基于博弈論的協同通信網絡資源分配算法研究

孫石峰　羅成

摘 要：在無線通信網絡中，路徑損耗、陰影衰落和多徑效應等嚴重影響了通信質量和傳輸速率。協同通信作為未來移動通信的關鍵技術之一，可以有效地解決以上問題。但是，在協同通信網絡中，需要解決好中繼選擇和資源分配關鍵技術問題。針對放大轉發中繼的傳輸特性，提出基于拍賣理論的中繼節點功率分配算法，中繼節點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點懲罰因子更新函數，通過迭代達到系統均衡狀態。軟件仿真和分析顯示，該算法改善了用戶接收端的信噪比，改善了系統及用戶的傳輸速率。

關鍵詞：協同通信 博弈論 功率分配 帶寬分配

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0094-03

1 引言

移動通信從主要的語音通信到多媒體通信、到今天的大數據時代通信，使得用戶對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換代的牽制要素，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于無線通信的發展具有重要意義。在無線通信網絡中通過一系列單用戶節點形成虛擬天線陣列，協同通信在提升系統可靠性和高容量方面具有極大地優勢。協同通信技術是可以最大化利用現有資源的一種有效手段，可廣泛應用于蜂窩通信網、AdHoc網絡、傳感網和下一代移動通信網絡，因而對無線通信的發展有深遠的影響。

在無線通信不斷進步的進程中，人們對于通信速率及通信的質量有更高的期待和需求。而協作分集技術就是在這種需求下產生的，協作分集技術不僅在一定程度上可以抗擊各種衰落效應，而且可以改善通信質量和提高頻譜的利用效率，因而，這些年協作通信成為研究的熱點，受到很高的關注。在蜂窩通信中，通過協作中繼通信系統，不僅可以增大小區的覆蓋范圍，而且可以提高通信的質量，降低網絡建設的成本。對于無線通信而言，有效的網絡資源分配極其重要，可以提高功率和帶寬等資源的高效配置，提升通信質量，減小時間的延遲和數據丟失。

文獻[3]和[4]中研究了高斯并行中繼網絡中的功率分配問題，研究了放大轉發策略和解碼轉發策略與共享信道和正交信道的情況，得出解碼轉發策略下，最優分配方案是選擇一個信道狀況最好的協作中繼，并且分配全額的中繼功率協作傳輸。文獻[5]為頻譜拍賣建立一個優化問題模型，并分析了價格設計對資源分配的重要性。文獻[6]設計了多種頻譜分配的拍賣算法來獲取最優的全局效益。文獻[7]建立了一個多拍賣多競拍者的頻譜資源拍賣機制，并證明納什均衡的收斂性。

該文中以多用戶單中繼網絡的中繼節點功率分配為中心展開。主要利用拍賣理論解決單協作中繼節點基于放大轉發網絡的功率分配問題。該文構建基于信道容量的效用函數，引入中繼節點價格策略，提出協作中繼網絡通信的功率分配方案。

2 系統模型

由于中繼節點只放大轉發用戶發來的信號，基于放大轉發協議的協作中繼通信系統不需要對接收到的信號進行編解碼等信息處理，而且放大轉發協議也比較簡單，并且中繼節點的信號處理模塊的設計和實現比較簡單，對系統的資源占用相對較少，轉發信號的時延相對較小，容易實現。所以基于放大轉發協議的協作通信系統的應用比較易于實現和操作。該文以功率受限的多用戶單中繼基于放大轉發協議的無線協作通信系統為中心進行探討。

系統由W個用戶節點，個目的節點和一個中繼節點組成，用戶節點既可以通過中繼的協作也可以獨立完成通信。用戶節點配置單天線，目的節點配置多天線，假設系統中不同的用戶使用不同的通信信道，互不干擾，并且在兩個時隙完成一次數據傳輸。為用戶節點發送的數據，分別為用戶節點和中繼節點之間的傳輸鏈路，中繼節點R和目的節點D之間的信息傳輸鏈路，用戶節點和目的節點D之間的信息傳輸鏈路的信道衰落系數，表示用戶的發送功率，表示中繼節點為用戶節點在協作通信中分配的功率，假設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。

第一個發送時隙目的節點D處獲得的信噪比（SNR）和用戶節點傳輸可得到的傳輸速率分別為：

3 系統算法流程

用戶節點通過計算當前時刻的最適競拍量，可通過異步發送方式把競拍量發送給中繼節點。異步發送方式就是在一個數據發送周期內，每個用戶節點占用一個時隙，依次把競拍量發送給中繼節點，相比同步發送方式，各個用戶節點同時把競拍量發送給中繼節點來講，對時鐘要求比較松，設備實現相對簡單。

在買賣者博弈開始前，中繼節點將總的中繼功率分為N等份，以廣播方式將其發送給所有用戶節點，并預置相等的競拍量發送給所有用戶節點。

中繼功率分配博弈迭代和中繼節點懲罰因子更新過程如下：

（1）所有用戶節點接收中繼節點預置的一個起始中繼功率，所有用戶節點計算出懲罰因子的上下臨界值發送給中繼節點；

（2）中繼節點接收所有用戶節點的臨界懲罰因子，計算出當前系統的懲罰因子臨界值設置并初始化兩個迭代因子并初始化懲罰因子，并向所有用戶廣播；

（3）用戶節點收到后根據（4-26）計算下次競拍量，并在節點的發送時隙內發送給中繼節點；

（4）中繼節點對所有中繼用戶競拍量進行判決。如果，，那么；如果，，那么，其中s為步長。中繼節點將更新后的懲罰因子廣播給系統中的所有用戶節點，中繼將更新后的懲罰因子發送給所有用戶節點；

（5）如果，則系統達到均衡狀態，則根據用戶的競拍量比例關系為用戶進行功率分配，反之，返回（3）。

4 系統測試

對算法仿真進行場景設置如下：其中和為用戶源節點，和為目的節點，R是移動的中繼節點，圖2為中繼節點功率分配仿真場景。

其中參數設置：W=1MHz中繼節點的中繼總功率為1W，并設定所有信道具有相同的噪聲功率W，取信道增益為，所有用戶節點的發送功率為0.1W，懲罰因子更新步長s=10。仿真結果如下：

圖3為無線中繼協作通信系統中繼節點處于不同位置時的中繼功率分配狀況。當中繼節點位于x軸-60和80外時，中繼節點為各個用戶節點分配功率為0，并沒有發生合作，原因是距離較遠，中繼節點的效果不好，用戶節點不能獲得有效地收益，故中繼節點不參與競拍。當中繼節點移動到-60和80內的范圍時，用戶節點參與競拍，發送競拍量，獲得中繼節點發送的中繼功率。我們可以看到，在-60到80的過程中，體現了算法的有效性，由于用戶節點1距離中繼節點較近，就會更好地進行競拍，獲得較好地功率分配，隨著中繼節點的位置變動，用戶節點2距離中繼節點較近，也會更加有利于競拍，獲得更好地中繼分配功率。

5 結語

該文提出了基于用戶節點競拍/中繼節點功率拍賣的中繼功率分配方案。用戶節點通過設置自己的競拍量獲取理想的中繼功率，而中繼節點則通過用戶節點的發送競拍量改變懲罰因子的設置，進而實現中繼節點功率的重新分配，通過分布式迭代算法達到系統均衡。同時，該文對中繼功率分配算法達到均衡的迭代次數進行了仿真，仿真表明了均衡點的存在性和系統性能的改善。

參考文獻

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