SWTPT系統中基于博弈論的功率分配

摘 要：隨著無線通信技術的發展，無線通信面臨的最大問題是節點能量受限。無線攜能通信（SWIPT）技術為這解決這一難題提供了可能性。本文研究SWIPT安全通信系統的功率分配算法，采用博弈論進行分析，提出一種基于Stackelberg博弈論的功率分配算法。根據所提算法進行仿真驗證，仿真結果表明本文所提算法能有效提升系統性能。

關鍵字：無線攜能通信；功率分配；Stackelberg博弈

信息是信息化社會發展的重要戰略資源。隨著網絡信息技術的迅猛發展，信息的地位與作用急劇上升，信息及通信安全問題因此而日益突出。因此，加強安全通信技術的研究是未來通信技術發展的迫切需要。安全通信是無線通信網絡研究的關鍵方面。無線通信的安全性主要包含兩個方面：（1）不能影響到合法用戶對信息的接收，確保其通信的可靠性；（2）不能讓竊聽用戶得到任何有用信息，確保其對保密信息的不可知性。

1 無線攜能通信技術及Stackelberg博弈論

在實際的通信系統中，節點能量一般是由電池供應，電池更換非常困難，甚至不可能更換，比如放置在病人體內的心臟起搏器電池。節點的電池一旦耗盡，就會立刻退出網絡，這將會直接影響整個網絡的生命周期和整體功能的實現。從周圍的環境中收集可再生能源來給通信網絡中的節點供電，則不失為一種方便且經濟環保的方法。

無線攜能通信，又稱無線能量與信號同步傳輸（SWIPT）是將無線能量傳輸與無線信息傳輸相結合的產物，是實現能量與信息的并行、同步高效傳輸。L.R.Varshner 首次提出了SWIPT的概念[1]。該概念一提出后就受到了中外學者的廣泛關注[2-4]。

Stackelberg博弈模型是一個典型的動態博弈模型[5]。Stackelberg均衡由經濟學家Von Stackelberg在1952年首次提出，主要用來解決具有主從用戶結構的決策問題。

2 系統模型

4 仿真結果與分析

在本小節中，我們將通過仿真來討論本文所提的基于博弈論的SWIPT系統中功率分配優化算法的性能。在仿真中，我們隨機生成1000個TTI的信道，對優化算法在各個信道中獲得仿真結果后去除極端數據后獲得了優化算法的平均優化目標值。

圖2為優化算法下的系統接收速率與SNR曲線圖。從圖中可以看到，隨著用戶節點所要求的SINR值增大，接收端接收速率呈現明顯上升趨勢，這表明應用本文所提算法可以顯著提高系統性能。

5 結語

本文首先對無線攜能通信技術和Stackelberg博弈理論進行了介紹。然后，根據在惡意竊聽和人工干擾下的安全通信SWIPT系統模型，建立優化問題，并提出了基于博弈論功率分配優化算法。通過仿真驗證本文所提算法能夠有效提升系統性能。

參考文獻

[1]. Varshney L R. Transporting Information and Energy Simultaneously[A] IEEE International Symposium on Information Theory[C]. 2008：1612-1616.

[2]. Grover P， Sahai A. Shannon meets Tesla： Wireless information and power transfer[A] IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings[C]. IEEE， 2010：2363-2367.

[3] Huang K， Larsson E. Simultaneous Information and Power Transfer for Broadband Wireless Systems[J]. Mathematics， 2013， 61（23）：4444-4448.

[4] Zhang H， Song K， Huang Y， et al. Energy harvesting balancing technique for robust beamforming in multiuser MISO SWIPT system[A] International Conference on Wireless Communications & Signal Processing[C]. 2013：1-5.

[5]. Wang An， Cai Yueming，. A stackelberg security game with cooperative jamming over a multiuser OFDMS network[C]. 2013： 4210-4215.

作者簡介

陳嫻雅（1990-），女，山西，碩士研究生，研究方向：無線通信領域中無線攜能通信技術及功率分配算法研究。