基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的基于聯(lián)盟博弈的多 用戶協(xié)作頻譜感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信是通過電磁波來攜帶傳輸信息的，雖然無線電磁波的頻譜很寬，但是在 實際使用過程中由于電磁波本身固有的傳播特性和可使用無線電的設(shè)備自身的限制，目前 能夠使用的頻譜比較少，同時為了避免干擾，頻譜分配都有專門的無線電法規(guī)部門采用固 定的頻譜分配原則進行統(tǒng)一分配和管理。美國聯(lián)邦通信委員會的研宄表明，授權(quán)頻段的平 均利用率范圍在15% -85%之間，頻譜利用率高較低，隨著通信業(yè)務(wù)量的急劇增大，這種頻 譜分配方式暴露出了很大的缺陷，為了使得空閑的授權(quán)頻譜被利用，人們提出了認(rèn)知無線 電技術(shù)用來提高頻譜利用率。其中擁有授權(quán)頻譜的用戶稱為主用戶，未被授權(quán)頻譜的用戶 稱之為次用戶。
[0003] 結(jié)合各研宄組織和學(xué)者對于認(rèn)知無線電的定義和建立的系統(tǒng)模型分析可以得出， 認(rèn)知無線電是一種可以感知外部通信環(huán)境，并且能夠在環(huán)境發(fā)生改變的時候，通過修改自 身工作的相關(guān)參數(shù)，比如說功率，速率，頻率等，來適應(yīng)環(huán)境變化的一種智能的自我調(diào)整通 信系統(tǒng)，總體來說認(rèn)知無線電具備兩大能力：認(rèn)知能力和重構(gòu)能力，其中認(rèn)知能力使得認(rèn)知 無線電能夠從其所處的工作環(huán)境中感知頻譜信息，從而獲得特定時間和空間內(nèi)未被使用的 頻譜空洞，由此可見認(rèn)知能力是認(rèn)知無線電實現(xiàn)技術(shù)實現(xiàn)的重要前提。為了避免對于主用 戶的干擾，首先應(yīng)該確保將要使用的授權(quán)頻段是空閑的，也就是說只有在頻譜感知的基礎(chǔ) 上，才能夠進行頻譜分配、頻譜接入等一系列操作。
[0004] 根據(jù)劃分原則不同對頻譜感知技術(shù)進行不同的分類。根據(jù)檢測主用戶信號來源 不同，將頻譜感知技術(shù)分為基于主用戶發(fā)射機檢測和主用戶接收機檢測；據(jù)參與檢測的次 用戶的數(shù)目不同，將頻譜感知技術(shù)分為單用戶獨立頻譜感知和多用戶協(xié)作頻譜感知，在單 用戶獨立頻譜感知中主要采用基于主用戶發(fā)射機檢測技術(shù)，常用的感知技術(shù)包含匹配濾波 器檢測、能量檢測和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，單用戶感知是基于單個設(shè)備進行感知的，由于實 際通信系統(tǒng)和無線信道的復(fù)雜性，有很多因素影響了單用戶頻譜感知性能，比如隱藏節(jié)點 和陰影效應(yīng)。多用戶協(xié)作頻譜感知通過融合次用戶獨立感知時的感知信息，能夠降低隱 藏節(jié)點和陰影效應(yīng)的影響，提高了檢測性能。通常采用的融合機制是：OR規(guī)則、AND規(guī)則、 K-out-of-N規(guī)則。如果存在一個控制中心實體來融合所有的感知信息，稱之為集中式頻譜 感知，反之則為分布式頻譜感知。
[0005] 現(xiàn)有的多用戶協(xié)作頻譜感知技術(shù)多采集中式頻譜感知，也就是說存在一個集中控 制實體用來融合它所控制范圍內(nèi)所有的次用戶的獨立頻譜感知時獲得的頻譜感知信息。這 種方式存在兩個弊端，首先只能將控制中心所控制的范圍作為一個整體判斷頻譜使用情 況，使得某些區(qū)域的頻譜空洞不能被檢測出來，降低了頻譜利用率。再者，控制實體負(fù)責(zé)的 次用戶設(shè)備一般較多，所有次用戶傳遞本地感知信息到同一個控制中心，需要消耗較多的 帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方 法，目的是提高感知性能，保證主用戶對于頻譜的優(yōu)先使用權(quán)，減少對主用戶的干擾。
[0007] 本發(fā)明基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，包括以下步驟，
[0008] Al、每個次用戶進行獨立頻譜感知，計算各自的檢驗概率和虛警概率；
[0009] A2、次用戶之間形成聯(lián)盟，并選取漏檢概率最低的次用戶作為該聯(lián)盟的聯(lián)盟頭；
[0010] A3、利用聯(lián)盟效用函數(shù)，計算每個次用戶在加入聯(lián)盟之前和之后的效用值；
[0011] A4、如果加入聯(lián)盟之后的效用值小于加入聯(lián)盟之前的效用值，則重復(fù)執(zhí)行A2、A3， 形成新的聯(lián)盟，并且直到加入聯(lián)盟之后的效用值大于加入聯(lián)盟之前的效用值，同時聯(lián)盟內(nèi) 原有的其他次用戶的效用值不降低；
[0012] A5、更新聯(lián)盟分區(qū)；
[0013] A6、判斷聯(lián)盟是否穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，即一段時間內(nèi)有次用戶成功離開該聯(lián)盟，則 重復(fù)執(zhí)行A2~A5,直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；
[0014] A7、聯(lián)盟內(nèi)次用戶將感知信息發(fā)送給聯(lián)盟頭；
[0015] A8、聯(lián)盟頭對所述感知信息進行數(shù)據(jù)融合，判斷主用戶是否存在，并將判斷信息發(fā) 送給所有次用戶；
[0016] A9、如果主用戶不存在，則表示該授權(quán)頻段目前處于空閑狀態(tài)，聯(lián)盟內(nèi)次用戶可以 使用該頻段；否則聯(lián)盟內(nèi)次用戶不能使用該頻段
[0017] 所述聯(lián)盟效用函數(shù)V(S)定義為
[0018] V⑶=Qd，s_C(Qf， s)
[0019] 其中Qd，s表示聯(lián)盟S的檢驗概率，C(Q f，s)為代價函數(shù)，滿足
【主權(quán)項】
1. 基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，包括以下步驟， A1、每個次用戶進行獨立頻譜感知，計算各自的檢驗概率和虛警概率； A2、次用戶之間形成聯(lián)盟，并選取漏檢概率最低的次用戶作為該聯(lián)盟的聯(lián)盟頭； A3、利用聯(lián)盟效用函數(shù)，計算每個次用戶在加入聯(lián)盟之前和之后的效用值； A4、如果加入聯(lián)盟之后的效用值小于加入聯(lián)盟之前的效用值，則重復(fù)執(zhí)行A2、A3,形成 新的聯(lián)盟，并且直到加入聯(lián)盟之后的效用值大于加入聯(lián)盟之前的效用值，同時聯(lián)盟內(nèi)原有 的其他次用戶的效用值不降低； A5、更新聯(lián)盟分區(qū)； A6、判斷聯(lián)盟是否穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，即一段時間內(nèi)有次用戶成功離開該聯(lián)盟，則重復(fù) 執(zhí)行A2~A5,直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； A7、聯(lián)盟內(nèi)次用戶將感知信息發(fā)送給聯(lián)盟頭； A8、聯(lián)盟頭對所述感知信息進行數(shù)據(jù)融合，判斷主用戶是否存在，并將判斷信息發(fā)送給 所有次用戶； A9、如果主用戶不存在，則表示該授權(quán)頻段目前處于空閑狀態(tài)，聯(lián)盟內(nèi)次用戶可以使用 該頻段；否則聯(lián)盟內(nèi)次用戶不能使用該頻段。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，所述 效用值通過聯(lián)盟效用函數(shù)v(S)計算， v(S) =Qd，s_C(Qf，s) 其中0<^表示聯(lián)盟S的檢驗概率，C(Qf，s)為代價函數(shù)，滿足
其中a表示聯(lián)盟S的虛警概率Qf，s的上限 值。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，A4中 次用戶效用值的比較，具體為：設(shè)定偏好關(guān)系來比較次用戶的效用值，偏好關(guān)系滿足帕累托 最優(yōu)，即如果次用戶加入到該聯(lián)盟內(nèi)，使得聯(lián)盟內(nèi)原有的成員效用值不減小，同時使得自身 的效用值增大，則該次用戶就會加入到該聯(lián)盟內(nèi)，否則不允許加入到該聯(lián)盟內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，A8中 數(shù)據(jù)融合規(guī)則是，由于聯(lián)盟S內(nèi)次用戶i向聯(lián)盟頭k發(fā)送感知信息具有誤報率PM，k，采用 OR規(guī)則進行數(shù)據(jù)融合時，得到聯(lián)盟S的虛警概率Qf，s和檢驗概率Qd，s分別表示為：
5. 如權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，每間 隔一定時間，重復(fù)執(zhí)行A1~A9。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于聯(lián)盟博弈的多用戶協(xié)作頻譜感知方法，其方法步驟為：初始化階段，每個次用戶進行獨立頻譜感知、次用戶相互之間形成聯(lián)盟、選取聯(lián)盟內(nèi)的聯(lián)盟頭、計算次用戶效用值、判斷是否形成聯(lián)盟、更新聯(lián)盟分區(qū)、判斷聯(lián)盟是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)、各聯(lián)盟內(nèi)進行數(shù)據(jù)融合、最終進行聯(lián)盟協(xié)作頻譜感知。同時考慮到環(huán)境變化，如主用戶移動性等，可以周期性地重復(fù)以上步驟。本發(fā)明在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，運用聯(lián)盟博弈理論分析多用戶協(xié)作感知問題。提高了對于無線環(huán)境動態(tài)變化的適應(yīng)性。降低了陰影效應(yīng)和隱藏節(jié)點對感知性能的影響。提高了頻譜感知的檢驗概率，減少了對主用戶的干擾，增大了對于主用戶的保護。
【IPC分類】H04B17-382
【公開號】CN104780007
【申請?zhí)枴緾N201510159725
【發(fā)明人】王保云, 張坤
【申請人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月3日