CN104010313A - 一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，包括以下过程：1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权接收端；2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P和授权用户直传时的速率R_D；3)如果R_P≥R_D，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果R_P＜R_D，则授权用户不会授权认知用户接入自己的频谱，继续通过直传发送自己的信息。本发明有效消除授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、提升用户性能。

Description

一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的认知无线电通信技术领域，尤其是一种频谱接入方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，在未来无线通信***中，无线通信用户变得越来越多，同时人们对无线通信的应用和服务呈爆发式的增长。然而可被无线通信***使用的频谱资源是有限的，而且大部分频段已经被分配给授权用户，使得这些新的应用和服务没有频谱可用。但是，根据美国联邦通信委员会频谱政策专责小组的研究报告，现有授权频谱的利用率只有15％～85％，这些分配给授权用户的频谱在时间和空间上都没有得到充分的利用。可见造成频谱资源紧缺的主要原因是现有这种静态的频谱管理方式和频谱分配策略。认知无线电通过自适应检测周围无线环境，实时调整***参数(如调制技术、工作频率和传输功率等)，在保证授权用户的正常通信不受影响的前提下，伺机接入授权频谱，从而充分利用有限的频谱资源，提升频谱资源的利用率。

在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户通过控制自己的发送功率，在不影响授权用户正常通信的前提下，接入授权用户的频谱，和授权用户同时进行通信。然而在这种频谱接入方法中，由于认识用户和授权用户使用相同的频谱同时进行通信，他们之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源得不到充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。

发明内容

为了克服已有共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、以及用户性能受限的不足，本发明提供一种有效消除授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、提升用户性能的基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中，主***由一个授权用户发送端和授权接收端组成，所述主***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知***由一个认知用户发送端和认知接收端组成，所述认知***能够模拟主***中的无线电协议和***参数；所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权接收端；

2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P和授权用户直传时的速率R_D；

3)如果R_P≥R_D，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模成一个纳什博弈问题，如式(1)：

$\begin{array}{cc}(t^{*},b^{*})=\arg \underset{U_i>{\stackrel{\‾}{U}}_i}{\max }(U_P-{\stackrel{\‾}{U}}_P)(U_S-{\stackrel{\‾}{U}}_S)& i=(P,S)---\left(1\right)\end{array}$

其中，t^*和b^*分别表示最优时间和带宽分配，U_P和U_S分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户获得的速率和认知用户获得的速

率，表示为：

U_P＝min{tR₂,(1-t)bR₃+tR_D}   (2)

U_S＝(1-t)(1-b)R₄＝(1-t-b+tb)R₄   (3)

其中，t表示第一个时隙授权用户发送自己信息所占的时间，b表示在第二个时隙认识用户帮助转发授权用户信息所占的带宽，t和b的取值范围为0～1，R_D为授权用户直传时的速率， $R_2={W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_2}{N_0}),R_3={W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0}),R_4={W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_4}{{2N}_0}),$ P_P和P_S分别为授权用户和认知用户的发射功率，γ₁，γ₂，γ₃和γ₄分别为授权用户发送端到授权接收端，授权用户发送端到认知用户发送端，认知用户发送端到授权接收端和认知用户发送端到认知接收端链路的信道增益，N₀为噪声功率谱密度；式(1)，分别表示授权用户和认知用户的最小速率要求，

通过纳什博弈方法获得上述的最优时间t^*和带宽分配b^*：

当bR₃-R_D-R₂＜0时，

$t^{*}=\frac{R_2{R}_3{R}_4+R_D{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{2R_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}---\left(4\right)$

$b^{*}=\frac{{4R}_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{(R_2+R_3-R_D)({2R}_2{R}_4-R_D{R}_4)-R_2{R}_3{R}_4}---\left(5\right)$

当bR₃-R_D-R₂≥0时，

$t^{*}=\frac{R_D+R_2}{{2R}_2}---\left(6\right)$

$b^{*}=\frac{R_D+R_2}{R_3}---\left(7\right);$

如果R_P＜R_D，则授权用户不会授权认知用户接入自己的频谱，继续通过直传发送自己的信息。

进一步，所述步骤2)中，认知用户通过两个时隙译码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一个时隙，占用时间t，授权用户发送端用全部W带宽发送信息给授权接收端和认知用户发送端，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率表示为：

$R_p^1=\mathrm{tW}{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\γ}}_2}{N_0})---\left(8\right)$

在第二个时隙，占用时间1-t，认知用户发送端用bW带宽帮助把解码的授权用户发送端的信息发送给授权接收端，所以认知用户发送端到授权接收端链路的速率表示为：

$R_P^2=(1-t)\mathrm{bW}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0})+t{W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_1}{N_0})---\left(9\right)$

所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率以表示为：

$R_P=\min \{R_P^1,R_P^2\}---\left(10\right)$

同时，认知用户利用剩余的(1-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率R_S表示为：

$R_S=(1-t)(1-b){W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_4}{2N_0})---\left(11\right).$

本发明的技术构思为：由于共存式频谱接入方法中，认知用户和授权用户使用相同的频谱同时进行通信，互相之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源得不到充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。本专利方法中认知用户通过协作的方式接入授权用户的频谱，授权用户和认知用户分别通过不同的时间和带宽来发送信息，能够有效解决授权用户和认知用户之间的干扰问题。

本发明的有益效果主要表现在：(1)消除了共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户的干扰问题；(2)提升了授权用户和认知用户的性能。

附图说明

图1是本发明方法的抗干扰频谱接入模型示意图，其中，d₁为授权用户发送端到授权接收端的距离，d₂为授权用户发送端到授权接收端的距离认知用户发送端，d₃为认知用户发送端到授权接收端的距离，d₄为认知用户发送端到认知接收端的距离认知用户发送端；

图2是本发明方法的时间t和带宽b分配随着d₃的变化图；

图3为授权用户和认知用户的速率随着d₃的变化图；

图4为采用本发明所述的方法与采用时间分配为1/2时方法相比较的随着d₃的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，基于现有的无线电通信***实现的，所述无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中主***由一个授权用户发送端(primarytransmitter,PT)和授权接收端(primary receiver,PR)组成。主***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱。认知***由一个认知用户发送端(cognitive transmitter,CT)和认知接收端(cognitive receiver,CR)组成。认知***能够模拟主***中的无线电协议和***参数。

本实施方式的方法中，认知用户以协作方式接入授权用户的频谱。认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权接收端。如果授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P大于等于自己直传时的速率R_D，即R_P≥R_D，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱。认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，帮助其改善性能，利用剩余的带宽发送自己的信息。否则，如果R_P＜R_D，则授权用户不会授权认知用户接入自己的频谱，继续通过直传发送自己的信息。

本实施方式中授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P和直传时的速率R_D可以通过以下方法获得：

认知用户通过两个时隙译码转发协作方式接入授权用户的频谱。在第一个时隙，占用时间t，PT用全部W带宽发送信息给PR和CT。所以PT→CT链路的速率可以表示为：

$R_p^1=\mathrm{tW}{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\γ}}_2}{N_0})---\left(8\right)$

其中γ₂为PT到CT链路的信道增益,N₀为噪声功率谱密度。

在第二个时隙，占用时间1-t，CT用bW带宽帮助把解码的PT的信息发送给PR，所以CT→PR链路的速率可以表示为：

$R_P^2=(1-t)\mathrm{bW}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0})+t{W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_1}{N_0})---\left(9\right)$

其中P_S为中继节点的发射功率，γ₃为CT到PR链路的信道增益。所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率可以表示为：

$R_P=\min \{R_P^1,R_P^2\}---\left(10\right)$

同时，认知用户利用剩余的(1-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户可获得的速率可以表示为：

$R_S=(1-t)(1-b){W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_4}{2N_0})---\left(11\right).$

其中γ₄为CT到CR链路的信道增益。

授权用户直传时的速率R_D可以表示为：

$R_D={W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_1}{N_0})---\left(12\right)$

其中P_P为授权用户的发射功率，γ₁为PT到PR链路的信道增益。

本实施方式中的时间和带宽分配方法具体为：

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题可以建模成一个纳什博弈问题，如式(1)：

$\begin{array}{cc}(t^{*},b^{*})=\arg \underset{U_i>{\stackrel{\‾}{U}}_i}{\max }(U_P-{\stackrel{\‾}{U}}_P)(U_S-{\stackrel{\‾}{U}}_S)& i=(P,S)---\left(1\right)\end{array}$

其中，t^*和b^*分别表示最优时间和带宽分配，U_P和U_S分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户获得的速率和认知用户获得的速率，表示为：

U_P＝min{tR₂,(1-t)bR₃+tR_D}   (2)

U_S＝(1-t)(1-b)R₄＝(1-t-b+tb)R₄   (3)

其中，t表示第一个时隙授权用户发送自己信息所占的时间，b表示在第二个时隙认识用户帮助转发授权用户信息所占的带宽，t和b的取值范围为0～1， $R_2=W{\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_2}{N_0}),R_3{W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0}),$ 式(1)，分别表示授权用户和认知用户的最小速率要求， ${\stackrel{\‾}{U}}_P=R_D,{\stackrel{\‾}{U}}_S=0;$

通过纳什博弈方法获得上述的最优时间t^*和带宽分配b^*：

当bR₃-R_D-R₂＜0时，

$t^{*}=\frac{R_2{R}_3{R}_4+R_D{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{2R_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}---\left(4\right)$

$b^{*}=\frac{{4R}_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{(R_2+R_3-R_D)({2R}_2{R}_4-R_D{R}_4)-R_2{R}_3{R}_4}---\left(5\right)$

当bR₃-R_D-R₂≥0时，

$t^{*}=\frac{R_D+R_2}{{2R}_2}---\left(6\right)$

$b^{*}=\frac{R_D+R_2}{R_3}---\left(7\right);$

本实施例的基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，能够有效消除共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户的干扰问题。

本实施的频谱接入方法中，认知用户在授权用户授权给其的第二个时隙，占用时间1-t，接入授权用户的频谱。认知用户利用一部分接入获得的bW带宽帮助转发授权用户的信息，利用剩余的(1-b)W带宽发送自己的信息。授权用户和认知用户分别通过不同的时间和带宽发送信息，互相之间不会产生干扰。在本实施方式中，假设PT，PR，CT和CR都在X轴上，其中PT和PR在(1,0)和(0,0)。CT在X正半轴上移动，CR在PR和CT的中间。所以d₁＝1，d₂＝|1-d₃|，d₄＝1/2d₂。γ_i＝|(d_i)^v|²,i＝(1,2,3,4)，路径衰耗指数v＝3。P_P/N₀＝P_S/N₀＝10dB，***带宽为W＝1MHz。图2中显示了本发明中频谱接入方法的最优时间和带宽分配。

本实施例的频谱接入方法提升了授权用户和认知用户的性能。图3中显示了采用本发明的频谱接入方法后授权用户和认知用户的速率，可以看出采用本发明的频谱接入方法后，不仅认知用户能够获得频谱接入，授权用户的性能也能够得到提升。由图4可知，本方法的性能要明显优于当时间分配为1/2的方法，本方法认知用户可接入授权用户频谱的范围要远远大于时间分配为1/2的方法，有效的提升了频谱资源的利用率。

Claims (2)

1.一种基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中，主***由一个授权用户发送端和授权接收端组成，所述主***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知***由一个认知用户发送端和认知接收端组成，所述认知***能够模拟主***中的无线电协议和***参数；其特征在于：所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权接收端；

2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P和授权用户直传时的速率R_D；

3)如果R_P≥R_D，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模成一个纳什博弈问题，如式(1)：

$\begin{array}{cc}(t^{*},b^{*})=\arg \underset{U_i>{\stackrel{\‾}{U}}_i}{\max }(U_P-{\stackrel{\‾}{U}}_P)(U_S-{\stackrel{\‾}{U}}_S)& i=(P,S)---\left(1\right)\end{array}$

其中，t^*和b^*分别表示最优时间和带宽分配，U_P和U_S分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户获得的速率和认知用户获得的速率，表示为：

U_P＝min{tR₂,(1-t)bR₃+tR_D}   (2)

U_S＝(1-t)(1-b)R₄＝(1-t-b+tb)R₄   (3)

其中，t表示第一个时隙授权用户发送自己信息所占的时间，b表示在第二个时隙认识用户帮助转发授权用户信息所占的带宽，t和b的取值范围为0～1，R_D为授权用户直传时的速率， $R_2={W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_2}{N_0}),R_3={W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0}),R_4={W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_4}{{2N}_0}),$ P_P和P_S分别为授权用户和认知用户的发射功率，γ₁，γ₂，γ₃和γ₄分别为授权用户发送端到授权接收端，授权用户发送端到认知用户发送端，认知用户发送端到授权接收端和认知用户发送端到认知接收端链路的信道增益，N₀为噪声功率谱密度；式(1)，分别表示授权用户和认知用户的最小速率要求，

通过纳什博弈方法获得上述的最优时间t^*和带宽分配b^*：

当bR₃-R_D-R₂＜0时，

$t^{*}=\frac{R_2{R}_3{R}_4+R_D{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{2R_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}---\left(4\right)$

$b^{*}=\frac{{4R}_2{R}_4(R_2+R_3-R_D)}{(R_2+R_3-R_D)({2R}_2{R}_4-R_D{R}_4)-R_2{R}_3{R}_4}---\left(5\right)$

当bR₃-R_D-R₂≥0时，

$t^{*}=\frac{R_D+R_2}{{2R}_2}---\left(6\right)$

$b^{*}=\frac{R_D+R_2}{R_3}---\left(7\right);$

如果R_P＜R_D，则授权用户不会授权认知用户接入自己的频谱，继续通过直传发送自己的信息。

2.如权利要求1所述的基于纳什博弈的协作抗干扰频谱接入方法，其特征在于：所述步骤2)中，认知用户通过两个时隙译码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一个时隙，占用时间t，授权用户发送端用全部W带宽发送信息给授权接收端和认知用户发送端，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率表示为：

$R_p^1=\mathrm{tW}{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\γ}}_2}{N_0})---\left(8\right)$

在第二个时隙，占用时间1-t，认知用户发送端用bW带宽帮助把解码的授权用户发送端的信息发送给授权接收端，所以认知用户发送端到授权接收端链路的速率表示为：

$R_P^2=(1-t)\mathrm{bW}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_3}{{2N}_0})+t{W\log }_2(1+\frac{P_P{\mathrm{\γ}}_1}{N_0})---\left(9\right)$

所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率表示为：

$R_P=\min \{R_P^1,R_P^2\}---\left(10\right)$

同时，认知用户利用剩余的(1-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率R_S表示为：

$R_S=(1-t)(1-b){W\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\γ}}_4}{2N_0})---\left(11\right).$