基于博弈論的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)資源分配算法研究

孫石峰　羅成

摘 要：在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，路徑損耗、陰影衰落和多徑效應(yīng)等嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量和傳輸速率。協(xié)同通信作為未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效地解決以上問題。但是，在協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中，需要解決好中繼選擇和資源分配關(guān)鍵技術(shù)問題。針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的傳輸特性，提出基于拍賣理論的中繼節(jié)點(diǎn)功率分配算法，中繼節(jié)點(diǎn)把中繼功率作為拍賣物品賣給源用戶。該方案引入了中繼節(jié)點(diǎn)懲罰因子更新函數(shù)，通過迭代達(dá)到系統(tǒng)均衡狀態(tài)。軟件仿真和分析顯示，該算法改善了用戶接收端的信噪比，改善了系統(tǒng)及用戶的傳輸速率。

關(guān)鍵詞：協(xié)同通信 博弈論 功率分配 帶寬分配

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0094-03

1 引言

移動(dòng)通信從主要的語音通信到多媒體通信、到今天的大數(shù)據(jù)時(shí)代通信，使得用戶對(duì)無線通信帶寬的需求劇增，稀缺的無線頻帶資源已成為加快無線通信更新?lián)Q代的牽制要素，造成頻譜資源緊張的主要因素是頻譜的固定分配方式[1，2]，因此有效地頻譜資源分配對(duì)于無線通信的發(fā)展具有重要意義。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中通過一系列單用戶節(jié)點(diǎn)形成虛擬天線陣列，協(xié)同通信在提升系統(tǒng)可靠性和高容量方面具有極大地優(yōu)勢(shì)。協(xié)同通信技術(shù)是可以最大化利用現(xiàn)有資源的一種有效手段，可廣泛應(yīng)用于蜂窩通信網(wǎng)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)和下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，因而對(duì)無線通信的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。

在無線通信不斷進(jìn)步的進(jìn)程中，人們對(duì)于通信速率及通信的質(zhì)量有更高的期待和需求。而協(xié)作分集技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)生的，協(xié)作分集技術(shù)不僅在一定程度上可以抗擊各種衰落效應(yīng)，而且可以改善通信質(zhì)量和提高頻譜的利用效率，因而，這些年協(xié)作通信成為研究的熱點(diǎn)，受到很高的關(guān)注。在蜂窩通信中，通過協(xié)作中繼通信系統(tǒng)，不僅可以增大小區(qū)的覆蓋范圍，而且可以提高通信的質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。對(duì)于無線通信而言，有效的網(wǎng)絡(luò)資源分配極其重要，可以提高功率和帶寬等資源的高效配置，提升通信質(zhì)量，減小時(shí)間的延遲和數(shù)據(jù)丟失。

文獻(xiàn)[3]和[4]中研究了高斯并行中繼網(wǎng)絡(luò)中的功率分配問題，研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)策略和解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略與共享信道和正交信道的情況，得出解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略下，最優(yōu)分配方案是選擇一個(gè)信道狀況最好的協(xié)作中繼，并且分配全額的中繼功率協(xié)作傳輸。文獻(xiàn)[5]為頻譜拍賣建立一個(gè)優(yōu)化問題模型，并分析了價(jià)格設(shè)計(jì)對(duì)資源分配的重要性。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了多種頻譜分配的拍賣算法來獲取最優(yōu)的全局效益。文獻(xiàn)[7]建立了一個(gè)多拍賣多競(jìng)拍者的頻譜資源拍賣機(jī)制，并證明納什均衡的收斂性。

該文中以多用戶單中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)功率分配為中心展開。主要利用拍賣理論解決單協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)基于放大轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的功率分配問題。該文構(gòu)建基于信道容量的效用函數(shù)，引入中繼節(jié)點(diǎn)價(jià)格策略，提出協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)通信的功率分配方案。

2 系統(tǒng)模型

由于中繼節(jié)點(diǎn)只放大轉(zhuǎn)發(fā)用戶發(fā)來的信號(hào)，基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的協(xié)作中繼通信系統(tǒng)不需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行編解碼等信息處理，而且放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議也比較簡(jiǎn)單，并且中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)的資源占用相對(duì)較少，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的時(shí)延相對(duì)較小，容易實(shí)現(xiàn)。所以基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的協(xié)作通信系統(tǒng)的應(yīng)用比較易于實(shí)現(xiàn)和操作。該文以功率受限的多用戶單中繼基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的無線協(xié)作通信系統(tǒng)為中心進(jìn)行探討。

系統(tǒng)由W個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成，用戶節(jié)點(diǎn)既可以通過中繼的協(xié)作也可以獨(dú)立完成通信。用戶節(jié)點(diǎn)配置單天線，目的節(jié)點(diǎn)配置多天線，假設(shè)系統(tǒng)中不同的用戶使用不同的通信信道，互不干擾，并且在兩個(gè)時(shí)隙完成一次數(shù)據(jù)傳輸。為用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，分別為用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的傳輸鏈路，中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D之間的信息傳輸鏈路，用戶節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)D之間的信息傳輸鏈路的信道衰落系數(shù)，表示用戶的發(fā)送功率，表示中繼節(jié)點(diǎn)為用戶節(jié)點(diǎn)在協(xié)作通信中分配的功率，假設(shè)所有同通信鏈路具有相同的噪聲功率σ2和傳輸帶寬W，分別為通信鏈路信道噪聲。

第一個(gè)發(fā)送時(shí)隙目的節(jié)點(diǎn)D處獲得的信噪比（SNR）和用戶節(jié)點(diǎn)傳輸可得到的傳輸速率分別為：

3 系統(tǒng)算法流程

用戶節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的最適競(jìng)拍量，可通過異步發(fā)送方式把競(jìng)拍量發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。異步發(fā)送方式就是在一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)占用一個(gè)時(shí)隙，依次把競(jìng)拍量發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，相比同步發(fā)送方式，各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)把競(jìng)拍量發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)來講，對(duì)時(shí)鐘要求比較松，設(shè)備實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

在買賣者博弈開始前，中繼節(jié)點(diǎn)將總的中繼功率分為N等份，以廣播方式將其發(fā)送給所有用戶節(jié)點(diǎn)，并預(yù)置相等的競(jìng)拍量發(fā)送給所有用戶節(jié)點(diǎn)。

中繼功率分配博弈迭代和中繼節(jié)點(diǎn)懲罰因子更新過程如下：

（1）所有用戶節(jié)點(diǎn)接收中繼節(jié)點(diǎn)預(yù)置的一個(gè)起始中繼功率，所有用戶節(jié)點(diǎn)計(jì)算出懲罰因子的上下臨界值發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)；

（2）中繼節(jié)點(diǎn)接收所有用戶節(jié)點(diǎn)的臨界懲罰因子，計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)的懲罰因子臨界值設(shè)置并初始化兩個(gè)迭代因子并初始化懲罰因子，并向所有用戶廣播；

（3）用戶節(jié)點(diǎn)收到后根據(jù)（4-26）計(jì)算下次競(jìng)拍量，并在節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙內(nèi)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)；

（4）中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)所有中繼用戶競(jìng)拍量進(jìn)行判決。如果，，那么；如果，，那么，其中s為步長(zhǎng)。中繼節(jié)點(diǎn)將更新后的懲罰因子廣播給系統(tǒng)中的所有用戶節(jié)點(diǎn)，中繼將更新后的懲罰因子發(fā)送給所有用戶節(jié)點(diǎn)；

（5）如果，則系統(tǒng)達(dá)到均衡狀態(tài)，則根據(jù)用戶的競(jìng)拍量比例關(guān)系為用戶進(jìn)行功率分配，反之，返回（3）。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)算法仿真進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置如下：其中和為用戶源節(jié)點(diǎn)，和為目的節(jié)點(diǎn)，R是移動(dòng)的中繼節(jié)點(diǎn)，圖2為中繼節(jié)點(diǎn)功率分配仿真場(chǎng)景。

其中參數(shù)設(shè)置：W=1MHz中繼節(jié)點(diǎn)的中繼總功率為1W，并設(shè)定所有信道具有相同的噪聲功率W，取信道增益為，所有用戶節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為0.1W，懲罰因子更新步長(zhǎng)s=10。仿真結(jié)果如下：

圖3為無線中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)處于不同位置時(shí)的中繼功率分配狀況。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)位于x軸-60和80外時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)為各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)分配功率為0，并沒有發(fā)生合作，原因是距離較遠(yuǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)的效果不好，用戶節(jié)點(diǎn)不能獲得有效地收益，故中繼節(jié)點(diǎn)不參與競(jìng)拍。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到-60和80內(nèi)的范圍時(shí)，用戶節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)拍，發(fā)送競(jìng)拍量，獲得中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的中繼功率。我們可以看到，在-60到80的過程中，體現(xiàn)了算法的有效性，由于用戶節(jié)點(diǎn)1距離中繼節(jié)點(diǎn)較近，就會(huì)更好地進(jìn)行競(jìng)拍，獲得較好地功率分配，隨著中繼節(jié)點(diǎn)的位置變動(dòng)，用戶節(jié)點(diǎn)2距離中繼節(jié)點(diǎn)較近，也會(huì)更加有利于競(jìng)拍，獲得更好地中繼分配功率。

5 結(jié)語

該文提出了基于用戶節(jié)點(diǎn)競(jìng)拍/中繼節(jié)點(diǎn)功率拍賣的中繼功率分配方案。用戶節(jié)點(diǎn)通過設(shè)置自己的競(jìng)拍量獲取理想的中繼功率，而中繼節(jié)點(diǎn)則通過用戶節(jié)點(diǎn)的發(fā)送競(jìng)拍量改變懲罰因子的設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)功率的重新分配，通過分布式迭代算法達(dá)到系統(tǒng)均衡。同時(shí)，該文對(duì)中繼功率分配算法達(dá)到均衡的迭代次數(shù)進(jìn)行了仿真，仿真表明了均衡點(diǎn)的存在性和系統(tǒng)性能的改善。

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