认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法
【专利摘要】本发明涉及认知无线网络领域，具体涉及一种认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，包括：计算认知用户的第一信干噪比；计算初始发射功率；根据所述认知用户的第一信干噪比和所述初始发射功率进行迭代，计算最佳发射功率；本发明通过博弈论对发射功率迭代求出最佳功率，是为了在主用户能够容忍最大的干扰门限内通过对发射功率进行功率控制，可以最大化认知用户最优传输功率，克服远近不公平现象，并在满足通信的基本条件下更省电。
【专利说明】认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及认知无线网络【技术领域】，具体涉及一种认知无线网络基于博弈论的自 适应功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信的快速发展，频谱资源变得越发紧张，而且无线频谱资源是不可再 生资源，它的分配利用通常是由无线电法规部门制定的，一般采用固定频带分配原则，这种 原则和方法会造成频谱资源日趋缺失。另一方面，现有分配制度会使包括郊区在内的各类 地区在大部分时间内频带没有被占用，造成频谱利用率很低，频谱资源的浪费。因此，提高 频谱利用率是解决频谱资源稀缺问题的有效方式。
[0003] 提高频谱利用率是指当主用户处于空闲的时候，在对主用户不造成干扰的情况 下，认知用户接入空闲频段，从而提高认知无线网络频谱的使用效率。主用户是指在认知 无线电中允许占用信道的用户。认知用户是指在认知无线电中没有得到频谱接入许可的用 户，它的盲目接入会引起对主用户的干扰。
[0004] 认知无线网络的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通 信设备可以按照某种"伺机（OpportunisticWay)"的方式工作在已授权的频段内。当然， 这一定要建立在已授权频段空闲或只有很少的通信业务处于活动状态的情况下以及不会 对主用户造成干扰的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被 称为"频谱空洞"。
[0005] 认知无线网络的核心思想是使无线通信设备具有发现"频谱空洞"并合理利用的 能力。当认知用户通过"借用"的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证不会影响到主用 户的通信。要做到这一点，认知用户必须按照一定的规则来使用所发现的"频谱空洞"。在 认知无线网络中，这样的规则是以某种机器可理解的形式加载到通信终端上。由于这些规 则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这 些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理频谱资源。
[0006] 在无线通信系统中，功率控制的主要目的，就是尽量减少同信道干扰和信道间干 扰，一般通过利用发射功率来抑制干扰，从而增加系统容量、改善通信质量。其基本思想是 调节发射机的发射功率，在满足通信质量要求的前提下，使得在接收机处的接收功率尽量 小。功率控制是在满足用户公平性的基础上，通过有效的控制用户的发射功率，以满足用户 的通信质量需求。在满足通信质量要求的情况下，通过减少发射功率还可以达到省电目的， 因为目前终端如手机等大多是通过电池来提供能量，如果减少了发射功率，自然就会延长 电池等的使用时间。
[0007]目前关于功率控制算法很多，国内常用的认知无线网络功率控制算法是采用微观 经济学的观点与方法来解决，例如效用函数及代价函数。在无线通信中，当所有的终端用 户分别调整各自的发射功率以最大化自己的效用函数时，此时的发射功率都可能过高，各 自的信号都将对其他用户产生干扰。此处的效用函数可以是用户接收端所获得的信干噪 t匕。以微观经济学中的观点来看，这种多用户之间不断调整发射功率的过程就是一个博弈 过程，利用博弈论的知识，就可在对通信业务的效用函数和代价函数组成的考察对象中，寻 找到这个博弈过程的纳什均衡点，从而寻求个体与全局的平衡。
[0008] 博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时候的决策以及这种决策的均 衡问题。因为频谱资源的稀缺，要求使用的用户都拥有自私属性，竞争频谱资源的用户没有 激励促使他们与其他的竞争者合作。因此，需要利用博弈论来研究在频谱资源争夺的过程 中各个自私用户的决策及交互行为。现常利用博弈论来解决认知无线网络中各用户功率控 制的问题。
[0009]由于在系统模型中，发射功率是可以控制的，是典型的分布式功率控制，这与博弈 论中的非合作博弈中的完全静态博弈很相似，因此，可以通过博弈论效用函数来表达功率 控制的过程。
[0010] 博弈论中的纳什均衡解是一种策略组合，它使得每个网络节点的策略是对其他网 络节点的最优反应。即如果没有节点单独行动而增加收益的话，那么这个策略组合叫做纳 什均衡。因为在分布式网络中，每一个认知用户都是以自私的方式通过最佳功率水平来实 现自己利益最大化，会使发射功率可能不存在或不唯一。因此，在求发射功率前必须先证明 纳什均衡的存在性与唯一性。
[0011] 不少的认知无线网络功率控制问题研究是从传统的功率控制算法中得到的启 发。但是仍然有很多问题，例如会出现远近不公平性现象，当认知用户距离基站远时，认知 用户的发射功率增大，而信干噪比却很小，不能满足通信需求。例如在2005年IEEE/ACM transactiononnetworking第 13卷5号出版的"AnashgamealgorithmforSIR-Based powercontrolin3GwirelessCDMAnetworks" 一文中的K_G算法虽然对信干噪比的阀 值进行了设定，但该算法只满足上限阀值，不一定满足下限阀值，因而不能克服远近不公平 性；2010年《信号处理》第26卷8号出版的《认知无线电系统中一种新的自适应功率控制 算法》中提出的PG-K-G算法虽然对其进行了改进，克服了通信系统中的远近不公平性，但功 率消耗相对较高，不利于省电。
【发明内容】
[0012] 本发明分别针对无线网络中远近不公平现象及需要省电情况，提出了认知无线网 络基于非合作完全静态博弈论的自适应功率控制方法，利用效用函数来进行自适应功率控 制，效用函数考虑信干噪比的门限值以及最大功率要求的限制。本发明可以克服远近不公 平现象，并在满足通信要求的基础上，达到省电效果。
[0013] 本发明一种认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，包括：
[0014] 101、计算认知用户的第一信干噪比；
[0015] 102、计算初始发射功率；
[0016] 103、根据认知用户的第一信干噪比和初始发射功率进行迭代，计算最佳发射功 率；
[0017] 优选地，包括104、通过最佳发射功率计算认知用户的第二信干噪比，通过第二信 干噪比将最佳发射功率调整到目标信干噪比范围内；
[0018] 本发明可以解决无线网络中的远近不公平现象，在满足基本通信需求的同时，还 有节省电能的功能，通过功率控制，来减小发射功率，可以减少功率不必要的浪费，延长电 源的使用时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法优选实施例流程 示意图；
[0020] 图2为本发明认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法另一优选实施例 流程示意图；
[0021] 图3本发明与现有技术SINR公平因子随着迭代次数变化对比曲线图；
[0022] 图4本发明与现有技术平均发射功率随着迭代次数变化对比曲线图；
[0023] 图5为本发明对参数&自适应调整前后对比曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 为便于描述，本发明假定构建一个系统模型，假定一个分布式网络小区中有1个 基站及N个认知用户。该网络小区为圆形小区，且基站位于圆心处。认知用户随机分布于 小区内，认知用户间存在相互干扰。其中，认知用户是指在认知无线电中没有得到频谱接入 信道许可的用户。
[0026] 本发明提出认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其目的在于寻求得 最佳发射功率，来解决远近不公平性以及满足省电要求，其步骤包括：
[0027] 步骤101、计算认知用户的第一信干噪比，【具体实施方式】如下：
[0028] 基站接收到用户i的第一信干噪比公式为：
【权利要求】
1. 认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征在于：包括： 101、 计算认知用户的第一信干噪比； 102、 计算初始发射功率； 103、 根据所述认知用户的第一信干噪比和所述初始发射功率进行迭代，计算最佳发射 功率。
2. 根据权利要求1所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征在 于：还包括步骤104,通过最佳发射功率计算认知用户的第二信干噪比，通过第二信干噪比 将最佳发射功率调整到目标信干噪比范围内。
3. 根据权利要求1或2所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征 在于：所述步骤101计算认知用户的第一信干噪比为：
其中，hi为信道增益，Ai / <n，A为常数增益，Cli为用户i与基站的距离，m为路径 衰落因子；Pi为用户i的发射功率，hiPi为基站接受的功率；为用户间扩频码的相关系 数；Vi为噪声，为小区内其他用户对用户i的干扰。
4. 根据权利要求1或2所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征 在于：所述步骤102计算初始发射功率，包括：
其中，h为影响因子；Pimax为最大允许功率；Ii 為巧+V,为其他用户对用 户i的干扰与噪声的和；Amin为信干噪比最小阀值九为信道增益，&为信干噪比。
5. 根据权利要求1或2所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征 在于：所述步骤103根据认知用户的第一信干噪比和初始发射功率进行迭代，计算最佳发 射功率，包括： 103-1、计算第n+1次发射功率
其中，Pin为第η次发射功率；ki为改变因子，其取值范围为IO11彡h彡IO15;rimin为最 小允许阀值；Piniax为最大允许功率；hi为信道增益；为第η次信干噪比； 103-2、判断第n+1次发射功率是否是纳什均衡最佳发射功率 即判断第n+1次发射功率与第η次发射功率的差是否小于迭代误差ΚΓ15,如果满足，则 Zfi为纳什均衡最佳发射功率。
6. 根据权利要求5所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征在 于：所述步骤104通过最佳发射功率计算认知用户的第二信干噪比：
式中，Pin+1为最佳发射功率，信道增益hi为hi=AMApi为用户i的发射功率，hiPi为 基站接收的功率，为用户间扩频码的相关系数，Vi为噪声。
7. 根据权利要求6所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征在 于：通过第二信干噪比将最佳发射功率调整到目标信干噪比范围内，包括：如果第二信干 噪比超过最大允许阀值^max时，通过自适应调整参数改变h的值，并返回步骤103,直到第 二信干噪比在所允许的阀值范围以内，否则，计算完成。
8. 根据权利要求7所述认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，其特征在 于：所述自适应调整参数为：
其中，Ici为改变因子,其取值范围为IO11彡Ici彡IO15Amin为最小允许阀值；An+1为求 得的第二信干噪比。
【文档编号】H04W52/24GK104320840SQ201410605917
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】朱江, 杨浩磊, 韩超, 张佳佳, 袁迎慧, 喻嘉兵 申请人:重庆邮电大学