[发明专利]基于非合作博弈论的认知无线电网络的功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种认知无线电网络技术领域的方法，具体是一种基于非合作博弈论的认知无线电网络的功率控制方法。

背景技术

认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术是一项用于缓解频谱资源紧缺问题的极有研究前途的应用技术。通过向周围环境不断地学习与调整，具有CR功能的用户可感知周围频谱空间中存在着的“频谱空洞（Spectrum Holes）”，也即没有或仅部分被其它用户占用的频段来用于自身数据的传输。正是这种机会式频谱接入的特点，CR技术在各个领域都得到了广泛的应用。然而，为了不干扰相应频段的授权用户或主用户（Primary User，PU），认知无线电网络（Cognitive Radio Network，CRN）自身需要进行一系列的调整与控制，其中最重要的一项控制技术就是认知节点的传输功率控制技术。

功率控制技术是一项基本的资源分配技术。在CRN中，认知节点过高的传输功率会干扰主用户之间的通信，然而，过低的传输功率却难以保证自身满足服务质量的通信需求。因此，CRN中功率控制的主要目的即：合理控制次级认知用户（Secondary Users,SU）的传输功率，以减少对PU的干扰，同时满足自身服务质量要求（Quality of Service，QoS）及提高CRN网络的功率利用率。相关领域已有大量的关于功率控制方面的研究。近年来，考虑到CRN网络的特点——不同用户以机会式频谱接入的方式竞争有限的频谱资源——应用于经济领域的博弈论也被引入到通信领域，以解决功率控制问题。

博弈论是应用数学理论的一个分支。作为模拟自私个体之间的互动关系以预测它们的决策的有力工具，博弈论被广泛应用于经济、计算机、无线通信等领域。一个基本的博弈论模型包括参与者集、策略空间集、利益函数三个要素，每个参与者在自己的策略空间中选择一个策略，以最大化自己根据利益函数所取得的收益。在每个参与者追求自身利益最大化的过程中，如果利益函数选取合适，会达到一种均衡状态。最常见的均衡状态即纳什均衡，处于纳什均衡中的博弈模型，每个参与者都对自身的收益满意，也即没有任何参与者可以通过自身单方面的更改策略去获得更高的收益。

近年来，随着博弈论应用范围的日益扩大，在CRN中将博弈论与功率控制问题进行结合研究正受到越来越多的关注。对现有文献检索发现,相关文献如下：

P.Setoodeh等人在《Proceedings of the IEEE,vol.97,no.5,pp.915–939,May.2009》上发表了题为“Robust transmit power control for cognitive radio”的文章。该文章中提出了一个能量高效的MAC(Medium Access Control）层功率控制协议，该协议可根据不同信号源的不同数据速率，支持数据包的可变速率传输；通过分析网络负载与网络广播特性，该算法可最小化网络的整体能量消耗。然而，算法协议复杂度高，控制开销大。

David Goodman等人在《1999 IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications,1999.(MoMuC’99),1999,pp.55–63.》上发表了题为“Power control for wireless data”的文章。该文章中提出的非合作博弈论模型是目前研究中最常用的模型，之后的大量研究都是基于此模型的更新与讨论。然而该模型提出的利益函数中不包括代价函数，使得博弈达到的纳什均衡较难接近Pareto最优。之后有大量的研究以提出包含代价函数的利益函数，并运用了超模博弈论、隐函数定理等相关理论对利益函数对应纳什均衡的存在性与惟一性进行了数学证明。

T.Shen等人在《2011 International Conference on Computer Science and Service System(CSSS),Jun.2011,pp.2408–2411.》上发表了题为“Power control game based on new pricing function for cognitive radio”的文章。该文章中提出了一种基于信干比（Signal to Interference ratio，SIR）的代价函数的非合作博弈论模型。通过提出一种新的代价函数以优化利益函数并证明其纳什均衡的存在性与惟一性，该研究表明了其提出的功率控制算法在维持CRN的SIR要求上的优越性，然而该模型没有考虑到CR的传输功率限制。