一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法

本发明涉及无线通信，具体指一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法。

背景技术：

1、近年来，无线通信发展态势迅猛，移动用户的应用业务量以指数形式急剧增长，各种应用对无线资源的需求也随之增加，不同应用的资源需求量各异，因此对有限的无线资源进行合理配置显得十分重要。博弈论是应用数学的分支之一，可以作为解决冲突和合作的工具，它可以为用户间的交互作用提供一个合适的分析框架，其主要研究的是多个有利益冲突的理性决策者在相互影响，相互制约的情况下有利于所有参与者获得相应均衡的问题。

2、智能反射表面(irs)因为其能够灵活操控信道环境中的电磁特性，在产业推进上发展迅速，被认为是未来实现高效频谱无线通信系统的一种很有前途的新技术。智能反射表面具有低成本、低能耗、可编程、容易部署等特点，通常由大量精心设计的电磁单元排列组成，通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号，可以动态地控制这些电磁单元的电磁性质，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率等参数可控制的电磁场。

3、irs的引入将带来信道特性的全新变化，有机会实现无线信道的重构，突破传统网络无线传播信道的限制。irs可以主动地丰富信道散射条件，增强无线通信系统的复用增益，irs还可以在三维空间中实现信号传播方向调控及同相位叠加，增大接收信号强度，提高通信设备之间的传输性能。

4、现有的irs资源分配方法主要有两种：固定分配方法和动态分配方法。如果通过固态分配发将irs资源分配固定在特定的位置，则无法对不同用户或不同网络需求进行灵活调整，当网络拓扑或用户位置发生改变时，需要重新调整irs资源分配，增加了管理和维护的成本。而动态分配方法的计算复杂度较高，需要考虑多个因素，如信道状态、用户位置等，同时可能存在过分竞争irs资源的问题，导致性能下降。因此，合适的智能反射表面资源的分配方法对于irs辅助无线通信非常重要。基于此，本发明提出了一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，实现了提高用户效用、irs收益最大化的目标。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，包括以下步骤：

4、步骤1：计算用户k的效用函数vk

5、步骤2：计算irs的效用函数wk

6、步骤3：计算最优的irs单元分配个数bk*

7、步骤4：计算最优的irs定价prk*

8、步骤5：计算价格更新函数i(prk):

9、步骤6：给定初始定价prk，将其代入到价格更新函数i(prk)，判断每一次迭代出来的irs定价是否等于prk*，不相等则返回步骤5。

10、步骤7：智能反射表面资源分配方法结束。

11、作为优选，步骤1具体如下：

12、用户k的效用函数vk计算方法如下：

13、vk＝blog2(1+γk)-prkbk

14、其中b为信道带宽，k为用户数，γk是用户k接收到的信噪比，prk为用户k支付irs单元的价格，bk为用户k分配到的irs单元的数目。在mu-siso-ofdm系统中，每个用户被分配一组独立的正交子载波进行并行传输，可以避免用户之间的干扰，所以信噪比γk可以写成如下形式：

15、

16、上式中pt为基站发射功率，∑为求和符号，n为irs单元的数目，为第n个irs单元到用户的基带等效信道，βn为第n个irs单元的幅度值，0≤βn≤1，θn为第n个irs单元的相位值，mod表示取模运算，φn,ηn,分别为gn，的相位、gn为基站到第n个irs单元的基带等效信道、为基站到用户的基带等效信道，σk2为用户k的接收机上的高斯噪声的方差。

17、作为优选，步骤2具体如下：

18、wk＝(prk-c)bk

19、其中prk为用户k支付irs单元的价格，c为irs单元的成本价格，bk为用户k分配到的irs单元的数目。

20、作为优选，步骤3具体如下：

21、利用非线性最小二乘法进行幂函数拟合，将用户k的效用函数拟合成如下形式：

22、vk＝abke+d-prkbk

23、其中a,d,e为拟合曲线的参数，bk为用户k分配到的irs单元的数目，prk为用户k支付irs单元的价格。

24、利用用户的效用函数的一阶偏导数求解最优的irs单元分配个数bk*：

25、令则

26、可以解得最优的irs单元分配个数：

27、作为优选，步骤4具体如下：

28、利用bk*和irs的效用函数的一阶偏导数求解最优的irs定价prk*，

29、令则

30、可以解得最优的irs定价：

31、作为优选，步骤5具体如下：

32、价格更新函数计算方法如下：

33、

34、其中c为irs单元的成本价格，prk为用户k支付irs单元的价格，e为拟合曲线的参数。

35、作为优选，步骤6具体如下：

36、给定初始的定价：prk＝c，将价格prk代入到价格更新函数i(prk),对用户的出价进行更新，直到多次迭代后in(prk)收敛至最优的irs定价prk*，irs即可得到它的最大收益，用户也相应的购买到了最优的irs单元个数。

37、本发明具有以下的特点和有益效果：

38、采用上述技术方案，本发明引用了“决策理论”中的“效用理论”、非合作博弈论中的“纳什均衡”理论以及“最优响应动态”的思想，利用stackelberg博弈提出了一个定价机制来解决irs反射单元数合理分配的问题，通过计算得到的价格更新函数可以收敛至最优的irs定价，实现了irs资源合理分配以及irs收益最大化的目标。

技术特征：

1.一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s1中，用户k的效用函数vk计算方法如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s1中，在mu-siso-ofdm系统中，每个用户被分配一组独立的正交子载波进行并行传输，信噪比γk写成如下形式：

4.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s1中，irs的效用函数wk的计算方法如下：

5.根据权利要求3所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s3-1中，幂函数拟合，表达式如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s3-2中，求解最优的irs单元分配个数bk*，表达式如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，其特征在于，所述步骤s4中，求解最优的irs定价prk*，表达式如下：

技术总结
本发明提供了一种基于博弈论的智能反射表面资源分配方法，包括以下步骤：步骤1：计算用户k的效用函数V<subgt;k</subgt;；步骤2：计算IRS的效用函数w<subgt;k</subgt;；步骤3：计算最优的IRS单元分配个数b<subgt;k</subgt;<supgt;*</supgt;；步骤4：计算最优的IRS定价Pr<subgt;k</subgt;<supgt;*</supgt;；步骤5：计算价格更新函数I(Pr<subgt;k</subgt;)；步骤6：给定初始定价pr<subgt;k</subgt;，将其代入到价格更新函数I(Pr<subgt;k</subgt;)，判断每一次迭代出来的IRS定价是否等于Pr<subgt;k</subgt;<supgt;*</supgt;，不相等则返回步骤5。步骤7：智能反射表面资源分配方法结束。上述技术方案，引用了非合作博弈论的相关理论，利用stackelberg博弈提出了一个定价机制来解决IRS反射单元数分配的问题，实现了提高用户效用、IRS收益最大化的目标。

技术研发人员：曾嵘,周磊,包建荣,应娜,王浩,易志强,姜斌
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13