骤3，合法干扰机基于非法用户的最佳应对策略，在满足合法用户基本通信需求的同时，分析规划出自身的最佳干扰功率。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，将合法干扰机与非法用户发射功率博弈的通信场景建模为干扰反制斯坦伯格博弈，定义博弈双方即合法干扰机与非法用户的效用函数，并设定合法干扰机与非法用户分别作为领导者和跟随者。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述非法用户的效用函数V、优化目标以及约束条件定义如下：



maxV(P,Pj)，
s.t.P≤P(max)，
其中，P为非法用户的发射功率，Pj为合法干扰机传输功率，P(max)为非法用户最大发射功率，δ为信道背景噪声，α为非法用户发射端到其接收端的信道增益，β为合法干扰机发射端到非法用户接收端的干扰信道增益，C为非法用户的传输代价。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述合法干扰机的效用函数U、优化目标以及约束条件如下：



maxU(P,Pj)，






其中，为合法干扰机最大发射功率，αl为α在状态l时的信道增益，Ek为状态k时E的传输代价，σu(αl,Ek)为αl与Ek的联合概率分布，βu为合法干扰机发射端到合法用户接收端之间的干扰信道增益，Pu为合法用户的传输功率，αu为合法用户发射端到接收端之间的信道增益，r为满足基本通信传输要求时的阈值，L表示合法干扰机信道增益的状态个数，K表示合法干扰机传输代价的状态个数。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中，
当给定合法干扰机发射功率时，由于满足：



则非法用户的效用函数V是关于其发射功率P的凹函数，基于对偶优化理论，引入非负对偶变量λ后，由优化目标maxV(P,Pj)及约束条件P≤P(m...

【专利技术属性】
技术研发人员：严勇杰，苏哲，李宵杰，胡雨昕，戚楠，陈佳馨，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32