基于博弈论的协同通信网络资源分配算法研究

孙石峰　罗成

摘 要：在无线通信网络中，路径损耗、阴影衰落和多径效应等严重影响了通信质量和传输速率。协同通信作为未来移动通信的关键技术之一，可以有效地解决以上问题。但是，在协同通信网络中，需要解决好中继选择和资源分配关键技术问题。针对放大转发中继的传输特性，提出基于拍卖理论的中继节点功率分配算法，中继节点把中继功率作为拍卖物品卖给源用户。该方案引入了中继节点惩罚因子更新函数，通过迭代达到系统均衡状态。软件仿真和分析显示，该算法改善了用户接收端的信噪比，改善了系统及用户的传输速率。

关键词：协同通信 博弈论 功率分配 带宽分配

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0094-03

1 引言

移动通信从主要的语音通信到多媒体通信、到今天的大数据时代通信，使得用户对无线通信带宽的需求剧增，稀缺的无线频带资源已成为加快无线通信更新换代的牵制要素，造成频谱资源紧张的主要因素是频谱的固定分配方式[1，2]，因此有效地频谱资源分配对于无线通信的发展具有重要意义。在无线通信网络中通过一系列单用户节点形成虚拟天线阵列，协同通信在提升系统可靠性和高容量方面具有极大地优势。协同通信技术是可以最大化利用现有资源的一种有效手段，可广泛应用于蜂窝通信网、AdHoc网络、传感网和下一代移动通信网络，因而对无线通信的发展有深远的影响。

在无线通信不断进步的进程中，人们对于通信速率及通信的质量有更高的期待和需求。而协作分集技术就是在这种需求下产生的，协作分集技术不仅在一定程度上可以抗击各种衰落效应，而且可以改善通信质量和提高频谱的利用效率，因而，这些年协作通信成为研究的热点，受到很高的关注。在蜂窝通信中，通过协作中继通信系统，不仅可以增大小区的覆盖范围，而且可以提高通信的质量，降低网络建设的成本。对于无线通信而言，有效的网络资源分配极其重要，可以提高功率和带宽等资源的高效配置，提升通信质量，减小时间的延迟和数据丢失。

文献[3]和[4]中研究了高斯并行中继网络中的功率分配问题，研究了放大转发策略和解码转发策略与共享信道和正交信道的情况，得出解码转发策略下，最优分配方案是选择一个信道状况最好的协作中继，并且分配全额的中继功率协作传输。文献[5]为频谱拍卖建立一个优化问题模型，并分析了价格设计对资源分配的重要性。文献[6]设计了多种频谱分配的拍卖算法来获取最优的全局效益。文献[7]建立了一个多拍卖多竞拍者的频谱资源拍卖机制，并证明纳什均衡的收敛性。

该文中以多用户单中继网络的中继节点功率分配为中心展开。主要利用拍卖理论解决单协作中继节点基于放大转发网络的功率分配问题。该文构建基于信道容量的效用函数，引入中继节点价格策略，提出协作中继网络通信的功率分配方案。

2 系统模型

由于中继节点只放大转发用户发来的信号，基于放大转发协议的协作中继通信系统不需要对接收到的信号进行编解码等信息处理，而且放大转发协议也比较简单，并且中继节点的信号处理模块的设计和实现比较简单，对系统的资源占用相对较少，转发信号的时延相对较小，容易实现。所以基于放大转发协议的协作通信系统的应用比较易于实现和操作。该文以功率受限的多用户单中继基于放大转发协议的无线协作通信系统为中心进行探讨。

系统由W个用户节点，个目的节点和一个中继节点组成，用户节点既可以通过中继的协作也可以独立完成通信。用户节点配置单天线，目的节点配置多天线，假设系统中不同的用户使用不同的通信信道，互不干扰，并且在两个时隙完成一次数据传输。为用户节点发送的数据，分别为用户节点和中继节点之间的传输链路，中继节点R和目的节点D之间的信息传输链路，用户节点和目的节点D之间的信息传输链路的信道衰落系数，表示用户的发送功率，表示中继节点为用户节点在协作通信中分配的功率，假设所有同通信链路具有相同的噪声功率σ2和传输带宽W，分别为通信链路信道噪声。

第一个发送时隙目的节点D处获得的信噪比（SNR）和用户节点传输可得到的传输速率分别为：

3 系统算法流程

用户节点通过计算当前时刻的最适竞拍量，可通过异步发送方式把竞拍量发送给中继节点。异步发送方式就是在一个数据发送周期内，每个用户节点占用一个时隙，依次把竞拍量发送给中继节点，相比同步发送方式，各个用户节点同时把竞拍量发送给中继节点来讲，对时钟要求比较松，设备实现相对简单。

在买卖者博弈开始前，中继节点将总的中继功率分为N等份，以广播方式将其发送给所有用户节点，并预置相等的竞拍量发送给所有用户节点。

中继功率分配博弈迭代和中继节点惩罚因子更新过程如下：

（1）所有用户节点接收中继节点预置的一个起始中继功率，所有用户节点计算出惩罚因子的上下临界值发送给中继节点；

（2）中继节点接收所有用户节点的临界惩罚因子，计算出当前系统的惩罚因子临界值设置并初始化两个迭代因子并初始化惩罚因子，并向所有用户广播；

（3）用户节点收到后根据（4-26）计算下次竞拍量，并在节点的发送时隙内发送给中继节点；

（4）中继节点对所有中继用户竞拍量进行判决。如果，，那么；如果，，那么，其中s为步长。中继节点将更新后的惩罚因子广播给系统中的所有用户节点，中继将更新后的惩罚因子发送给所有用户节点；

（5）如果，则系统达到均衡状态，则根据用户的竞拍量比例关系为用户进行功率分配，反之，返回（3）。

4 系统测试

对算法仿真进行场景设置如下：其中和为用户源节点，和为目的节点，R是移动的中继节点，图2为中继节点功率分配仿真场景。

其中参数设置：W=1MHz中继节点的中继总功率为1W，并设定所有信道具有相同的噪声功率W，取信道增益为，所有用户节点的发送功率为0.1W，惩罚因子更新步长s=10。仿真结果如下：

图3为无线中继协作通信系统中继节点处于不同位置时的中继功率分配状况。当中继节点位于x轴-60和80外时，中继节点为各个用户节点分配功率为0，并没有发生合作，原因是距离较远，中继节点的效果不好，用户节点不能获得有效地收益，故中继节点不参与竞拍。当中继节点移动到-60和80内的范围时，用户节点参与竞拍，发送竞拍量，获得中继节点发送的中继功率。我们可以看到，在-60到80的过程中，体现了算法的有效性，由于用户节点1距离中继节点较近，就会更好地进行竞拍，获得较好地功率分配，随着中继节点的位置变动，用户节点2距离中继节点较近，也会更加有利于竞拍，获得更好地中继分配功率。

5 结语

该文提出了基于用户节点竞拍/中继节点功率拍卖的中继功率分配方案。用户节点通过设置自己的竞拍量获取理想的中继功率，而中继节点则通过用户节点的发送竞拍量改变惩罚因子的设置，进而实现中继节点功率的重新分配，通过分布式迭代算法达到系统均衡。同时，该文对中继功率分配算法达到均衡的迭代次数进行了仿真，仿真表明了均衡点的存在性和系统性能的改善。

参考文献

[1] Ng TC Y， Yu W.Joint optimization of relay strategies and resource allocations in cooperative cellular networks[J].Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2014， 25（2）： 328-339.

[2] Savazzi S， Spagnolini U.Energy aware power allocation strategies for multihop-cooperative transmission schemes[J].Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2016，25（2）： 318-327.

[3] Maric I， Yates R D.Forwarding strategies for Gaussian parallel-relay networks[C]// Information Theory， 2015. ISIT 2004. Proceedings.International Symposium on. IEEE，2015： 269.

[4] 屈春河，杨景，张国清.一种针对协作分集的分布式功率分配算法[J].电子学报，2014，38（1）：60-67.

[5] Wang B， Han Z， Liu K J R.Distributed relay selection and power control for multiuser cooperative communication networks using stackelberg game[J].Mobile Computing， IEEE Transactions on， 2012，8（7）：975-990.

[6] Shastry N， Adve R S.Stimulating cooperative diversity in wireless ad hoc networks through pricing[C]//Communications， 2016. ICC'06. IEEE International Conference on. IEEE， 2016（8）：3747-3752.

[7] 廖晓滨，赵熙.第三代移动通信网络系统技术、应用及演进[M].北京：人民邮电出版社，2012.