王 卉，韋楊雄，陳卉蕊，吳呈瑜，占 敖

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

認(rèn)知無(wú)線電是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜智能技術(shù)，能有效提高頻譜利用率，而協(xié)同通信技術(shù)能夠?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)意想不到的增益，可大幅度提高頻譜利用率及系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性。中繼節(jié)點(diǎn)的選擇及資源分配算法(中繼策略優(yōu)化算法)是協(xié)同通信系統(tǒng)的一個(gè)很?chē)?yán)肅的問(wèn)題，能夠給系統(tǒng)帶來(lái)不同的性能改善，需要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化更新[1]。在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，中繼策略優(yōu)化算法需要結(jié)合次用戶的功率控制，同時(shí)要滿足對(duì)主用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)及干擾約束需求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量[2]。目前，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)中繼優(yōu)化策略的研究，有采用除噪轉(zhuǎn)發(fā)(Denoise-and-Forward，DAF)中繼策略來(lái)滿足干擾約束需求，也有基于博弈論提出中繼優(yōu)化策略[3]。本文主要研究認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的信道選擇和功率分配問(wèn)題，提出了一種基于協(xié)商反饋機(jī)制[4]和注水算法的自適應(yīng)資源分配中繼優(yōu)化策略，使得中繼節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)已知信息實(shí)現(xiàn)收益最大化。在收益優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)采用極大極小法、基于協(xié)商反饋機(jī)制的博弈算法、注水算法來(lái)優(yōu)化中繼策略，提升認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

1 系統(tǒng)模型

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼節(jié)點(diǎn)信道選擇和功率控制的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，包括1個(gè)認(rèn)知基站、2個(gè)主用戶發(fā)射機(jī)、4個(gè)次用戶接收機(jī)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，其中認(rèn)知基站負(fù)責(zé)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的資源分配管理。設(shè)定中繼節(jié)點(diǎn)集Λ={i|i∈N}，次用戶能獲得下行鏈路反饋的總信道狀態(tài)信息，次用戶與中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)總信道狀態(tài)信息協(xié)商并反饋，且次用戶和中繼節(jié)點(diǎn)必須滿足對(duì)主用戶的干擾約束，中繼節(jié)點(diǎn)與次用戶進(jìn)行信息交互時(shí)受到主用戶信號(hào)的干擾[5]。為了更好地對(duì)模型進(jìn)行分析，本文首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，針對(duì)只有單一主次用戶的場(chǎng)景分析中繼策略模型，然后進(jìn)一步推廣到在多個(gè)主次用戶場(chǎng)景下的中繼策略模型。

圖1 系統(tǒng)模型

1.1 單一主次用戶場(chǎng)景

單一主次用戶場(chǎng)景下，次用戶s從中繼節(jié)點(diǎn)集Λ反饋得到的信道信息ys為：

(1)

(2)

中繼節(jié)點(diǎn)k的數(shù)據(jù)通信要滿足次用戶的QoS需求，設(shè)定一個(gè)最小值Lk，則有cSINRk≥Lk。進(jìn)一步設(shè)定量化信道噪聲干擾下的傳輸門(mén)限，先假設(shè)瑞利衰落信道衰落時(shí)間T(單位為s)，信道數(shù)為Nt，n表示量化比特范圍，中繼節(jié)點(diǎn)和次用戶必須在T內(nèi)根據(jù)信道狀態(tài)信息完成信息交互，則交互速率Rf表示為：

(3)

因?yàn)橹饔脩艚o中繼節(jié)點(diǎn)集反饋信道狀態(tài)信息，且中繼節(jié)點(diǎn)要降低對(duì)主用戶的干擾，使得主用戶的傳輸速率要大于中繼節(jié)點(diǎn)的反饋速率，即表示為：

(4)

式中，It-n表示主用戶給中繼節(jié)點(diǎn)集反饋信道的狀態(tài)信息限制n量化比特的控制閾值[7]，It-0表示無(wú)限制的控制閾值，pp表示主用戶p的傳輸功率，則有：

(5)

信道之間的信道分配矢量存在極大極小情況，一種是利己矢量分配(極小)fk -me，另一種是利他矢量分配(極大)fk -oth。λ表信道變化步長(zhǎng)，由此對(duì)式(2)中fk提出一種核心分配策略，遍歷極大極小，將信道分配矢量表示為：

(6)

設(shè)定hp,k表示主用戶到中繼節(jié)點(diǎn)k的信道增益系數(shù)，在量化信道狀態(tài)信息條件下的信道傳輸功率表示為：

(7)

從極小到極大量化博弈完成功率分配的算法流程如下。

(1)模擬所有信道信息以及信道增益情況,考慮干擾,提取矢量信息。(2)設(shè)置λ,此階段為外部循環(huán),極大極小分配完成矢量?jī)?yōu)化,遍歷信道。(3)設(shè)置迭代次數(shù)m,此階段為內(nèi)部循環(huán),完成矢量條件的功率分配。(4)在步驟3的前提下,完成信號(hào)干擾噪聲比計(jì)算和效用函數(shù)計(jì)算。(5)對(duì)功率分配、信號(hào)干擾噪聲比、效用函數(shù)進(jìn)行迭代輸出,設(shè)置目標(biāo)函數(shù) max uk ?k∈Λ s.t. ∑k∈Λpk|hp,kfk|2≤It-n∑k∈Λpk≤PtcSINRk≥Lkpk=|hkfk|22|hpfk|2 ∑ki=1pi|hkfi|2+σ20 ;否則,功率減半重新篩選,直到達(dá)到終止條件p(m)k-p(m-1)k≤l(l為迭代平穩(wěn)值),輸出平穩(wěn)的p(m)k=p(m-1)k2。(6)計(jì)算uk(p(m)k,flk),輸出效用函數(shù)。

1.2 多個(gè)主次用戶場(chǎng)景

在多個(gè)主次用戶場(chǎng)景中，次用戶m接收到的信號(hào)傳輸反饋信道信息y′m可以寫(xiě)成：

(8)

式中，Ns表示次用戶數(shù)量?？紤]誤差量化多徑信道狀態(tài)信息[8]，中繼節(jié)點(diǎn)集到次用戶m之間的信道增益系數(shù)h′m表示為：

(9)

2 博弈問(wèn)題歸納

(10)

(11)

式中，V表示斜向量，Rtotol表示中繼節(jié)點(diǎn)總交互反饋約束。

多用戶算法博弈流程如下：

(1)得到考慮誤差的參數(shù)h'm。設(shè)定中繼節(jié)點(diǎn)總交互反饋約束Rtotol并發(fā)送給次用戶。(2)次用戶在rm=RtotolNs和量化信道狀態(tài)信息h'm=1-2-r*mhm+2-r*mΔ時(shí)計(jì)算交互速率,并提交給中繼節(jié)點(diǎn)。(3)中繼管理次用戶總信道信息并獲取一組fm進(jìn)行轉(zhuǎn)置,并再次廣播給次用戶。(4)次用戶根據(jù)信道狀態(tài)信息對(duì)Rtotol速率進(jìn)行分配,得到rtempm,設(shè)置迭代次數(shù)L=100,隨后計(jì)算r*m=max[rminm,min(rtempm,rmaxm)],h'm=1-2-r*mhm+2-r*mΔ。(5)當(dāng)r*m(L)-r*m(L-1)<0.01時(shí),完成迭代。否則重新回到步驟3。

采取文獻(xiàn)[10]容量計(jì)算算法：

(12)

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

單一主次用戶設(shè)置參數(shù)如下：信道變化最終步長(zhǎng)λ=1，迭代次數(shù)M=100，交互的干擾門(mén)限It-0=1.5w，衰落時(shí)間T=1.5 s，當(dāng)前交互組中繼提供功率Pt=2 W，白噪聲N0為1 dB。多用戶組設(shè)置參數(shù)如下：基于單一主次用戶參數(shù)條件，主用戶數(shù)Np=2，次用戶數(shù)Ns=4。

令m=1,2,3，采用博弈論的條件篩選方法進(jìn)行信道1、信道2、信道3仿真，得到信道的傳輸功率如圖2所示。從圖2可以看出，在量化信道條件下，隨著功率分配的迭代，傳輸功率逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)樾в煤瘮?shù)分子是關(guān)于功率積的平方，且功率博弈不滿足條件時(shí)會(huì)減半重新進(jìn)行逐層篩選。

采用極大極小算法進(jìn)行效用函數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別使用接近利己分配方法、極大極小算法(中庸分配)、接近利他分配進(jìn)行效用值仿真，不同分配方法的效用值如圖3所示。從圖3可以看出，3種分配方法中，中庸分配達(dá)到的效用值最大，因?yàn)橹杏狗峙淇紤]自身利益的同時(shí)也將其他信道狀況考慮在內(nèi)，最大化自身效用的同時(shí)也最大化其他信道利益，得到的系統(tǒng)效用值最高，展現(xiàn)出博弈算法的優(yōu)越性；其次，因接近利己分配考慮的是對(duì)其他信道干擾達(dá)到最小，沒(méi)有考慮本信道效用，從而不能使系統(tǒng)效用達(dá)到最優(yōu)；同樣地，接近利它分配也無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)效用最大，相對(duì)而言，對(duì)其他信道干擾更大，可能導(dǎo)致信道傳輸信息功能不能正常運(yùn)作。

圖2 量化信道傳輸功率

圖3 量化信道效用值分析

采用同相正交統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行信道性能預(yù)估，得到信道性能曲線如圖4所示，信道性能反映的是當(dāng)前信號(hào)增益經(jīng)過(guò)分配后所能達(dá)到的峰值。從圖4可以看出，信道3信道性能最好，同時(shí)，圖2中，信道3的傳輸功率最高，說(shuō)明極大極小算法在追求更好的傳輸效率的同時(shí)，使得信道性能達(dá)到了最優(yōu)。因?yàn)樵诠β史峙鋾r(shí)，極大極小算法將各自效用考慮在內(nèi)，所以當(dāng)信道3的傳輸功率最高時(shí)，信道傳輸性能也達(dá)到最佳。

本文所提出的基于協(xié)商反饋機(jī)制和注水算法的自適應(yīng)分配中繼優(yōu)化策略、平均資源分配中繼策略、不考慮信道狀態(tài)信息的基于博弈論的中繼策略的信道系統(tǒng)容量如圖5所示。從圖5可以看出，自適應(yīng)分配中繼策略獲得的系統(tǒng)容量明顯高于其他2種算法，這是因?yàn)樽赃m應(yīng)分配中繼策略采用信道統(tǒng)計(jì)及協(xié)商反饋信息及注水算法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行博弈速率分配，能夠自適應(yīng)選擇信道狀態(tài)相對(duì)完美的中繼節(jié)點(diǎn)，從而有效提升了系統(tǒng)容量。

圖4 信道性能估計(jì)曲線圖

圖5 不同算法的信道系統(tǒng)容量對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

研究認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼策略優(yōu)化算法過(guò)程中，不僅需要考慮用戶QoS和干擾約束，還需要考慮由支持主次用戶和中繼節(jié)點(diǎn)之間的信息交互情況引起的大量開(kāi)銷(xiāo)。因此，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇需要綜合考慮各方面的性能折中。針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的信道選擇和功率分配問(wèn)題，本文提出一種基于協(xié)商反饋機(jī)制和注水算法的自適應(yīng)資源分配中繼優(yōu)化策略，在協(xié)商反饋機(jī)制基礎(chǔ)上，采用注水算法進(jìn)行自適應(yīng)功率分配，優(yōu)化并提升了認(rèn)知無(wú)線系統(tǒng)的容量。但是，本文研究是在共享信道下進(jìn)行的，從概率論的角度出發(fā)，當(dāng)前信號(hào)傳輸用戶不占用此信道時(shí)，其他認(rèn)知用戶會(huì)考慮占用空閑信道。下一步將從概率論角度出發(fā)，研究認(rèn)知無(wú)線系統(tǒng)的信道占用問(wèn)題。