CN104796991B - 基于势博弈的ofdma系统的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法，包括：(1)计算复用蜂窝用户信道资源的D2D用户的目标信噪比；(2)D2D用户计算其对应的干扰半径；(3)根据各D2D用户的干扰半径建立各D2D用户使用子信道的冲突矩阵；(4)D2D用户与D2D用户之间进行博弈，使自己的效应函数达到最大；(5)如果D2D用户干扰半径内存在冲突用户，则放弃使用该子信道资源，选择次优子信道传输数据；(6)判断是否博弈收敛或达到最大迭代次数，如果不收敛且没有达到最大迭代次数，则更新D2D用户的信噪比后，重复执行A5～A6，直到收敛或达到最大迭代次数。本发明降低了OFDMA小区中的同频干扰，缓解了频谱资源短缺的问题。

Description

基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线信道资源分配领域，具体涉及一种基于势博弈的OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)系统的资源分配方法。

背景技术

由于无线通信中对于高速率传输的需求以及OFDMA技术在子信道的分配、频谱资源的效率和抗多径衰落的鲁棒性上有较大的优势，使得人们对于OFDMA技术产生浓厚的兴趣。OFDMA技术是OFDM技术的演进，已经广泛应用于WiMAX及3GPP技术中。在OFDMA系统中，信道被分成多个相互正交的子载波，避免了小区中蜂窝用户的同频干扰。但在小区中引入D2D用户，D2D用户复用蜂窝用户的信道资源，不可避免的会加大系统中的同频干扰。系统中存在同频干扰会导致通信系统性能的下降，如何解决小区中同频干扰的问题，成为下一代移动通信面临的重要问题。所以如何对D2D用户复用频谱资源所带来的同频干扰的抑制已经成为无线通信中亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，降低OFDMA小区中的同频干扰，缓解频谱资源短缺的问题，本发明提供一种基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法。

在OFDMA单小区中，D2D用户之间存在竞争关系，这一场景十分适合博弈论的应用，因此采用博弈论的思想进行动态频谱分配问题的建模。要将博弈论应用到OFDMA小区中，则所研究的对象必须满足博弈过程的理性条件和基本要素。其中理性条件包括：

(1)博弈过程遵循一定的规则，即局中人根据通信环境做出的策略选择及行动必须遵守一定的判定规则。

(2)参与者在进行决策选择时，能够对获得更好的收益有一个合理的预期。要满足这一条件，每一个局中人需要一个收益最大化的严格定义的目标函数。该条件与可定义的目标函数和行动组合，都是对博弈过程进行良好的分析的必要条件。

博弈过程的基本要素包括：

(1)在博弈过程中存在若干参与者。

(2)参与者均存在若干策略或行动。

(3)每个参与者均有能表示自己偏好的支付函数(效应函数)。

根据以上的分析可以看出OFDMA小区能够完全满足博弈论对问题分析的要求。OFDMA小区中，D2D用户对之间竞争蜂窝用户的频谱资源，构成博弈。

本发明基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法，包括以下步骤：

A1、计算OFDMA系统中复用蜂窝用户信道资源的D2D用户的目标信噪比；

A2、根据初始化的目标信噪比，D2D用户计算其对应的干扰半径；

A3、根据各D2D用户的干扰半径计算各D2D用户使用子信道的冲突矩阵；

A4、D2D用户与D2D用户之间进行博弈，使自己的效应函数达到最大；

A5、如果D2D用户干扰半径内存在冲突用户，则放弃使用该子信道资源，选择次优子信道传输数据；

A6、判断是否博弈收敛或达到最大迭代次数，如果不收敛且没有达到最大迭代次数，则随着D2D用户信噪比的更新后，重复执行A5～A6，直到收敛或达到最大迭代次数。

A1的具体过程为，D2D用户的目标信噪比

其中a_in表示D2D用户i是否复用蜂窝用户n的子载波传送数据，a_in＝1表示复用，a_in＝0表示不复用，p1(i)表示第i个D2D用户的功率，p2(n)表示蜂窝用户n的功率，表示第i个D2D用户的发送端到接收端复用子载波n时的信道增益，表示第j个D2D用户的发送端到第i个D2D用户的接收端复用子载波n时的信道增益，h_ni表示第n个蜂窝用户到第i个D2D用户接收端的信道增益，N₀表示高斯白噪声。

优选的，第i个D2D用户的干扰半径 为该用户的目标信噪比。

优选的，用C∈{0,1}^D×D表示D2D用户的冲突矩阵，若D2D用户j的发送端在D2D用户i的干扰半径范围之外或者i＝j，则C_ij＝0，否则C_ij＝1。

A4中势函数为

进一步表示为

其中ξ_i是与D2D用户i的策略相关的项，ω_i是与其策略不相关的项；则D2D用户i的效应函数表示为：

本发明以最大化D2D用户的信噪比为目标，将目标信噪比转化为势函数，用完全势博弈来解决资源优化问题。为了降低系统中因D2D用户复用蜂窝用户的信道资源所带来的同频干扰，引入干扰半径的概念，每个D2D用户均有以接收端为中心的干扰半径。用干扰矩阵来表示D2D与D2D用户之间所造成的干扰情况，以此来判断D2D用户之间是否可以共用子信道资源，降低了系统中的同频干扰，增大了D2D用户的信噪比。

附图说明

图1为包含蜂窝用户及D2D用户的OFDMA单小区的系统示意图；

图2为本发明中D2D用户对以接收端为中心的干扰半径示意图；

图3为本发明基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

假设单小区OFDMA系统如图1所示，基站BS在小区的中心位置，小区半径为r，小区中含有N个蜂窝用户，每个蜂窝用户使用系统中的一个子载波，彼此之间相互正交，子载波数与蜂窝用户数相同为N，并且假设每个蜂窝用户i使用相对应的第i个子信道。系统中含有D个D2D用户对，每个D2D用户对都有发送端和接收端，并且都有以接收端为中心的一个干扰半径。用户的相对位置及信道的状态在整个过程中假设是固定不变的。定义D∈R^D×D为距离矩阵，其中元素d_ij表示D2D用户对i的发送端到D2D用户对j的接收端之间的距离，d_ii表示D2D用户对i的发送端与接收端之间的距离，通常在j≠i的情况下，会小于d_ji。

用A表示子载波分配矩阵，A∈{0,1}。A中的每个元素a_in∈{0,1}，表示D2D用户i是否复用蜂窝用户n的子载波来传送数据，如果复用则a_in＝1否则a_in＝0。因此，D2D用户对i的子载波使用情况可以由矩阵A的第i行行向量来表示，这里假设行向量不能为零向量。

定义G∈R^D×D×N和H∈R^N×D表示用户信道增益矩阵，其中G的元素表示第i个D2D用户的发送端到第j个D2D用户的接收端复用子载波n时的信道增益，通常情况下H的元素h_ij表示第i个蜂窝用户到第j个D2D用户接收端的信道增益。同样，矩阵P1∈R^D表示D2D用户对的功率分配，p1(i)表示第i个D2D用户的功率，并且小于最大功率限制P_max。小区中的蜂窝用户的功率用矩阵P2∈R^N表示，p2(n)表示蜂窝用户n的功率，并且小于最大功率限制P_max。则对于复用蜂窝用户n的信道资源的D2D用户i，它的信噪比SINR可以表示成：N₀表示高斯白噪声并假设对所有的链路都是相同的。

定义r_i为第i个D2D用户的干扰半径，只考虑简单的方法(只考虑路径损耗)来估测用户i的干扰半径，由来确定，λ为路径损耗指数，为目标信噪比。

借用以上定义的距离矩阵D，对于D2D用户i，如果且a_jn＝0，即D2D用户j不使用子载波n进行数据的传输，则D2D用户i可以复用蜂窝用户n的子载波，但若a_jn＝1，则D2D用户i避免复用蜂窝用户n的子载波。

用矩阵C∈{0,1}^D×D来表示D2D用户的冲突矩阵，若D2D用户j的发送端在D2D用户i的干扰半径范围之外或者i＝j，则元素C_ij＝0，否则C_ij＝1。

以图2为例，此处列举了具有4个D2D用户的简单模型。可以看到D2D用户2和其他任何D2D用户均不存在干扰。D2D用户4的发送端处在D2D用户1和D2D用户3的干扰半径内，因此对1和3均造成较强的干扰，在对应的干扰半径矩阵处置1。用户1和3互不构成干扰，因此该简单模型的干扰冲突矩阵为

D2D用户的势函数满足以下特性：

(1)势函数V表示为V＝g_k(ξ_k,ω_k)，其中ξ_k是与用户k的策略有关的项，而ω_k表示与用户k的策略无关的项，g_k是一个单调递增的函数。

(2)V对于所有用户k来说是关于信噪比的增函数。这个特性与势博弈无直接的关系，是为了确保最大化势函数能够达到最大化用户信噪比的目的而存在。

如果能够找到同时满足以上两个条件的函数，则选择该函数作为博弈的效应函数，这就构成普通势博弈。并且，如果对于任意一个用户，关系式V＝ξ_k+ω_k成立，则可令u_k＝ξ_k，那么就可构成一个完全势博弈。

将势函数定义为所有用户信噪比的倒数的负数，如下式所示：继续化为：ξ_i是与D2D用户i的策略相关的项，ω_i是与其策略不相关的项。

则D2D用户i的效应函数表示为：

系统中的D2D用户进行子载波资源的竞争，用户i每次选择使其效应函数达到最大的子信道资源，判断冲突矩阵中的第i行在该子信道上对应位置的值是否为1，若是则表示D2D用户干扰半径内存在冲突用户，需要放弃使用该子信道资源，选择次优子信道。每个D2D用户均循环执行此操作直至博弈收敛或达到最大迭代次数。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.基于势博弈的OFDMA系统的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、计算OFDMA系统中复用蜂窝用户信道资源的D2D用户的目标信噪比；

A2、根据初始化的目标信噪比，D2D用户计算其对应的干扰半径；

A3、根据各D2D用户的干扰半径建立各D2D用户使用子信道的冲突矩阵；

A4、D2D用户与D2D用户之间进行博弈，使自己的效应函数达到最大；

A5、如果D2D用户干扰半径内存在冲突用户，则放弃使用该子信道资源，选择次优子信道传输数据；

A6、判断是否博弈收敛或达到最大迭代次数，如果不收敛且没有达到最大迭代次数，则随着D2D用户信噪比的更新，重复执行A5～A6，直到收敛或达到最大迭代次数；

A1的具体过程为，D2D用户的目标信噪比

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其中D为D2D用户对的个数，a_in表示D2D用户i是否复用蜂窝用户n的子载波传送数据，a_in＝1表示复用，a_in＝0表示不复用，p1(i)表示第i个D2D用户的功率，p2(n)表示蜂窝用户n的功率，表示第i个D2D用户的发送端到接收端复用子载波n时的信道增益，表示第j个D2D用户的发送端到第i个D2D用户的接收端复用子载波n时的信道增益，h_ni表示第n个蜂窝用户到第i个D2D用户接收端的信道增益，N₀表示高斯白噪声；

第i个D2D用户的干扰半径为该用户的目标信噪比，λ为路径损耗指数；

C∈{0,1}^D×D表示D2D用户的冲突矩阵，其中D为D2D用户对的个数，若D2D用户j的发送端在D2D用户i的干扰半径范围之外或者i＝j，则C_ij＝0，否则C_ij＝1；

A4中势函数为

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进一步表示为

其中N为蜂窝用户总数，ξ_i是与D2D用户i的策略相关的项，ω_i是与其策略不相关的项；

则D2D用户i的效应函数表示为：

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