一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，建立博弈模型，基于用戶節(jié)點(diǎn)的自私性，為多天線中繼系統(tǒng)提供一種新的功率分配方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將多天線中繼選擇系統(tǒng)與博弈論結(jié)合起來，以保障整個(gè)系統(tǒng)性能和個(gè)體用戶之間的公平性，基于用戶節(jié)點(diǎn)的自私性，通過提出一種新的功率分配方案，不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體的效能最優(yōu)，同時(shí)也使用戶的利益最大化。本發(fā)明不僅克服了傳統(tǒng)的非協(xié)作通信整體運(yùn)行效率低下，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，保證了個(gè)體與整體的利益，還提高用戶節(jié)點(diǎn)的信噪比增益。
【專利說明】
-種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié) 作通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，中繼協(xié)作技術(shù)是一個(gè)新興的并具有巨大潛 力和應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。與此同時(shí)，博弈 論作為一種新興的研究手段，已經(jīng)在協(xié)作通信研究的各個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng) 的非協(xié)作通信領(lǐng)域，由于穩(wěn)定性差，浪費(fèi)資源等運(yùn)些弊端，且不能兼顧個(gè)體用戶利益和整體 利益，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率低下。由于無線組織網(wǎng)絡(luò)中用戶的節(jié)點(diǎn)都是自私的，用戶考慮 的是如何最高效率利用自己的資源，W最大化自己的效益，而忽略了整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了 克服運(yùn)些困難，研究人員將博弈論應(yīng)用到多天線系統(tǒng)，效果顯而易見。運(yùn)種方法不僅使系統(tǒng) 傳輸數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，同時(shí)將個(gè)體用戶和整體系統(tǒng)的資源最大化利用，保證了整體利益和個(gè) 體利益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，建立 博弈模型，基于用戶節(jié)點(diǎn)的自私性，為多天線中繼系統(tǒng)提供一種新的功率分配方法，用W提 高用戶節(jié)點(diǎn)的信噪比增益。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案。一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論 的協(xié)作通信方法，包括W下步驟： (1) 選擇某個(gè)源節(jié)點(diǎn)，通過導(dǎo)頻測(cè)量得到所有信道信息的集合； (2) 根據(jù)測(cè)量所得信道信息集合，求解優(yōu)化問題，得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)51、&作為中繼時(shí)的最 優(yōu)發(fā)送功率皆心和巧心； (3) 節(jié)點(diǎn)Si作為源節(jié)點(diǎn)，基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇其多根發(fā)送天線中最優(yōu)的一條天 線，W滿功率Pmax發(fā)送信號(hào)XI，Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是化，S沸化收到信號(hào)向量yRl ; (4) 節(jié)點(diǎn)S2將yR治并成標(biāo)量信號(hào)XRi，W功率巧^"1'按照最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇一根天線 發(fā)送給Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)化，功率if/"1小于等于滿功率Pmax;化接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè) 信號(hào)向量，利用合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)； (5) 節(jié)點(diǎn)S2作為源節(jié)點(diǎn)，基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇多根天線中最優(yōu)的一條天線，W滿 功率發(fā)送信號(hào)X2，S2的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是化，Si和化收到向量信號(hào)YR2; (6) 節(jié)點(diǎn)Si將yR2合并成標(biāo)量信號(hào)邸2, W功率if 娘照最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇一根天線 發(fā)送給S2的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)化，功率if by小于等于滿功率Pmax;化接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè) 信號(hào)向量，利用合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)。
[0005] 步驟(2)所述優(yōu)化問題表示為：
其中， Κι和拉表示節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)S2的協(xié)作策略； Gi和G2表示節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)S2的信噪比增益； 化和化表示采用最小均方誤差接收機(jī)式的最優(yōu)接收濾波器，經(jīng)過處理后接受端處的信 噪比增益； SNR表示各個(gè)鏈路之間的信噪比； ICS是Si到化的信道矩陣的一個(gè)列向量，此列向量是所有列向量中范數(shù)最大的； h含;X。是S2到化的信道矩陣的一個(gè)列向量，此列向量是所有列向量中范數(shù)最大的； Ulmin和化min表示非協(xié)作狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)S2分別作為源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的信噪 比;運(yùn)里節(jié)點(diǎn)Si或S2付出的功率是作為源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Psi與作為中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Ps^ 之和，即譽(yù)胃+巧s'"i，因此節(jié)點(diǎn)Si或S2在不協(xié)作的每個(gè)時(shí)段的傳輸功率應(yīng)是巧巧。心； 求解所述優(yōu)化問題，得到Κι和K2,從而得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Si、S2作為中繼時(shí)的最優(yōu)發(fā)送功率巧 和。所述優(yōu)化問題可W采用遍歷捜索法求解。
[0006] 步驟(3)、（4)、（5)、（6)所述最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則是從信道矩陣的所有列向量，選擇 列向量中范數(shù)最大的一個(gè)，其標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)射天線的最優(yōu)天線。
[0007] 步驟(4)和(6)所述合并準(zhǔn)則是采用了最小均方誤差準(zhǔn)則的合并方法。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將多天線中繼選擇系統(tǒng)與博弈論結(jié)合起來，W保障整個(gè) 系統(tǒng)性能和個(gè)體用戶之間的公平性，基于用戶節(jié)點(diǎn)的自私性，通過提出一種新的功率分配 方案，不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體的效能最優(yōu)，同時(shí)也使用戶的利益最大化。本發(fā)明不僅克服了傳 統(tǒng)的非協(xié)作通信整體運(yùn)行效率低下，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，保證了個(gè)體與整體的利益，還提高用 戶節(jié)點(diǎn)的信噪比增益。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的流程圖； 圖2為對(duì)稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)模型示意圖； 圖3為多天線中繼協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)S1和S2的信噪比增益。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0011] 實(shí)施例1:多天線中繼協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)S2的信噪比增益。
[0012] 本發(fā)明的流程如圖1所示，主要針對(duì)基于博弈論的多天線中繼選擇系統(tǒng)。圖2給出 了一個(gè)對(duì)稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)模型，不妨假設(shè)，用戶節(jié)點(diǎn)Si和用戶節(jié)點(diǎn)S2的天線數(shù)是化，基站化 和化的天線數(shù)是化，用戶Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是Di，而用戶S2的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是〇2。但是Si距離化較S2遠(yuǎn) 些，故想通過協(xié)作方式傳輸數(shù)據(jù)，W增強(qiáng)鏈路性能。S2情況類似。
[0013] 在Matlab仿真的環(huán)境下，采用最優(yōu)的天線選擇，假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)源最大的發(fā)射功率 Pmax=10mW，并具有連續(xù)的功率分配策略空間Κι[Ι = 1，2];源節(jié)點(diǎn)Si和S2均配備2根天線，目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)化和化均配備4根天線。不失一般性，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)均滿足功率歸一化要求:E x|2=l。信道響應(yīng)模型為
其中d是任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，代表大尺度衰落;化是隨機(jī)矩陣，其元素是獨(dú)立同分 布的、均值零、方差一的復(fù)高斯隨機(jī)變量，代表小尺度衰落。所有信道的高斯噪聲功率不妨 設(shè)為〇2 = 1X1〇-8W。設(shè)定節(jié)點(diǎn)2,3,4的坐標(biāo)分別為(600,0)，（800,0)，（0,0)，節(jié)點(diǎn)51的義坐標(biāo) 固定在300，y坐標(biāo)在0至化00之間變化。
[0014] 首先，選擇某個(gè)源節(jié)點(diǎn)，不妨為&，通過導(dǎo)頻測(cè)量得到所有信道信息的集合。
[001引然后，根據(jù)現(xiàn)慢所得信道信息集合，求解如下優(yōu)化問題：
通過遍歷捜索法求解上述優(yōu)化問題，便可W得到Κι和Κ2,從而得到兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)作為中 繼時(shí)的最優(yōu)發(fā)送功率巧
[0016] 是Si到S2的信道的信噪比，
此時(shí)Si采用滿功率發(fā)送數(shù)據(jù);h器是Si到S2的信道矩陣中的一個(gè)列向量，此列向量是所 有列向量中范數(shù)最大的。也有類似定義。
[0017] 是&到化的信道的信噪比，
此時(shí)Si采用滿功率發(fā)送數(shù)據(jù);是Si到化的信道矩陣中的范數(shù)最大的列向量。SAW; 也有類似定義。
[001引 是S2到化的信道的信噪比，
此時(shí)S2作為中繼為Si轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，采用的發(fā)送功率不再是滿功率，而是/ν'κΑ'ι'，一個(gè)小于 等于滿功率的數(shù)值。沒也有類似定義。
[0019] Gi和G康示為節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)S2的信噪比增益。
[0020]然后系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，表1為協(xié)作傳輸時(shí)序表 表1.協(xié)作傳輸時(shí)序表
具體包括如下步驟： 1) 源節(jié)點(diǎn)Si基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇其多根發(fā)送天線中最優(yōu)的一條天線，W滿功率 發(fā)送信號(hào)XI，S2和化收到信號(hào)向量yRi; 2) 另一源節(jié)點(diǎn)S2將yRi合并成標(biāo)量信號(hào)XRi，W功率(小于等于滿功率），按照最優(yōu)天 線選擇準(zhǔn)則選擇一根天線發(fā)送給Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)化。Di接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè)信號(hào) 向量，利用最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)； 3) S2基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇多根天線中最優(yōu)的一條天線，W滿功率發(fā)送信號(hào)X2，Sl 和化收到信號(hào)yR2; 4) Sl將yR2合并成標(biāo)量信號(hào)XR2, W功率if (小于等于滿功率），按照最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則 選擇一根天線發(fā)送給S2的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)化。D2接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè)信號(hào)向量，利用最 小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)。
[0021] 上述最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則均為:從信道矩陣的所有列向量，選擇列向量中范數(shù)最大 的一個(gè)，其標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)射天線的最優(yōu)天線。
[0022] 按照上述步驟之后，協(xié)作傳輸相對(duì)非協(xié)作傳輸?shù)男旁氡仍鲆婕礊镚i和G2,如圖3所 /J、- 〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)選擇某個(gè)源節(jié)點(diǎn)，通過導(dǎo)頻測(cè)量得到所有信道信息的集合； ⑵根據(jù)測(cè)量所得信道信息集合，求解優(yōu)化問題，得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Si、S2作為中繼時(shí)的最優(yōu) 發(fā)送功率'和 (3) 節(jié)點(diǎn)Si作為源節(jié)點(diǎn)，基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇其多根發(fā)送天線中最優(yōu)的一條天 線，以滿功率Pmax發(fā)送信號(hào)^，Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是Di，SdPDi收到信號(hào)向量y R1; (4) 節(jié)點(diǎn)Sd#yR1合并成標(biāo)量信號(hào)XR1，以功率按照最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇一根天線 發(fā)送給Si的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)Di，功率于等于滿功率接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè) 信號(hào)向量，利用合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)； (5) 節(jié)點(diǎn)S2作為源節(jié)點(diǎn)，基于最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇多根天線中最優(yōu)的一條天線，以滿 功率發(fā)送信號(hào)X2，S2的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是D2，Sl和D2收到向量信號(hào)yR2; (6) 節(jié)點(diǎn)Sd#yR2合并成標(biāo)量信號(hào)XR2，以功率#~按照最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則選擇一根天線 發(fā)送給&的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D 2,功率if ~小于等于滿功率Pmax;D2接收直達(dá)鏈路和中繼鏈路的兩個(gè) 信號(hào)向量，利用合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后解調(diào)原始信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，其特征在于， 步驟(2)所述優(yōu)化問題表示為：其中， KjPK2表示節(jié)AS:和節(jié)點(diǎn)&的協(xié)作策略； GjPG2表示節(jié)AS!和節(jié)點(diǎn)S2的信噪比增益； 山和1]2表示采用最小均方誤差接收機(jī)式的最優(yōu)接收濾波器，經(jīng)過處理后接受端處的信 噪比增益； SNR表示各個(gè)鏈路之間的信噪比； 1^5,是&到01的信道矩陣的一個(gè)列向量，此列向量是所有列向量中范數(shù)最大的； 是&到出的信道矩陣的一個(gè)列向量，此列向量是所有列向量中范數(shù)最大的； Ulmi4PU2min表示非協(xié)作狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)&和節(jié)點(diǎn)&分別作為源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的信噪比； 這里節(jié)點(diǎn)SiSSs付出的功率是作為源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Ps1與作為中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率Pd之 和，即^_+，因此節(jié)點(diǎn)51或&在不協(xié)作的每個(gè)時(shí)段的傳輸功率應(yīng)是^+ ;求 解所述優(yōu)化問題，得到KdPK2,從而得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)ShSs作為中繼時(shí)的最優(yōu)發(fā)送功率/f;aT和 nRe/av FS2 ο3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，其特征在于， 所述優(yōu)化問題采用遍歷搜索法求解。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，其特征在于， 步驟(3)、（4)、（5)、（6)所述最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則是從信道矩陣的所有列向量，選擇列向量中 范數(shù)最大的一個(gè)，其標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)射天線的最優(yōu)天線。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線中繼系統(tǒng)中基于博弈論的協(xié)作通信方法，其特征在于， 步驟(4)和(6)所述合并準(zhǔn)則是采用了最小均方誤差準(zhǔn)則的合并方法。
【文檔編號(hào)】H04L5/00GK106059636SQ201610518905
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月1日
【發(fā)明人】桂鵬程, 周雯, 范立生, 李旭濤, 唐雅娟
【申請(qǐng)人】汕頭大學(xué)