SWTPT系统中基于博弈论的功率分配

摘 要：随着无线通信技术的发展，无线通信面临的最大问题是节点能量受限。无线携能通信（SWIPT）技术为这解决这一难题提供了可能性。本文研究SWIPT安全通信系统的功率分配算法，采用博弈论进行分析，提出一种基于Stackelberg博弈论的功率分配算法。根据所提算法进行仿真验证，仿真结果表明本文所提算法能有效提升系统性能。

关键字：无线携能通信；功率分配；Stackelberg博弈

信息是信息化社会发展的重要战略资源。随着网络信息技术的迅猛发展，信息的地位与作用急剧上升，信息及通信安全问题因此而日益突出。因此，加强安全通信技术的研究是未来通信技术发展的迫切需要。安全通信是无线通信网络研究的關键方面。无线通信的安全性主要包含两个方面：（1）不能影响到合法用户对信息的接收，确保其通信的可靠性；（2）不能让窃听用户得到任何有用信息，确保其对保密信息的不可知性。

1 无线携能通信技术及Stackelberg博弈论

在实际的通信系统中，节点能量一般是由电池供应，电池更换非常困难，甚至不可能更换，比如放置在病人体内的心脏起搏器电池。节点的电池一旦耗尽，就会立刻退出网络，这将会直接影响整个网络的生命周期和整体功能的实现。从周围的环境中收集可再生能源来给通信网络中的节点供电，则不失为一种方便且经济环保的方法。

无线携能通信，又称无线能量与信号同步传输（SWIPT）是将无线能量传输与无线信息传输相结合的产物，是实现能量与信息的并行、同步高效传输。L.R.Varshner 首次提出了SWIPT的概念[1]。该概念一提出后就受到了中外学者的广泛关注[2-4]。

Stackelberg博弈模型是一个典型的动态博弈模型[5]。Stackelberg均衡由经济学家Von Stackelberg在1952年首次提出，主要用来解决具有主从用户结构的决策问题。

2 系统模型

4 仿真结果与分析

在本小节中，我们将通过仿真来讨论本文所提的基于博弈论的SWIPT系统中功率分配优化算法的性能。在仿真中，我们随机生成1000个TTI的信道，对优化算法在各个信道中获得仿真结果后去除极端数据后获得了优化算法的平均优化目标值。

图2为优化算法下的系统接收速率与SNR曲线图。从图中可以看到，随着用户节点所要求的SINR值增大，接收端接收速率呈现明显上升趋势，这表明应用本文所提算法可以显著提高系统性能。

5 结语

本文首先对无线携能通信技术和Stackelberg博弈理论进行了介绍。然后，根据在恶意窃听和人工干扰下的安全通信SWIPT系统模型，建立优化问题，并提出了基于博弈论功率分配优化算法。通过仿真验证本文所提算法能够有效提升系统性能。

参考文献

[1]. Varshney L R. Transporting Information and Energy Simultaneously[A] IEEE International Symposium on Information Theory[C]. 2008：1612-1616.

[2]. Grover P， Sahai A. Shannon meets Tesla： Wireless information and power transfer[A] IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings[C]. IEEE， 2010：2363-2367.

[3] Huang K， Larsson E. Simultaneous Information and Power Transfer for Broadband Wireless Systems[J]. Mathematics， 2013， 61（23）：4444-4448.

[4] Zhang H， Song K， Huang Y， et al. Energy harvesting balancing technique for robust beamforming in multiuser MISO SWIPT system[A] International Conference on Wireless Communications & Signal Processing[C]. 2013：1-5.

[5]. Wang An， Cai Yueming，. A stackelberg security game with cooperative jamming over a multiuser OFDMS network[C]. 2013： 4210-4215.

作者简介

陈娴雅（1990-），女，山西，硕士研究生，研究方向：无线通信领域中无线携能通信技术及功率分配算法研究。