[发明专利]一种基于斯坦克尔伯格博弈的资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于斯坦克尔伯格博弈的资源分配方法，该方法对蜂窝和家庭基站共存且共用频谱的两层网络的干扰进行分析并加以管理，采用图论知识和博弈论对家庭基站和宏基站中用户使用的资源进行分配，保证用户的服务质量。步骤如下：首先基于图论的分簇算法对家庭基站分簇，依次为宏用户分配信道，之后将宏用户与家庭基站簇匹配实现信道共用；然后建立了联合家庭基站发射功率和宏用户接入选择的斯坦克尔伯格博弈，推导出达到纳什均衡时的家庭基站发射功率的表达式，并根据基站的发射功率为宏用户选择合适的接入策略，重复迭代直到斯坦克尔伯格博弈均衡，根据均衡时的策略更新网络资源分配。

主权项

1.一种基于斯坦克尔伯格博弈的资源分配方法，包括以下步骤：1)联合信道分配1.1)定义家庭基站集合{V}＝{v₁,v₂,......,v_I}，v_i代表家庭基站i，家庭基站的数目为I，家庭基站的初始发射功率相同，每个家庭基站发射功率为P_i^f；1.2)家庭基站i计算受到家庭基站j的干扰权重，公式如下：其中是家庭基站j对家庭基站i用户干扰信号的信道增益，家庭基站i对本基站用户有用信号的信道增益，δ是权重的门限，小于这个门限可以视为两个家庭基站之间没有干扰，通过公式求出家庭基站i所受干扰权重之和，形成干扰权重集合{W}＝{w₁,w₂,......,w_I}；1.3)将家庭基站按干扰权重w_i降序排列，形成家庭基站排序后的新集合{V'}；1.4)根据信道数M将家庭基站划分为簇{C_n}_n∈M：1.4.1先将新家庭基站集合中的前M个家庭基站依次分给M个簇，将这M个家庭基站从家庭基站集合{V'}中删去；1.4.2依次从家庭基站集合{V'}中取出一个家庭基站h加入簇C_n，簇C_n会对节点h产生干扰的节点数为为簇C_n中节点v_i对节点h的干扰的权重，当权重不为0时表示节点v_i对节点h存在干扰，则表示干扰权重不为0的节点数目，簇C_n增加的权重之和为从所有的簇中选取加入后簇的W_lⁿ最小的簇将家庭基站加入，从家庭基站集合{V'}中删去该家庭基站；1.4.3重复步骤1.4.2直至家庭基站集合{V'}为空，则家庭基站分簇完成；1.5)家庭基站与宏用户联合信道分配：1.5.1宏用户数目为M，宏用户集合为{Mu}，将宏用户按照距离家庭基站从近到远的顺序排列，得到新宏用户集合{Mu'}，并按照顺序依次为宏用户分配一个信道；1.5.2按照顺序从宏用户集合{Mu'}中取出一个宏用户m，计算它在每个簇上受到的干扰与噪声之和其中表示家庭基站与宏用户之间的信道增益，代表家庭基站的发射功率，N0为噪声功率密度，B则是信道带宽，从中选择一个使得IN_n最小的簇C_n'将宏用户m与该簇相匹配，簇内的家庭基站与宏用户使用同一信道，将该家庭基站簇和宏用户都从各自的集合中删去；1.5.3重复步骤1.5.2直至家庭基站簇集合{C_n}和宏用户集合{Mu'}都为空，联合信道分配完成；2)家庭基站发射功率和宏用户接入的联合博弈2.1)初始化：家庭基站的发射功率为{P_i^f}_i∈I＝{P₀}，宏用户初始化接入宏基站，可表示为{S_m}_m∈M＝{0}；2.2)计算家庭基站发射功率，公式如下：N_i为家庭基站i的用户数，k1是惩罚项的权重，是接入家庭基站的用户的信干噪比之和，表示用户j接入信道n的信干噪比，TH是设置的信干噪比门限，是对与家庭基站使用同一信道的用户的信道增益求和再取平均值，I表示家庭基站的集合，c_n,t指示家庭基站对信道的选择，为1则表示家庭基站t选择信道n，为0则表示不选择该信道，代表家庭基站i和t之间的信道增益，代表家庭基站与宏用户k之间的信道增益，该宏用户与家庭基站使用相同的信道，c_n',h与c_n,t意义相同，以0和1指示其他的家庭基站h对信道n'的使用情况，是家庭基站i和h之间的信道增益，设P_i^f,(time+1)为第time+1次功率控制后的家庭基站i的发射功率，P_i^f,(time)为第time次功率控制后的家庭基站i的发射功率；同时，家庭基站发射功率受限，家庭基站最大发射功率为如果计算出的P_i^f,(time+1)大于家庭基站的发射功率为如果计算出的P_i^f,(time+1)小于0，则家庭基站发射功率为0；各家庭基站根据发射功率表达式和功率受限公式求出基站的发射功率，反复进行本步骤调整家庭基站发射功率，直至领导层博弈到达纳什均衡，获得家庭基站发射功率集合{P_i^f}_i∈I；2.3)计算宏用户分别接入家庭基站和宏基站的效用函数：其中S_m为宏用户m接入的基站，P_sm是宏用户接入的基站的发射功率，N_sm表示该基站内接入的用户数，是该基站分给宏用户m的功率，是接入的基站S_m到宏用户m的信道增益，为与宏用户i共用信道n的家庭基站造成的干扰，P_t^f是家庭基站t的发射功率，N_t为家庭基站t的接入的用户数，为家庭基站t与宏用户m间的信道增益，N0*B是空气中的噪声，是宏用户接入基站S_m后对其他使用该信道的家庭用户的干扰，其中为基站S_m与家庭基站t之间的信道增益，l是造成的干扰的系数；宏用户选择使得效用函数最大的基站接入，反复运行本步骤，直到所有宏用户对基站的选择不再发生变化，从属博弈达到纳什均衡；2.4)执行步骤2.2、2.3，各自到达纳什均衡过后，检查此时是否到达斯坦克尔伯格均衡，如果到达了，则博弈结束；如果没有到达，算法跳到步骤2.2继续执行。