基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配方法

摘要

基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配的解决方法，设计了一种综合考虑中继节点选择、子载波配对和功率控制的资源分配方法。中继节点将计算得到的等效信道增益划分为量化区间，并反馈所属量化区间序列号，使得经过较少比特的信息交互可确定协同节点的选择。基站先分配第二跳时的各中继节点的子载波，各中继节点再选出用户节点。以“强强联合”为宗旨匹配两跳的子载波，利用最大流最小割原理，确定中继节点转发时在相应子载波上的发送功率。特别地，建立基于单位功率上的速率的效用函数，并引入基于链路质量与发射功率的代价机制，且代价因子可根据不同业务需求进行实时调整，实现用户节点在各被选中的子载波上的发送功率的优化配置。

主权项

1.一种基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配方法，其特征在于：第一步：在单小区OFDMA中继系统中，包括拥有N个子载波的基站d，在基站d的周围均匀分布有M_r个固定中继节点r₁，r₂，...，r_j，...，构成固定中继节点集其中，M_r为正整数，用以表示系统中的固定中继节点数，j为[1，M_r]范围内任一正整数，且每个固定中继节点r_j拥有N个子载波，单小区0FDMA中继系统还包括随机分布的M_s个用户节点s₁，s₂，...，s_i，...，构成用户节点集其中，M_s为正整数，用以表示系统所拥有的用户节点数，i为[1，M_s]范围内任一正整数，且每个用户节点s_i拥有N个子载波，每个用户节点s_i的最大发射功率为N为正整数；第二步：用户节点s_i向所有固定中继节点r_j和基站d广播信息，各固定中继节点和基站分别对其进行译码，并判断是否译码正确，当基站d译码正确时，基站d向用户节点s_i和各固定中继节点r_j发送信息“1”，用户节点s_i在接收到信息“1”后，用户节点s_i将确定采用直接传输方式传输，采用直接传输方式的用户节点s_i在单小区中形成采用直接传输方式传输的用户节点集当基站译码不正确时，基站d向用户节点s_i和各固定中继节点发送信息“0”，当各固定中继节点接收到信息“0”后，能正确译码的固定中继节点r_j计算自身的等效信道增益其中，和分别为用户节点s_i与可正确译码的固定中继节点r_j之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益，和分别为可正确译码的固定中继节点r_j与基站d之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益，其中，n为子载波序列号，且为[1，N]范围内任一正整数，为减小反馈量，各固定中继节点预先统一设定好等效信道增益的量化区间和量化区间序列号，量化区间预先统一设定的方法是选取等效信道增益范围，这一范围的上界为0，下界为最优等效信道增益为利用已有的信道统计模型估算出固定中继节点与基站间的理想信道增益，再将这一范围等间隔划分为m份，m为正整数，从而形成m个量化区间，且将量化区间按照从小到大的顺序依次用自然数1，2，...，m作为序列号对量化区间进行标注，然后，可正确译码的固定中继节点r_j根据自身的等效信道增益与量化区间的对应关系，确定可正确译码的固定中继节点r_j的等效信道增益所属的量化区间，接着将对应的量化区间序列号作为反馈值反馈给用户节点s_i，每个用户节点s_i选取反馈值最大的固定中继节点r_j作为帮助其实现协同传输的协同节点，则中任一固定中继节点r_j会同时为若干个用户节点实现协同传输，这些用户节点构成由共享固定中继节点r_j来实现协同传输的用户节点集第三步：各固定中继节点r_j向基站d发送信息，基站d从中获知其自身与各固定中继节点在各子载波上的信道状态信息，经过比较，由基站d选出对各子载波而言最好的固定中继节点，即n＝1，2，...，N，基站d将各固定中继节点被分配的子载波数为[1，N]范围内的正整数，以及被分配的子载波的序列号n告知各固定中继节点，各固定中继节点以此对其进行标记，即若固定中继节点r_j的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为${\rho }_{r_j,d}^{\left(n\right)}=0,$其中，$\forall r_j\in R;$第四步：属于由共享固定中继节点r_j来实现协同传输的用户节点集中的用户节点，向对应的作为协同节点的固定中继节点r_j发送确认信息，作为其协同节点的固定中继节点r_j从接收的信息中提取与中的各用户节点在各子载波上的信道状态信息，经过比较，作为协同节点的固定中继节点r_j选出对各子载波而言能在该子载波上受到最好帮助的由共享固定中继节点r_j来实现协同传输的用户节点，即n＝1，2，...，N，并依据已获知的由基站d分配给每个固定中继节点r_j的子载波数在信道增益从大至小的排列下，保留处于前位的子载波分配情况，然后，固定中继节点r_j将各用户节点被分配的子载波数为范围内的正整数，以及被分配的子载波的序列号n告知中的各用户节点，各用户节点以此对其进行标记，即若用户节点s_i的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为其中，同时，属于采用直接传输方式传输的用户节点集中的用户节点，向基站d发送确认信息，基站d从接收的确认信息中提取各用户节点与基站d在各子载波上的信道状态信息，确定用户节点的子载波分配情况，即n＝1，2，...，N，然后，基站d将各用户节点被分配的子载波数以及具体的子载波的序列号n告知采用直接传输方式传输的用户节点集中的各用户节点，各用户节点以此对其进行标注，即若用户节点s_i的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为其中，第五步：建立非合作博弈模型来确定各用户节点被选中的各子载波上的发送功率，每个用户节点以其单位功率上的速率为效用函数，并在效用函数中加入代价机制，以抑制用户节点盲目地增加发送功率，若属于由共享固定中继节点r_j来实现协同传输的用户节点集中的用户节点s_i在子载波n上的发送功率为且在各接收端都有相同的噪声方差σ²，则该用户节点s_i的效用函数可表示为：$u_{s_i}^{\left(1\right)}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_{s_i,r_j}^{\left(n\right)}\frac{\log (1+\left(p_{s_i}^{\left(n\right)}{\left|h_{s_i,r_j}^{\left(n\right)}\right|}^2\right)/{\sigma }^2)}{{\left(p_{s_i}^{\left(n\right)}\right)}^{1/2}}-c_{s_i}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_{s_i,r_j}^{\left(n\right)}{p}_{s_i}^{\left(n\right)}{\left|h_{s_i,r_j}^{\left(n\right)}\right|}^2,$$\forall s_i\in c_{r_j},$$\forall r_j$其中，为基于用户节点发送功率和与固定中继节点间的信道增益的代价机制，为该用户节点s_i的代价因子，具体的发送功率的迭代更新过程如下：(1)该用户节点s_i初始化被选中的各子载波上的发送功率；(2)在第k次迭代开始时，设置剩余功率值发送功率约束范围为k＝1，2，3，...；(3)该用户节点s_i按照子载波的序列号依次计算当前迭代中各被选中的子载波上应分配的功率值，具体而言，第n个子载波上分配的功率值应该满足即对该用户节点s_i的效用函数求关于的导函数，并令其为零，从而得到当前迭代中第n个子载波上分配的功率值(4)判断上步骤中获得的当前迭代中第n个子载波上分配的功率值是否满足功率约束条件，当时，则子载波n以被分配的功率值作为更新后的发送功率值，否则，第n个子载波以当前剩余功率作为更新后的发送功率值，且此时第n个子载波以后的子载波以0值作为迭代更新后的发送功率值，一起进入新一次的迭代；(5)更新剩余功率值且更新功率约束范围，更新后的功率约束范围上界为0，下界为更新后的剩余功率值；(6)判断此次迭代第n个子载波上功率更新值与上一次迭代获得的发送功率值之差的二范数是否小于ε，其中ε为预先设定的较小数，它的取值依据系统对收敛速度和精度的要求而定，ε≤10^-2，若满足二范数小于ε，则跳出迭代循环，此时所获得的发射功率为博弈算法的纳什均衡，该用户节点s_i在第n个子载波上最终将以收敛时候的功率值进行发射，若不满足，再进入下一次迭代更新过程；同样地，对于采用直接传输方式传输的用户节点集中的用户节点s_i，也以其单位功率上的速率为效用函数，并加入代价机制，具体可表示为：$u_{s_i}^{\left(2\right)}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_{s_i,d}^{\left(n\right)}\frac{\log (1+\left(p_{s_i}^{\left(n\right)}{\left|h_{s_i,d}^{\left(n\right)}\right|}^2\right)/{\sigma }^2)}{{\left(p_{s_i}^{\left(n\right)}\right)}^{1/2}}-c_{s_i}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_{s_i,d}^{\left(n\right)}{p}_{s_i}^{\left(n\right)}{\left|h_{s_i,d}^{\left(n\right)}\right|}^2,$$\forall s_i\in D$其中，为基于用户节点发送功率和与基站d之间的信道增益的代价机制，为该用户节点s_i的代价因子，具体的发送功率的迭代更新过程如下：(1)该用户节点s_i初始化被选中的各子载波上的发送功率；(2)在第k次迭代开始时，设置剩余功率值发送功率约束范围为k＝1，2，3，...；(3)该用户节点s_i按照子载波的序列号依次计算当前迭代中各被选中的子载波上应分配的功率值，具体而言，第n个子载波上分配的功率值应该满足即对该用户节点s_i的效用函数求关于的导函数，并令其为零，从而得到当前迭代中第n个子载波上分配的功率值(4)判断上步骤中获得的当前迭代中第n个子载波上分配的功率值是否满足功率约束条件，当时，则子载波n以被分配的功率值作为更新后的发送功率值，否则，第n个子载波以当前剩余功率作为更新后的发送功率值，且此时第n个子载波以后的子载波以0值作为迭代更新后的发送功率值，一起进入新一次的迭代；(5)更新剩余功率值且更新功率约束范围，更新后的功率约束范围上界为0，下界为更新后的剩余功率值；(6)判断此次迭代第n个子载波上功率更新值与上一次迭代获得的发送功率值之差的二范数是否小于ε，其中ε为预先设定的较小数，它的取值依据系统对收敛速度和精度的要求而定，ε≤10^-2，若满足二范数小于ε，则跳出迭代循环，此时所获得的发射功率为博弈算法的纳什均衡，该用户节点s_i在第n个子载波上最终将以收敛时候的功率值进行发射，若不满足，再进入下一次迭代更新过程；第六步：对于需为中用户节点转发的固定中继节点r_j，结合先前已获知的将分配到的子载波序列号，完成转发前的子载波配对，以提高系统性能，所述子载波配对方法是：一方面，按信道增益由大到小顺序，对固定中继节点r_j中收到来自中所有用户节点s_i信息的子载波进行重新排列，其中，并对重新排列后的子载波的序列号进行重新编制，依次标记为1′，2′，3′，...，n′，...，且重新排序后的子载波上的接收信噪比仍保持未重新排序时的该子载波上的接收信噪比，即，若第n个子载波经重新排序后标记为n′，则重新排列后的第n′个子载波上的接收信噪比另一方面，按信道增益由大到小顺序，对固定中继节点r_j向基站d发送信息的子载波进行重新排列，并对重新排列后的子载波的序列号进行重新编制，依次标记为1″，2″，3″，...，n″，...，最后，将两次排列好的固定中继节点r_j的子载波一一配对，即1′与1″配对、2′与2″配对，…，n′与n″配对，…，与配对，使得固定中继节点r_j中收到来自中用户节点信息的子载波上的信息将由与之配对的子载波转发至基站d对应的子载波上；此后，确定转发时所需的发送功率，依据最大流最小割原理，则有：$\log (1+{\gamma }_{r_j}^{\left(n^{\prime }\right)})\log (1+\left(p_{r_j}^{\left(n^{\prime \prime }\right)}{h}_{r_j,d}^{\left(n^{\prime \prime }\right)}\right)/{\sigma }^2)$从而确定固定中继节点转发时在重编序列号后的子载波n″上的发送功率为：$p_{r_j}^{\left(n^{\prime \prime }\right)}=\left({\gamma }_{s_i,r_j}^{\left(n^{\prime }\right)}{\sigma }^2\right)/h_{r_j,d}^{\left(n^{\prime \prime }\right)}.$