基于认知无线电的功率控制算法

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认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法

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认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法
朱冰莲，明华，明达，运钱张
（重庆大学通信工程学院，重庆４０４）００４（通信作者电子邮箱ｙｎｉｇｕ＠１６ｅｍ）ｕｍｎｈａ２．ｏ
ｔｍｐｒｔｒｏｓａｎ，ｎｔｏｌａａｔｃｎｅｇ，ｂｔａｓａｉｈｒａｅａｅＳＲｉｔｌａｔ３ｄｈｎｔｅｎｍｂｒｏｅｅａｕｅｃｎｔｉｔｏｎｙｃｎｆｓｏｖｒｅｕｏｈｓｈｇｅｖｒｇＩｗｔａｅｓ０．Ｂｗｅｈｕｅｆｒｌｈｕｅｓｉｌｓｈｎｔｅｔ．Ｉｃｎｃｎｒｌｔｅｐｗｒｏｅｏｄｒｓｒｆｃｉｅｙｓｒｓｅｓｔａｗｎｙｔａｏｔｈｏｅｆｓｃｎａｕｅｓｅｆｔｌ．ｏｙｅｖ
ＺｉｇｌｎＵｎ —ｕＩＮＭｉｇｄ，ＺＮｅＨＵＢｎ —ａ，ＹＮＭｉｈａ，ＱＡｎ —ａＨＡＧＬｉｉｇ
（ｏｌｅｆＣｍｎｃｔｎＥｇｎｅｉ，Ｃｏｇｉｎｖｒｔ，Ｃｏｇｉｇ４０４，ＣｉａＣｌｇｏｍｕｉｉｎｉｅｒｇｈｎｑｎＵｉｓｙｈｎｑｎ００４ｈｎ）ｅｏａｏｎｇｅｉ
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一种改进的基于博弈论的认知无线电功率控制算法

一种改进的基于博弈论的认知无线电功率控制算法基于公平考虑，考虑到各用户的信道状况：对链路增益较好的用户，受到的惩罚多一些；对链路增益较差的用户，使其受到的惩罚少一点。

考虑到各用户的发射功率：对发射功率大的用户，受到的惩罚多一些。

在郭雁《基于博弈论的认知无线电功率控制算法研究》基础上，本人提出一种新的基于认知用户发射功率、信干比和链路增益的代价函数：C i (P i ,h i ,γi )=ithi i ib λγγ-+i i i P h a （i=1,2,3,…,N ）γi =∑≠=+Nij j iij j j ii C P h P h ,12σi P 是认识用户i 的发射功率，hi 为用户i 的链路增益，ij C 表示认知用户i 和认知用户j信号的互相关系数，2i σ为认知用户i 受到的背景噪声功率，γi 是认知用户i 的信干比，thi γ为满足用户最低通信要求的信干比阈值，a i 、b i 是两个比例系数，tari γ为认知用户i 的目标信干比。

i λ为信干比上限值调节因子，当用户信干比γi>tariγ时，则算法通过i λ=iλ⎪⎪⎭⎫⎝⎛tar i i γγ2限制用户信干比，以保证用户信干比满足通信需求。

下面，证明所提出此代价函数的合理性：i i Nij j ijjji th i i ii iih a CP h h b P C ++⋅--=∂∂∑≠=,122)()/(σλγγ0)/(22322>⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅-=∂∂-ii i th i i i ii I h b P C λγγ （设2,1σ+=∑≠=-ijjNij j ji CP h I ）i thi i i i i i i iii th i i i i i I a b h a I h b P C λγγλγγ+=⇒=+⋅--⇒=∂∂--0)/(02 i i i i I P h -=γ，iii th i i i i i i ii i th i i i i i i i i i P h a P b h I a I b h h I P γλγγλγγ⋅+=⋅+⋅⋅=⋅=---1采用牛顿迭代法，0,)()()()()()1()(>⋅+⋅==ℜ+i n i n ii thi n i i i n i i n in IP P h a P b P Pγλγγ因此，（1）)()(f n )1(i max )(i ）（时，in i n iP P P P ℜ=≤+ （2）max )1(i max )(i )(f i n i n iP P P P =>+时，)()(10,12,12∑∑≠-≠=+⋅++⋅⋅+-=Nij j i ij j j i i th i N i j j i ij j j i i i i C P h h C P h a b h P σλγσ令函数：)()(1),,,,,,,(,12,122∑∑≠-≠=-+⋅++⋅⋅+-=Nij j i ij j j i i th i N i j j i ij j j i i i i iij i i i i i i i C P h h C P h a b h P C h b a P P F σλγσσλ由隐函数理论，雅可比矩阵非奇异时，迭代方程有解。

认知Wi-Fi2.0无线网络多用户动态分层功率控制算法

新已有知识库，进而做出智能的行为预测。并自适应地调节最优传输策略，实现择机共享已有授权频谱空洞，从而有效提升频谱利用率和缓解当前频谱资源匮乏的现状．当前，按照认知设备与授权用户共存方式和频谱利用优先级的不同，其动态频谱共享（ＤＳＡ）方式可分为：开放频谱共享、独占式共享和衬垫式共享［４Ｉ５】．虽然学术界和工业界已有很多对于独占式共享和衬垫式共享的研究，并确实取得了良好效果，然而与真正商用基于认知无线电技术的频谱共享系统还有一段距离．同时，以ＩＥＥＥ８０２．１１ＷＬＡＮ为代表的开放频谱共享在无线产业界引起极大反响ｌ６】．随着ＷＬＡＮ网络大量普及和良好的用户体验，ＷＳＰ逐渐意识到开放频谱共享的巨大潜能．然而，
Ｉｎｔｅｍｅｔ接入服务．例如：文献［１０］从ｗｉ — Ｆｉ２．０网络中ＷＳＰ的经济收益的角度出发，研究了用户接入和迁出策略
和ＷＳＰ之间的市场竞争；文献［１１】考虑了双头垄断的Ｗｉ．Ｆｉ２．０网络中ＷＳＰ对于频谱和用户的竞争，采用博弈论分析了服务关税（ｓｅｒｖｉｃｅｔａｒｉｆｆｓ）和信道利用效率（ｃｈａｎｎｅｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）的纳什均衡解．在文献［１０，ｌ１］的基础上，文献［１２】采用半马尔可夫决策过程研究最优的认知终端用户策略设计．由于认知ｗｉ．Ｆｉ２．０无线网络的感知性、自主性、适变性以及认知设备的灵活捷变性的特征，要求设计动态自适应地传输机制和资源管理和控制算法，有效约束认知节点自私的策略行为，避免认知节点谎报ＱｏＳ需求以获得更高优先级或者更多廉价的频谱资源，并进一步遏制干扰．因此，为满足Ｗｉ．Ｆｉ２．０无线网络的特性，博弈论必将在认知Ｗｉ．Ｆｉ２．０无线网络中的研究发挥重要作用［１０，１１ｊ．其实，博弈论在开放频谱共享传统的ＷＬＡＮ中已经有大量的研究［１．目前，大多数研究仍集中在采用纳什非合作博弈模型的纳什均衡解的分析和逼近算法的

基于认知无线电系统的新型合作功率控制博弈算法

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[PDF]认知无线电中基于博弈论的功率控制算法的研究

摘要随着信息技术和多业务无线网络的飞速发展，人们对宽带无线业务的需求不断增加，频谱这种不可再生的宝贵资源正逐渐变得短缺。

然而现有的固定频谱分配策略，导致许多已经分配给授权用户的频谱在某些时间段却处于空闲状态，频谱利用率较低，存在较大的频谱浪费现象。

认知无线电技术CR(Cognitive Radio)的出现提高了频谱利用率，缓解了频谱资源不足的问题，因而成为目前无线通信领域的研究热点。

认知无线电是一种新兴的智能无线通信技术，它通过频谱感知、功率控制和频谱管理、频谱共享、频谱切换等关键技术，实现在不对授权用户正常通信造成影响的前提下，伺机接入授权用户合法频段，实现动态频谱接入，提高频谱利用率。

本文从认知无线电技术特性出发，主要研究认知无线电动态频谱接入的关键技术——功率控制技术。

针对博弈论在解决系统紧缺性资源方面的研究优势，文中详细研究了基于博弈论的认知无线电分布式功率控制算法。

从物理意义角度出发，详细分析了NPG算法的导出过程，接着研究了NPGP算法，通过MATLAB仿真验证了该算法，实现了对NPG算法的性能改进。

为了进一步提高认知无线电系统的通信性能，本文在研究NPGP sigmoid算法的基础上，提出了NPGP sigmoid-NL算法，通过MATLAB仿真，证明了NPGP sigmoid-NL算法可以进一步提高认知用户的效用且减小认知用户的发射功率。

论文接着研究了Underlay频谱共享方式下，认知无线电的功率控制博弈算法。

在分析CDPC算法和Koskie-Gajic算法的基础上，结合对数函数要求自变量非负的特点，提出了对数效用功率控制算法，从而在效用函数设计上保证了认知用户的信干比大于等于目标信干比的要求，接着通过理论和MATLAB仿真证实了该算法的这一优点。

此外，对数效用算法在认知用户较少时，具有认知用户信干比较大的特点，这有利于该算法满足高速数据通信对高信干比要求的需要。

关键词：认知无线电；动态频谱接入；功率控制；博弈论；S型效率函数；代价函数AbstractWith the rapid development of wireless communication technologies and the increasing broadband communication demands, the shortage of spectrum resource is becoming an outstanding problem day by day. However, many frequency bands are not used efficiently most of time and there exists a big waste of spectrum because of the fixed spectrum allocation policy. Cognitive radio (CR) is a revolutionary technology that promises to alleviate the radio spectrum shortage problem by improving the spectrum utilization.CR is a new novel intelligent wireless communication technique which can adopt a series of key technologies such as spectrum sensing, power control and spectrum management, spectrum sharing, spectrum handoff etc to utilize the unused licensed spectrum of licensed users, in this way, CR can realize dynamic spectrum access and improve the spectrum utilization.From the perspective of characteristic in CR, this thesis develops a deep research on the key technology of CR which is transmitting power control. This thesis does detailed research on distributed power control algorithm of CR by means of game theory. The NPG algorithm is deduced in the perspective of physical meaning, and then the NPGP algorithm is researched and proved which can improve the communication performance of the NPG algorithm by using MATLAB simulation. To further enhance the communication performance of CR, the NPGP sigmoid-NL algorithm is proposed. The MATLAB simulation results show that the utility of the improved NPGP sigmoid algorithm will improve and the CR users’ transmitting powers will decrease by decreasing the value of “Nash Equilibrium threshold factor”.Then, the thesis does research on power control algorithm when CR users are in the manner of Underlay mode of spectrum sharing. The logarithmic utility power control algorithm is proposed, which combines the characteristic of non-negative variables of logarithmic function. Through theoretic analysis and MATLAB simulation, we can prove that the proposed algorithm can guarantee all the CR users’ SIR needs, which are greater than or equal to the target SIR values. Besides, when there are only a few of CR users, the logarithmic utility algorithm can make the CR users to achieve higher SIR values so as to meet the high SIR needs of high-speed data communications.Key Words: Cognitive Radio; Dynamic Spectrum Access; Power Control; Game Theory; Sigmoid Efficiency Function; Pricing Function.缩略词表ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line 非对称数字用户线路BER Bit Error Rata 误比特率BPSK Binary Phase Shift Key 二进制相移键控CDMA Code Division Multiple Access 码分多址CDPC Constrained Distributed Power Control 受限的分布式功率控制Coherent FSK Coherent Frequency Shift Keying 相干频移键控CR CognitiveRadio 认知无线电CRRB Cognitive Radio users Receive Base 认知用户接收基站CRT Cognitive Radio users Transmitter 认知用户发射机DARPA Defense Advanced Research ProjectAgency 美国国防高级研究计划署DPC DistributedPowerControl 分布式功率控制DPSK Differential Phase Shift Keying 差分相移键控DSA DynamicSpectrumAccess 动态频谱接入FCC Federal Communication Commission 联邦通信委员会FIP FiniteImprovementPath 有限提高路径FSR Frame Success Rate 帧成功传输率GCC Group Control Channel 群控制信道LU LicensedUsers 授权用户MAC MediumAccessControl 介质接入控制MIMO Multiple Input Multiple Output 多输入多输出NE NashEquilibrium 纳什均衡NPG Non-cooperative Power Control Game 非合作功率控制博弈NPGP Non-cooperative Power Control Gamewith Pricing 基于代价函数的非合作功率控制博弈NPGP sigmoid NPGP algorithm based on sigmoidefficiency function 基于S型效率函数的非合作功率控制博弈Non-coherent Non-coherent Frequency Shift Keying 非相干频移键控FSKOFDM Orthogonal Frequency Division正交频分复用MultiplexPRB Primary users Receive Base 主用户接收基站usersTransmitter 主用户发射机PT PrimaryUsers 一级（主）用户PU PrimaryQoS Quality of Service 服务质量QPSK Quadrature Phase Shift Keying 正交相移键控RF RadioFrequency 射频RKRL Radio Knowledge Representation无线电知识描述语言LanguageSDR Software Defined Radio 软件定义无线电SDRF Software Define Radio Forum 软件无线电论坛SIR Signal to Interference Ratio 信干比SPTF Spectrum Policy Task Force 频谱政策专门小组SU SecondaryUsers 二级（认知）用户WINLAB Wireless Information Network无线信息网络实验室LaboratoryNetwork 无线区域网络WRAN WirelessAreaRegionalUCC Universal Control Channel 全局控制信道XG Next Generation Communications 下一代通信数学符号表G博弈过程{1,2,,}I N =博弈过程参与者集合 123N A A A A A =××××博弈过程策略集合i第i 个博弈参与者或第i 个认知用户 j 第j 个博弈参与者或第j 个认知用户 ()i u ⋅ 认知用户i 的效用函数 i p认知用户i 的发射功率 i γ认知用户i 的信干比 W 系统带宽 W R系统扩频增益 2σ 系统背景噪声功率 max p 认知用户发射功率上界 ()i f γ 认知用户i 的效率函数 (,)i i i c p P −认知用户i 的代价函数 λ代价函数因子γtar i认知用户i 的信干比目标值maxi γ对数效用算法中认知用户i 信干比上界南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

基于博弈论的认知无线电自适应功率控制算法

基于博弈论的认知无线电自适应功率控制算法彭青;肖海林【期刊名称】《电信科学》【年(卷),期】2013(29)1【摘要】A non-cooperative power control algorithm based on game theory was proposed in cognitive radio systems, and its Nash equilibrium existence and uniqueness were also proved. However, some users'SINR is much larger than the target value in the proposed algorithm, causing power waste. Aiming at improving it, a feedback function was presented to design a mechanism of penalty factor self-adaptive adjustment on the basis of the algorithm. The numerical simulation results show that, compared with other distributed algorithms, the proposed algorithm, in the premise of meeting the primary user' QoS requirements, is able to ensure that all cognitive users' output SINR meet the threshold requirements, reduce the power consumption and overcome the near-far effect to achieve the purpose of the fair sharing of spectrum resources.%针对认知无线电环境下的功率控制问题,给出了基于博弈论的非合作功率控制算法,并对其纳什均衡存在性和唯一性进行了证明.在此基础上,针对该算法中部分用户SINR远大于目标值而引起功率浪费的情况,通过一种反馈函数对惩罚因子进行自适应调整.仿真结果表明,与其他分布式算法相比,经过调整后的功率控制算法在保障主用户QoS需求的前提下,能够保证所有用户的输出SINR满足上下限阈值要求,并有效降低认知用户功率消耗,克服远近效应,达到用户公平共享频谱资源的目的.【总页数】5页(P46-50)【作者】彭青;肖海林【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院桂林541004【正文语种】中文【相关文献】1.基于博弈论的认知无线电功率控制算法 [J], 李红岩;傅洪亮;管爱红;许峰2.认知无线电中基于博弈论的联合功率和速率控制算法 [J], 关宏博;张广春3.基于博弈论和效用论的认知无线电功率控制算法 [J], 张北伟;胡琨元;朱云龙4.基于非合作博弈论的认知无线电功率控制算法（英文） [J], 赵军辉;杨涛;贡毅;王娇;付雷5.认知无线电MIMO中基于博弈论的功率控制算法 [J], 彭青因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法

Ｓｇａ－－ｏｓ（ＮｉｌｔＮｉＳＲ）ｏｅｏｉｇｏｗｒＤ）ｗｔｅｏｐｒｎｓｃｐｗｒｏｔｌｇｒｈｂｓｄｏｎｏｅｆｃｄｎｒａｄቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ｆｉｔｐｏｔｉｉｏｅｃｎｒｏｉｍａｅｎｄｆｈｈｕｔｏａｔｌ
ＡｓａｔＳｅｔｍｐｒｅｔｎｉｂｓｄｏｅｎｔｏｋｏｅａｏｆｏｎｔｅＲｄｏＣ，ｎｏｅｂｔｃ：ｐｃｒｅｃｐｉａｅｎｔｅｒｐｒｔｎｏｇｉｖａｉｒｕｏｓｈｗｉＣｉｓ（Ｒ）ａｄｔｓｌｏｖ
Ｖｏ．Ｎｏ．１３２３
Ｊｎ２１ｕ．０２
基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法
滕鸿飞，峰，梦雯田吴
（南京邮电大学信号处理与传输研究院，江苏南京２００）１０３
摘
要：频谱感知是认知无线电网络正常工作的基础，而功率控制问题的解决是认知网络和主用户网络正常运行
ＢａｅｎＤｅｏ．ｎｆｒｒｓｄｏｃｄｅａｄ．ｏｗａｄ
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认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法

认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法认知无线电（Cognitive Radio，CR）作为一种新型的无线通信技术，能够有效地提高无线电谱的利用效率。

在认知无线电系统中，快速收敛的功率控制博弈算法起着至关重要的作用。

本文将深入探讨认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法，并对其进行全面评估和分析。

1. 了解认知无线电让我们来了解一下认知无线电的基本概念。

认知无线电是一种智能无线通信技术，它利用智能感知和学习的功能，能够主动地感知、判断和适应无线电环境，提高频谱的动态利用效率。

在认知无线电系统中，不同用户之间会存在频谱竞争和干扰问题，因此需要一种高效的功率控制算法来实现频谱共享和干扰管理。

2. 快速收敛的功率控制快速收敛的功率控制是认知无线电系统中必不可少的一环。

它能够帮助系统快速地适应无线电环境的变化，有效地应对频谱竞争和干扰问题。

在快速移动的通信环境下，功率控制算法需要具备快速收敛的特性，以保证系统能够及时、准确地调整功率水平，实现频谱的高效利用。

3. 博弈算法在功率控制中的应用在认知无线电系统中，频谱竞争是不可避免的。

如何通过有效的博弈算法来实现功率控制，成为了一个关键问题。

博弈算法能够帮助用户之间进行合作与竞争，并找到最优的功率分配方案。

在快速收敛的功率控制中，博弈算法的应用能够有效地缓解频谱竞争和干扰问题，提高系统的整体性能。

4. 深入分析快速收敛的功率控制博弈算法快速收敛的功率控制博弈算法是一种复杂而又精密的算法。

它需要考虑用户之间的合作与竞争关系，同时还要兼顾系统性能的最优化。

在实际应用中，如何设计出一种快速收敛的功率控制博弈算法成为了一个挑战。

我们需要综合考虑用户间的信息交互、功率约束、频谱分配等多个因素，以实现系统的整体性能最优化。

5. 个人观点和理解在我看来，快速收敛的功率控制博弈算法是认知无线电系统中的一项重要技术。

它能够有效地提高系统的频谱利用效率，降低用户间的干扰，提高通信质量。

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cooperative communication, a new OPCSS-DF algorithm is proposed. The simulation results show that the proposed algorithm improves system performance and spatial diversity, which makes tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe range of applications of this algorithm wider. Secondly, based on Goodman's non-cooperative power control game, a new power control
I
南京邮电大学硕士研究生学位论文
摘要
关键词：认知无线电；协作通信；功率控制；非合作博弈；频谱共享；
II
南京邮电大学硕士研究生学位论文
Abstract
Abstract
In recent years, wireless communication plays an increasingly important role in people's daily life and social development, which makes wireless communication technology develop at a high-speed. However, wireless communications rely on radio spectrum, the frequency as a kind of natural resources is very limited. The existing spectrum allocation method is unreasonable, which leads to the scarcity of spectrum resources and a very low utilization of licensed spectrum. Recently, cognitive radio (CR) technology becomes a research hot spot, which requires no fixed spectrum allocation and communicates in the free band through the perception of the surrounding electromagnetic environment, and then improved spectrum efficiency. It is considered as the best technology to solve those problems mentioned before. Power control technology is one of the key problems in CR and wireless communication. Reasonable adjustments to the user's transmit power can not only ensure the normal communication of primary users, but also meet the needs of CR users. Cooperative communication technology in recent years has developed fast, whose basic idea is that the users forward the information for each other in wireless network to obtain greater spatial diversity. In this paper, power control for cooperative communications based on CR system is studied to improve network throughput and achieve a better optimization of transmission power under the premise of primary users’ normal communication. Fairness among CR users should be considered too. The study comprises two parts, cognitive radio hardware and software. Works and innovations are as follows: The first part focuses on the use of power control technology to improve the performance of wireless communication systems. Firstly, based on the OPCSS algorithm and the Decode-and-Forward in
研究生签名：____________ 导师签名：____________ 日期：_____________
南京邮电大学硕士学位论文摘要
学科、专业：工学、信号与信息处理研究方向：无线通信与信号处理技术
作
者：滕鸿飞
指导教师：杨震教授
题
目：基于协作中继的认知无线电功率分配算法研究
III
南京邮电大学硕士研究生学位论文
Abstract
game algorithm suitable for CR system was proposed by improving the pricing function. The existence and uniqueness of the Nash equilibrium is proved too. The simulation results indicate that compared with several classical non-cooperative game algorithms the new algorithm not only reduces the transmission power efficiently and improves the user's income, but also shows a good convergence .Thus，it is suitable for CR system which has high demand of time-delay character. The second part is the research of cognitive radio hardware platform and the verification of theoretical results. The CR MAC layer communications union on hardware and software platform is designed and studied, the final test results show that the communications union works effectively, not only meets the needs of mobile station for multiple services, but also completes the performance indicators set initially. This paper lays a good foundation for the further research on cognitive radio. At the end, a summary is given and the future research directions are pointed out. Keywords: cognitive radio; cooperative communication; power control; non-cooperative game; spectrum sharing;
研究生签名：_____________ 日期：____________
南京邮电大学学位论文使用授权声明
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单位代码： 10293
密
级：
硕士学位论文
论文题目：基于协作中继的认知无线电功率
分配算法研究
学姓导学研科究专方
号名师业向
Y001090606 滕鸿飞杨震教授信号与信息处理无线通信与信号处理技术工学硕士 2012 年 3 月
申请学位类别论文提交日期
南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
英文题目：Research on power control for cooperative communications based on cognitive radio system