專利名稱：一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控 制方法。
背景技術(shù)：
近年來，不斷增長的對于各種無線技術(shù)的依賴引發(fā)了對頻譜帶寬的巨大需求。 傳統(tǒng)模式的無線網(wǎng)絡(luò)按照一種固定的頻譜分配方式將大部分頻譜資源分配給主用戶 (Primary User)，然而大部分的頻譜利用率很低，甚至低至15 %，為此，人們提出了認(rèn)知無 線電的概念，其基本出發(fā)點(diǎn)就是為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以 按照某種“伺機(jī)(Opportunistic Way) ”的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。這種在空域、時域 和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。認(rèn)知無線電的核心思想就是使 無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。功率控制是認(rèn)知無線電的一項關(guān)鍵技術(shù)，對認(rèn)知用戶進(jìn)行有效的功率控制不僅能 降低認(rèn)知用戶之間的干擾，同時也能降低對主用戶的干擾。研究表明，博弈論作為數(shù)學(xué)的一 個分支，是處理無線環(huán)境中分布式資源最優(yōu)分配的一個有力工具，而分布式功率控制可以 建成一個非合作的博弈模型，也就是說模型中，每個用戶都是理性和自私的。干擾是衡量無線傳輸過程的一個重要指標(biāo)，近年來，F(xiàn)CC(美國聯(lián)邦通信委員會) 提出了一種新的模型來測量發(fā)生在接收端的干擾值，稱之為干擾溫度。與傳統(tǒng)方法不一樣， 干擾溫度模型基于干擾門限值在主用戶接收端對所有干擾進(jìn)行管理限制，該門限值是主用 戶接收端所能承受的干擾總和。也就是說，干擾溫度模型設(shè)定了一個干擾最大值，只要所有 干擾的綜合不超過這個最大值，認(rèn)知用戶就可以使用該頻段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法，保證認(rèn)證用戶功率得到公 平控制。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法，其特征在于，包括以下 步驟(1)、定義效用函數(shù)
(1)每一個認(rèn)知用戶自身的功率值構(gòu)成功率向量ρ = [Ρι，Ρ2，···，Ρν]，其中，N為人知 用戶的數(shù)量，P-J表示向量P除去第j個認(rèn)知用戶功率值的剩余部分；al、效用部分ln(l+Yj)為效用部分，表示認(rèn)知用戶j的得益；效用部分的Yj表示認(rèn)知用戶j的SIR(Signal-to_Interference Ratio信干比)， 其定義如下
其中，W表示可利用的頻譜帶寬，R是比特率，δ 2是在認(rèn)知基站的高斯白噪聲，Pj 是認(rèn)知用戶j的功率，~表示認(rèn)知用戶j到基站的路徑增益，、=，而A是一個常數(shù)，A =0. 097，Clj表示認(rèn)知用戶j到基站的距離；表示除第j個認(rèn)知用戶外，其他認(rèn)知用戶i功率與路徑增益乘積之和；a2、代價部分。巧=W6^wjP7.為代價部分，表示認(rèn)知用戶j需要付出的代價，以限制認(rèn)知用戶j
為了得到高的效用值而無限提高自身的發(fā)射功率，若只是考慮用戶的自私性，整個系統(tǒng)的 性能就會降低；其中，為代價系數(shù)，λ是一個常系數(shù)，b是擴(kuò)大因子，以擴(kuò)大代價系數(shù)的 影響效果；Io是常數(shù)，I。= 0. 9Imax是設(shè)定的一個干擾門限值，而Imax表示主用戶所能承受的 最大干擾功率值，也就是干擾溫度；/ = 巧表示所有認(rèn)知用戶對主用戶干擾的總和，式中&的作用和、類似，表示
J=I
認(rèn)知用戶j與主用戶之間的路徑增益，& =」/巧，A表示認(rèn)知用戶到主用戶的距離，在整個 效用函數(shù)中，ι會隨著P」的增大而增大，越高的ι會導(dǎo)致代價系數(shù)呈幾何倍數(shù)增加，從而引 起更高的代價。(2)、迭代計算，得到各認(rèn)知用戶的功率bl、設(shè)置迭代次數(shù)k = 0時的初始功率，即ρ (k = 0) = [P1 (k = 0) , p2 (k = 0), · · · , pN (k = 0) ] = [plmin, p2min,. . . , pNmin],其 中，Plmin，P2min' . . .，PNmin為各認(rèn)知用戶功率取值空間中的最小值，同時定義精度值ε，ε > 0 ；b2、令迭代次數(shù)k = k+Ι，令 對于第j個認(rèn)知用戶，令 然后通過以下公式不斷更新功率的取值，獲得認(rèn)知用戶j在該次迭代中新的功率 值
(5)b3、對于所有的認(rèn)知用戶，如果I ρ Jk)-ρ Jk-l) I彡ε，那么化㈦就是需要得到的 最優(yōu)功率值，否則就返回步驟b2，繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代過程。在本發(fā)明中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法首先將主用戶所能承受的最大干擾功率值Imax融入功率控制方法當(dāng)中，使得干擾溫度能夠直接影響效用函數(shù)ιι>」，ρ_ρ中代價系數(shù) C7 = ；IeiPw的變化，進(jìn)而影響到整個效用函數(shù)Uj (Pj, p_j)，然后，通過迭代計算，得到各認(rèn)知 用戶的功率，在一定程度上保證了認(rèn)知用戶的功率控制公平性。


圖1是本發(fā)明認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖2是認(rèn)知用戶的功率值比較圖；圖3是認(rèn)知用戶的效用函數(shù)值比較圖；圖4是認(rèn)知用戶的收斂過程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。圖1是本發(fā)明認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)示意圖。在本實(shí)施例中，如圖2所示，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)有N個認(rèn)知用戶，一個認(rèn)知基站和一個主用 戶。由于主用戶與認(rèn)知用戶相互影響，因此，博弈論提供了一個分析這種行為的框架體系。一、博弈模型的確定通用的非合作功率控制博弈模型定義如下G = [N，{Pj}，Iuj ( · )} ] (6)該博弈模型包括了三個要素1、參與者j e {1,2, . . .，N}，其中，j = 1,2, . . .，N表示第j個認(rèn)知用戶；2、策略空間P = P1 XP2XPn表示所有的功率向量，其中乃=
表示第j個認(rèn)知 用戶的取值空間，表示第j個認(rèn)知用戶的最大傳輸功率值，每一個認(rèn)知用戶的功率值構(gòu) 成功率向量 ρ = [P1, P2,...，PN] e ρ ；3、效用函數(shù)第j個認(rèn)知用戶的效用函數(shù)用Uj(P)來表示。通常情況，我們也采用 另外一種表示方式 (PpP_p，其中Pd表示向量P除去第j個認(rèn)知用戶功率值的剩余部分。二、效用函數(shù)基于上述博弈模型，在本發(fā)明中，將干擾溫度作為代價函數(shù)的一部分，即將最大干 擾功率值Imax融入功率控制方法當(dāng)中，使得干擾溫度能夠直接影響效用函數(shù)+ (PjjP^j)中代 價系數(shù)。= Wft^w的變化，進(jìn)而影響到整個效用函數(shù)。因?yàn)檎J(rèn)知用戶在傳輸過程中會對主 用戶產(chǎn)生干擾，所以，用戶必須盡可能使用最小的傳輸功率并達(dá)到最好的傳輸效果。因此， 在本發(fā)明中，效用函數(shù)定義如下 三、納什均衡的存在性和唯一性證明納什均衡的定義如果一個博弈模型G= [N, {Pj} , {Uj(·)}]，對每一個用戶， Uj (P JjP-P ^Uj(p' j，p_j)，并且 P' j e Pj,那么功率向量 P = [Pl，P2,...，PN]就是該博弈 模型的納什均衡點(diǎn)。
納什均衡是一個穩(wěn)定狀態(tài)，參與者通過競爭與自我優(yōu)化達(dá)到一個均衡狀態(tài)，而在 這個狀態(tài)下，沒有任何用戶愿意單方面的偏移，同時，在給定的其他用戶的功率值的情況 下，也沒有任何用戶能夠通過單獨(dú)改變自身的功率來提高效用值，這個功率值是對其他用 戶已選擇功率的最優(yōu)反應(yīng)。存在性納什均衡存在定理若對于所有用戶都滿足以下兩個條件，則該博弈模型G = [N， {Pj}, { _(·)}]存在納什均衡點(diǎn)a. Pj是歐幾里德空間中的一個非空的，凸性的緊致子集；b,Uj(p)在ρ上是連續(xù)的，并且關(guān)于Pj具有擬凹性。由于認(rèn)知用戶的功率都是定義在一個最大和最小功率之間的一個閉子集，所以的 功率都在其中，因此，第一個條件就滿足了，我們只需證明第二個條件滿足即可。我們對效用函數(shù)Uj (Pj, p_j)，求關(guān)于Pj的二階導(dǎo)數(shù) 從以上公式我們?nèi)菀椎贸觯в煤瘮?shù) !」(ρ」，ρ_ρ的二階導(dǎo)數(shù)恒小于0，即
(8)二階導(dǎo)數(shù)恒小于0表明，效用函數(shù)關(guān)于P」是凹函數(shù)，因?yàn)榘己瘮?shù)一定是擬凹性的， 因此，效用函數(shù)關(guān)于Pj是擬凹的，第二個條件得以證明。綜上所述，本發(fā)明提出的效用函數(shù)Uj(Pj，p_j)能夠滿足納什均衡存在定理的所有 條件，因此，在這個博弈模型中至少存在一個納什均衡點(diǎn)。唯一性在博弈論中，效用函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)也可以稱之為反應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)的解被定義為 納什均衡點(diǎn)。因此，令效用函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)等于0，即
所得到的結(jié)果也就是我們需要的納什均衡值。 我們將效用函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)拆分為兩部分 ^jOy'P-y) _ 乃，1
(10) (11)
那么對效用函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的求解過程可以描述成以下形式 ^(PpV-j) = du^ip^^)(12)
容易證明公式(10)的一階導(dǎo)數(shù)小于0，而公式(11)的一階導(dǎo)數(shù)大
于0。顯然，“7是關(guān)于Pj的嚴(yán)格的單調(diào)減函數(shù)，而~是關(guān)
于ρ j的嚴(yán)格的單調(diào)增函數(shù)，同時我們可以得至IJ
’結(jié)合之前已經(jīng)證明了該博弈模型納什均衡的存在性，可
以得出方程(12)具有唯一解，也就是說效用函數(shù)1!」(Ρ」，Ρ_」)的納什均衡點(diǎn)唯一。實(shí)例在一個認(rèn)知系統(tǒng)中，有8個認(rèn)知用戶和1個主用戶，8個認(rèn)知用戶離認(rèn)知基站的 距離為 d = [320 360 400 440 490 530 580 640]m，離主用戶的距離為 D = [342365 383 408 436 468 502 544]m，其余的參數(shù)設(shè)定如表1所示 表 1圖2是認(rèn)知用戶的功率值比較圖、圖3是認(rèn)知用戶的效用函數(shù)值比較圖。在圖2和圖3中，現(xiàn)有技術(shù)的曲線表示只有靜態(tài)代價系數(shù)的效用函數(shù)的曲線圖，該 效用函數(shù)是Uj (Pj, p_j) = In (1+ y j) -CjPj，其中Cj為固定常數(shù)；本發(fā)明的曲線是指具有基于 干擾溫度的動態(tài)代價系數(shù)構(gòu)成的效用函數(shù)的曲線。圖2比較的是兩者的功率值，圖中顯示了納什均衡狀態(tài)下每個認(rèn)知用戶最終的功 率取值情況，從圖中可以直觀的看出，本發(fā)明提出的博弈模型所得到的功率值較低，而且隨 著距離的變化，功率的變化較平緩。圖3比較的是兩者的效用值，結(jié)合圖3的結(jié)果，我們可以得出，本發(fā)明提出的效用 函數(shù)在較低功率的情況下，能得到較高的效用值。綜合圖2和圖3，容易得到，本發(fā)明提出的基于動態(tài)代價系數(shù)的功率控制方法具有 明顯的改善。圖4是認(rèn)知用戶的收斂過程圖。表示的是發(fā)明提出的功率控制的收斂過程，從圖4 中可以看出，所有認(rèn)知用戶大都在迭代30次左右趨于平穩(wěn)狀態(tài)，雖然這個收斂速度并不是 很快，但是動態(tài)代價系數(shù)在一定程度上保證了系統(tǒng)的公平性。本發(fā)明提供了一種認(rèn)知無線系統(tǒng)中認(rèn)知用戶和主用戶之間的功率控制方法，通過 建立了新的博弈模型和具有基于干擾溫度的動態(tài)代價系數(shù)的效用函數(shù)，對認(rèn)知用戶功率進(jìn)行有效控制，保證各認(rèn)知用戶的公平性。 盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)、定義效用函數(shù) <mrow><msub> <mi>u</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>p</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>p</mi><mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow> <mo>j</mo> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub><mi>&gamma;</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub><mi>&gamma;</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>&lambda;</mi><msup> <mi>e</mi> <mrow><mi>b</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>I</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msup><msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>每一個認(rèn)知用戶自身的功率值構(gòu)成功率向量p＝[p1，p2，...，pN]，其中，N為人知用戶的數(shù)量，p j表示向量p除去第j個認(rèn)知用戶功率值的剩余部分；a1、效用部分ln(1+γj)為效用部分，表示認(rèn)知用戶j的得益；效用部分的γj表示認(rèn)知用戶j的SIR(Signal to Interference Ratio信干比)，其定義如下 <mrow><msub> <mi>&gamma;</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>W</mi> <mi>R</mi></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow> <mrow><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>&NotEqual;</mo><mi>j</mi> </mrow></munder><msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msup> <mi>&delta;</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，W表示可利用的頻譜帶寬，R是比特率，δ2是在認(rèn)知基站的高斯白噪聲，pj是認(rèn)知用戶j的功率，hj表示認(rèn)知用戶j到基站的路徑增益，而A是一個常數(shù)，A＝0.097，dj表示認(rèn)知用戶j到基站的距離；表示除第j個認(rèn)知用戶外，其他認(rèn)知用戶i功率與路徑增益乘積之和；a2、代價部分為代價部分，表示認(rèn)知用戶j需要付出的代價，以限制認(rèn)知用戶j為了得到高的效用值而無限提高自身的發(fā)射功率，若只是考慮用戶的自私性，整個系統(tǒng)的性能就會降低；其中，為代價系數(shù)，λ是一個常系數(shù)，b是擴(kuò)大因子，以擴(kuò)大代價系數(shù)的影響效果；I0是常數(shù)，I0＝0.9Imax是設(shè)定的一個干擾門限值，而Imax表示主用戶所能承受的最大干擾功率值，也就是干擾溫度；表示所有認(rèn)知用戶對主用戶干擾的總和，式中g(shù)j的作用和hj類似，表示認(rèn)知用戶j與主用戶之間的路徑增益，Dj表示認(rèn)知用戶到主用戶的距離，在整個效用函數(shù)中，I會隨著pj的增大而增大，越高的I會導(dǎo)致代價系數(shù)呈幾何倍數(shù)增加，從而引起更高的代價。(2)、迭代計算，得到各認(rèn)知用戶的功率b1、設(shè)置迭代次數(shù)k＝0時的初始功率，即p(k＝0)＝[p1(k＝0)，p2(k＝0)，...，pN(k＝0)]＝[p1min，p2min，...，pNmin]，其中，P1min，p2min，pNmin為各認(rèn)知用戶功率取值空間中的最小值，同時定義精度值ε，ε＞0；b2、令迭代次數(shù)k＝k+1，令 <mrow><msub> <mi>&gamma;</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mi>W</mi> <mi>R</mi></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>&NotEqual;</mo><mi>j</mi> </mrow></munder><msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup> <mi>&delta;</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>對于第j個認(rèn)知用戶，令 <mrow><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>&NotEqual;</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>g</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>g</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>然后通過以下公式不斷更新功率的取值，獲得認(rèn)知用戶j在該次迭代中新的功率值 <mrow><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>p</mi><mi>j</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub><mi>p</mi><mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>b3、對于所有的認(rèn)知用戶，如果|pj(k) pj(k 1)|≤ε，那么pj(k)就是需要得到的最優(yōu)功率值，否則就返回步驟b2，繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代過程。FSA00000256583400013.tif,FSA00000256583400014.tif,FSA00000256583400015.tif,FSA00000256583400016.tif,FSA00000256583400017.tif,FSA00000256583400018.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方法首先將主用戶所能承受的最大干擾功率值Imax融入功率控制方法當(dāng)中，使得干擾溫度能夠直接影響效用函數(shù)uj(pj，p-j)中代價系數(shù)的變化，進(jìn)而影響到整個效用函數(shù)uj(pj，p-j)，然后，通過迭代計算，得到各認(rèn)知用戶的功率，在一定程度上保證了認(rèn)知用戶的功率控制公平性。
文檔編號H04W52/24GK101925169SQ20101027234
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者劉健, 吳霜, 隆克平 申請人:電子科技大學(xué)