[發明專利]一種認知無線網絡中聯合功率和信道分配方法

有效

• 申請號: 201410081327.6
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103796211B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 李洪兵;應騰達;余華興;黃天聰;張電;陳剛;廖玉祥;唐夲;徐菁;周鼎;馮彬
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;國網重慶市電力公司江北供電分公司;重慶大學
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W16/14;H04W28/08
• 代理公司: 重慶為信知識產權代理事務所(普通合伙)50216
• 代理人: 余錦曦

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種認知無線電系統中的聯合功率和信道分配方法。

背景技術

認知無線電(CR: Cognitive Radio)是一種提高頻譜資源利用率的新技術。其作為一種可以感知外界通信環境的智能通信系統，允許在時域、頻域和空域上進行多維的頻譜復用和共享。CR的核心思想是：通過調節網絡工作參數，在量化和限制對主用戶(PUs: Primary Users)干擾的前提下，允許基于認知無線電功能的次用戶(SU: Secondary User)，也稱為認知用戶，本文統稱為認知用戶，即CR)機會式動態接入授權頻段，從而提高頻譜利用率。Mitola是最早提出認知無線電概念的學者，他強調認知無線電是基于模型論證而在無線電相關領域得到指定功能的一種無線電。換句話說，認知無線電是基于頻譜受限網絡，需要和對應主用戶相互協商并擇機接入相應頻道實現資源共享的一種技術。到目前為止，一些政府部門和無線電標準組織已經紛紛出臺相應的政策和標準。如美國聯邦通信委員會(FCC: Federal Communications Commission)在2002、2003年相繼提出了對應的非授權設備需要具備感知未占用頻段的能力以及基于干擾溫度的頻譜共享方式；英國通信辦公室(Ofcom: Office of Commnications)發布的英國TVWS頻段使用規則中強調建立全英TVWS頻段數據庫，考慮到設備成本，不要求設備具備頻譜感知能力。

博弈論是一種研究策略形式的數學工具，用于分析、預測和優化不完全競爭下決策主體的決策和均衡問題。由于能夠分析和預測競爭環境中理性用戶的行為和收益，博弈論越來越多的被應用在無線網絡資源配置和功率控制中。一方面，在異構多認知無線網絡共存環境中，可用頻譜資源的有限性使得用戶競爭行為變得自私。用戶不會考慮其他用戶或整個網絡的利益，而單方面的追尋自身利益最大化。另一方面，認知無線電本質上是自治的，通過學習環境，調節自身工作參數，從而提高、優化網絡性能。針對單認知無線網絡場景中多用戶的相互作用與影響，可以通過博弈建模進行研究。在博弈理論架構中，定義認知無線網絡用戶是參與者，對應的新的傳輸參數(頻率，功率等)選擇是行為集，對應所獲得的網絡性能即決策者的效用集，確定特定場景對應的博弈模型，多方面研究認知無線網絡的行為：首先，通過構建網絡用戶之間的動態頻譜共享博弈模型，在規范的博弈架構下分析用戶行為，并確定工作參數調整策略；其次，博弈論能指導設計頻譜共享問題的各種優化判據，一般而言，頻譜優化利用是一個多目標優化問題，很難獲得其最優解，而博弈論通過尋求不同博弈策略下的均衡判據，能獲得最佳博弈解；再者，非合作博弈僅利用本地信息就能獲得動態頻譜共享的最優資源分配方案，特別適用于分布式認知無線網絡的動態資源配置。

非合作博弈是博弈理論的重要分支，已廣泛用于認知無線電網絡資源分配。如針對ad-hoc網絡應用場景，N.Nie等人提出了基于潛博弈和無悔學習的分布式自適應信道分配算法，建立潛博弈模型很好地解決了自適應信道分配算法的收斂性問題；而為了使得認知網絡用戶不會因為自私性產生效用函數的偏離問題，N.Nie等人還提出了基于無悔學習的分布式自適應信道分配算法。這種算法雖然充分考慮了認知用戶在競爭資源時的公平性問題，但是沒有考慮主用戶受到的干擾；另外，功率的最優化選擇問題也沒有得到很好的解決。A.Mostaani和M.F.Sabahi在N.Nie等人的研究基礎上提出一種新的效用函數設計，結果表明，價格機制下的博弈過程是一種潛博弈，能收斂于納什均衡。此外，Goodman等人首先提出了基于非合作博弈的功率控制算法，該算法指出NPG(Non-cooperative Power control Game)有且僅有一個納什均衡點，但研究表明，該納什均衡點是帕累托無效的。為此，Goodman等人引入代價機制，建立了一種基于線性價格的非合作功率控制博弈模型(NPGP: Non-cooperative Power control Game of Pricing)，其價格函數設計是為了抑制用戶競爭的自私性，使每個用戶對使用的資源付出代價。結果表明，NPGP能夠提高納什均衡點的帕累托效率，但不是最優，其不足是效用函數在零點功率退化而產生退化解。為此，C.W.Sung和W.S.Wong引入與用戶產生干擾比重成正比的非線性價格機制，并從信息論角度構建了用戶的效用函數。以上研究者通常考慮的是利用非合作博弈模型進行一元信息(功率或者信道)的迭代求解，其不足之處在于沒有聯合功率控制和信道選擇。