基于信干比的认知无线电自适应功率控制算法

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。

专利名称：认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法专利类型：发明专利
发明人：朱江,杨浩磊,韩超,张佳佳,袁迎慧,喻嘉兵
申请号：CN201410605917.4
申请日：20141030
公开号：CN104320840A
公开日：
20150128
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及认知无线网络领域，具体涉及一种认知无线网络基于博弈论的自适应功率控制方法，包括：计算认知用户的第一信干噪比；计算初始发射功率；根据所述认知用户的第一信干噪比和所述初始发射功率进行迭代，计算最佳发射功率；本发明通过博弈论对发射功率迭代求出最佳功率，是为了在主用户能够容忍最大的干扰门限内通过对发射功率进行功率控制，可以最大化认知用户最优传输功率，克服远近不公平现象，并在满足通信的基本条件下更省电。

申请人：重庆邮电大学
地址：400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号
国籍：CN
代理机构：北京海虹嘉诚知识产权代理有限公司
代理人：谢殿武
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无线数据网络中基于最佳等信干比的功率控制的开题报告1.研究背景与意义随着移动智能设备的普及以及用户对数据需求规模的不断扩大，无线数据网络的容量需求越来越大。

在无线数据网络中，功率控制是提高网络容量和可靠性的重要手段。

功率控制通过调整发射功率来控制节点之间的信号干扰程度，从而达到提高信道容量和降低误码率的效果。

因此，功率控制算法的设计和优化对于提高无线数据网络的性能和容量至关重要。

其中，基于最佳等信干比的功率控制算法是目前比较流行和有效的功率控制算法之一。

2.研究内容与方法本文针对无线数据网络中基于最佳等信干比的功率控制算法开展研究，主要研究内容包括：（1）最佳等信干比功率控制算法的基本原理和特点（2）最佳等信干比功率控制算法的数学建模（3）基于最佳等信干比功率控制算法的仿真实验和性能分析（4）最佳等信干比功率控制算法在实际无线数据网络中的应用和优化本文将采用以下研究方法：（1）文献调研：对目前国内外关于无线数据网络中功率控制算法和基于最佳等信干比功率控制算法的研究现状及发展进行系统的综述和分析；（2）数学建模：根据最佳等信干比功率控制算法的原理和特点，进行数学建模；（3）仿真实验：通过搭建仿真实验平台，对基于最佳等信干比功率控制算法进行仿真实验，对其性能进行分析和优化；（4）案例研究：对最佳等信干比功率控制算法在实际无线数据网络中的应用和优化进行案例研究。

3.研究预期成果（1）对无线数据网络中功率控制算法和基于最佳等信干比功率控制算法的研究现状和发展进行系统综述和分析；（2）建立基于最佳等信干比的功率控制算法的数学模型；（3）通过仿真实验证明基于最佳等信干比的功率控制算法在提高网络容量和降低误码率方面的有效性；（4）在实际无线数据网络中，通过案例研究探讨基于最佳等信干比功率控制算法的应用和优化，提高网络性能和容量。

4.研究难点和挑战（1）如何建立准确的基于最佳等信干比的功率控制算法数学模型；（2）如何有效地进行仿真实验，验证基于最佳等信干比的功率控制算法在提高网络容量和降低误码率方面的有效性；（3）如何在实际无线数据网络中有效地应用和优化基于最佳等信干比功率控制算法，同时兼顾网络性能和容量的提升。

无线通信网络自适应功率控制的算法研究随着无线通信技术的发展和普及，无线通信网络的覆盖范围不断扩大，用户数量也不断增加。

然而，由于无线信号传输过程中存在多种干扰因素，如多径效应、信号衰减等，导致网络性能和用户体验受到限制。

为了解决这一问题，研究者们提出了自适应功率控制的算法。

自适应功率控制算法的目标是通过调整发射功率，使接收信号质量达到最佳状态。

该算法根据接收到的信号强度指示（RSSI）和信噪比（SNR）等参数，动态地调整发射功率，以保持信号的稳定性和可靠性。

通过优化功率控制算法，可以有效地提高无线通信系统的性能和能效。

自适应功率控制算法的研究主要包括以下几个方面。

首先，需要建立准确的信号传播模型，以便预测信号在空间中的传播特性。

这需要考虑到信号的衰减、多径效应、阴影衰落等因素，并结合实际环境进行参数的调整。

其次，需要设计适应性的功率控制算法。

这种算法应该能够根据网络的实时状态和负载情况，自动调整发射功率。

例如，在网络负载较轻的情况下，可以降低发射功率以减少干扰；而在网络负载较重的情况下，可以增加发射功率以增强信号强度。

此外，还需要考虑到系统的能效问题。

在设计功率控制算法时，应该尽量减少功耗，提高能效。

可以通过优化调度算法、选择合适的传输模式以及利用节能技术等方式实现能效的提升。

最后，需要进行实验验证。

通过在真实的无线通信网络中进行实验，评估所提出的功率控制算法的性能。

可以通过测量网络的吞吐量、覆盖范围、信号质量等指标，来评估算法的优劣。

综上所述，无线通信网络自适应功率控制的算法研究，是为了提高无线通信系统的性能和能效，解决干扰和信号强度不稳定等问题。

这一领域的研究有助于推动无线通信技术的发展和应用，为用户提供更好的通信体验。

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。

认知无线电中快速收敛的功率控制博弈算法
认知无线电技术中的功率控制博弈算法是一种用于快速收敛的算法。

其目的在于通过不断调整无线电发射功率，使得网络中的所有用户都能够得到满意的服务质量，同时最大限度地减少能量消耗。

这种算法的核心思想是通过博弈论的方法来实现功率控制，从而达到网络优化的目的。

在认知无线电技术中，用户之间存在着复杂的相互作用关系。

因此，只有通过博弈论的方法才能够有效地解决这些问题。

在功率控制博弈算法中，每个用户都被视为一个博弈参与者，其目标是通过调整自己的发射功率来最大化自己的效用函数，同时尽可能减少对其他用户的干扰。

为了实现这一目标，功率控制博弈算法需要考虑多种因素。

首先，它需要考虑每个用户所处的位置和环境条件，以确定最佳的发射功率。

其次，它需要考虑网络中其他用户的影响，以确定最优的策略。

最后，它需要考虑用户之间的竞争关系，以确定最终的结果。

通过这种算法，可以实现快速收敛和网络优化。

同时，它还可以最大限度地减少能量消耗，从而实现可持续发展的目标。

因此，在未来的认知无线电技术中，功率控制博弈算法将会成为一个重要的研究领域，为网络优化和可持续发展做出贡献。