一种多信道协作通信的认知无线网络功率分配方法

摘要

本发明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。

主权项

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]|P₁θ₁h_1p1+P₂(1‑θ₂)h_2p1≤I₁,P₁(1‑θ₁)h_1p2+P₂θ₂h_2p2≤I₂}S₂＝{θ₂∈[0,1]|P₁(1‑θ₁)h_1p2+P₂θ₂h_2p2≤I₂,P₁θ₁h_1p1+P₂(1‑θ₂)h_2p1≤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；h_1p1表示第一次用户发端到第一主用户收端的信道增益；h_1p2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；h_2p2表示第二次用户发端到第二主用户收端的信道增益；h_2p1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P₁h_1p1≥0.5I₁且P₂h_2p2≥0.5I₂时，即情况1，按照以下方式设计效用函数：$\begin{array}{c}{u}_i\left({\theta }_i,{\theta }_j\right)=\ln \left(1+\frac{P_i{\theta }_i{h}_{ii}}{{\sigma }^2+P_j\left(1-{\theta }_j\right)h_{ji}}\right)+\\ \ln \left(1+\frac{I_i{h}_{rj}{h}_{ii}\left(h_{ir}{P}_i{\theta }_i+{\sigma }^2\right)-{\sigma }^2{P}_j\left(1-{\theta }_j\right)h_{jr}{h}_{ii}{h}_{rpi}}{\frac{1}{2}{\sigma }^2{h}_{ipi}{h}_{rj}{h}_{ir}{P}_i+P_j\left(1-{\theta }_j\right)\left(h_{ij}{h}_{rpi}{h}_{jr}{\sigma }^2+h_{jr}{h}_{ri}{h}_{ipi}{\sigma }^2+I_i{h}_{jr}{h}_{ri}{h}_{ij}\right)+{\sigma }^4{h}_{ipi}{h}_{rj}}\right)\\ +\ln \left(1+\frac{P_i\left(1-{\theta }_i\right)h_{ir}}{{\sigma }^2+P_j{\theta }_j{h}_{jr}}\right);\end{array}$当P₁h_1p1<0.5I₁且P₂h_2p2<0.5I₂时，即情况2，按照以下方式设计效用函数：$\begin{array}{c}{u}_i\left({\theta }_i,{\theta }_j\right)=\ln \left(1+\frac{P_i{\theta }_i{h}_{ii}}{{\sigma }^2+P_j\left(1-{\theta }_j\right)h_{ji}}\right)\\ +\ln \left(1+\frac{P_i^2{\theta }_i{h}_{ii}{h}_{ir}{h}_{rj}+P_i{\sigma }^2{h}_{ii}{h}_{rj}}{{\sigma }^2\left(\frac{1}{2}{P}_i{h}_{ir}+{\sigma }^2\right)h_{rj}+P_j\left(1-{\theta }_j\right)h_{jr}\left(P_i{h}_{ij}+{\sigma }^2\right)h_{ri}}\right)\\ +\ln \left(1+\frac{P_i\left(1-{\theta }_i\right)h_{ir}}{{\sigma }^2+P_j{\theta }_j{h}_{jr}}\right);\end{array}$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；h_ii表示第i次用户发端到第i次用户收端的信道增益；h_ij表示第i次用户发端到第j次用户收端的信道增益；h_rj表示中继设备发端到第j次用户收端的信道增益；h_jr表示第j次用户发端到中继设备收端的信道增益；h_ri表示中继设备发端到第i次用户收端的信道增益；h_ir表示第i次用户发端到中继设备收端的信道增益；h_ipi表示第i次用户发端到第i主用户收端的信道增益；h_rpi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；P_i表示第i次用户拥有的总传输功率；P_j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。