一種認知無線電網絡多用戶多信道頻譜感知優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線電感知網絡頻譜優化方法，主要采用非協作博弈論算法和最 優二分匹配算法來優化在多感知用戶多信道進行數據傳輸時，對感知用戶的平均時延以及 平均能量消耗，屬于無線電通信技術領域與博弈論的交叉技術應用領域。
【背景技術】
[0002] 認知無線電（CR，cognitive radio)是一種能夠發現并伺機利用授權系統在時間、 空間上的空閑頻段的智能通信系統，其核心思想是CR具有學習能力，能與周圍環境交互信 息，以感知和利用該空間內的可用頻譜，并限制和降低沖突的發生。
[0003] 非合作博弈論是指策略環境下，非合作的框架把所有的人的行動都當成是個別行 動，也就是說在一個策略組合中，所有的參與者面臨這樣的一種情況，當其他人改變策略 時，他此時的策略是最好的。也就是說，此時如果他改變策略，他的獲益將會降低。它主要 強調一個人進行自主的決策，而與這個策略環境中其他人無關。通常也就是我們字面上博 弈的意思。納什均衡，指的是參與人的這樣一種策略組合，在該策略組合上，任何參與人單 獨改變策略都不會得到好處。換句話說，如果在一個策略組合上，當所有其他人都不改變策 略時，沒有人會改變自己的策略，則該策略組合就是一個納什均衡。
[0004] 目前的感知無線電技術在多感知用戶感知時，存在明顯的頻譜利用不充分，造成 傳輸效率下降。本發明設計了一種基于非合作博弈論以及最優二分匹配算法的頻譜感知優 化方法，在各感知用戶各自沒有聯系的情況下，利用非合作博弈論理論進行傳輸控制，來提 高頻譜的利用率，達到提高通信質量的目的。

【發明內容】

[0005] 技術問題：在認知無線電網絡中，無線電中的有限的信道數量，次要用戶數量的增 加，以及數據傳輸量的增加對次要用戶的數據傳輸帶來了巨大的挑戰，在多次要用戶，信道 數量有限的時候，并且保證主用戶的通信不受影響，如何優化數據傳輸方案，使得感知用戶 平均數據傳輸能量消耗少，傳輸時延短，是當前認知無線電數據傳輸協同分配的問題之一。 本發明的目標是提供一種基于非協作博弈論算法和最優二分匹配算法的認知無線電網絡 多用戶多信道頻譜感知優化方法，優化上述問題。
[0006] 技術方案：本發明所述的認知無線電網絡多用戶多信道頻譜感知優化方法，每個 感知用戶會先感知其對每一個未被主用戶占領的信道的傳輸時隙以及能量消耗，并且每個 用戶根據感知情況，選取最利于自己的信道作為傳輸信道（具體為該感知用戶使用信道傳 輸時對應消耗指數最小），對所有感知用戶所選的傳輸信道，根據非合作博弈論，此時的用 戶對信道選擇情況則會形成一個相對穩定的納什均衡，在信道選擇時候利用最優二分匹配 算法算法，使得信道分配得到最優的匹配，從而減少感知用戶平均能量消耗，提高傳輸時 延，最終達到提高頻譜傳輸質量的目的。
[0007] 本發明提出的將多用戶多信道的頻譜感知分為感知過程、博弈過程、分配過程、傳 輸過程四個過程，該方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :每個感知用戶向每個未被主用戶占領的信道傳輸一個較小數據同時對該 信道進行感知，得到此信道傳輸過程的傳輸時延Tm和能量消耗Ey傳輸時延T u包括感知 用戶i感知信道j的傳輸時延，能量消耗Eu包括感知用戶i感知信道j的能量消耗；
[0009] 步驟2 :實施博弈過程，具體步驟如下：
[0010] 步驟2. 1 :根據上一步的感知過程得到的第i個感知用戶向第j個信道感 知過程中傳輸時延以及能量消耗E w定義第i個感知用戶對于第j個信道感知 時候的消耗指數為其兩者相對于傳輸時延和能量消耗Eu的加權相加和，即為：
[0011] 步驟2. 2 :每個感知用戶選擇消耗指數最小的信道進行傳輸，所述選擇消耗指數 最小的信道過程使所有感知用戶形成一個納什均衡，每一個感知用戶改變選擇都會降低自 己的獲益以及所有人獲益平均期望；
[0012] 步驟3 :利用二分最優匹配算法計算所有信道與感知用戶的最優匹配傳輸對；步 驟4:
[0013] 成功交互的感知用戶在此信道進行數據傳輸。
[0014] 其中：所述利用二分最優匹配算法計算所有信道與感知用戶的最優匹配傳輸對， 具體步驟如下：
[0015] 步驟3. 1 :建立一張二分圖，將所有感知用戶加入集合A，將所有信道加入集合B， 所有感知用戶與信道建邊，感知節點X和信道y之間邊權值設置為1/W xy，設置LdP L y為對 應感知節點X和信道y的標記量，Lx初始化為感知用戶在步驟2中信道選擇的信道對應能 量消耗倒數1/Ww Ly初始化為0,信道匹配標記Match ^刀始化為-1，表明未被匹配；
[0016] 步驟3. 2 :每個感知節點利用匈牙利算法尋找最大匹配，具體步驟如下：
[0017] 步驟3. 2. 1 :給每個信道設置一個松弛量Slack，將其設置為inf，所述inf是用戶 設置的正無窮值；
[0018] 步驟3. 2. 2 :當前感知節點以及信道訪問標記值vis初始化為假，表示其未被訪 問；
[0019] 步驟3. 2. 3 :尋找增廣路，具體步驟如下：
[0020] 步驟3. 2. 3. 1 :對于當前感知節點，標記其訪問標記值vis為真，表示其已被訪 問；
[0021] 步驟3. 2. 3. 2 :對于每個未被訪問的信道，設一個增廣標記量t，具體計算增廣 標記量t為感知節點標記量Lx和信道標記量L y和減去其消耗指數的倒數1/W xy，即t = Lx+Ly-1/Wxjt，進入步驟3. 2. 3. 3,否則跳到步驟3. 3 ;
[0022] 步驟3. 2. 3. 3 :對于當前信道，標記其訪問標記值vis為真；
[0023] 步驟3. 2. 3. 4 :如果當前信道未被配對，即信道的配對標記值Matchy為-1時，重新 進入步驟3. 2. 3判斷與當前信道配對的感知用戶依然存在增廣路，返回當前存在增廣路， 并且當前信道與當前感知用戶配對，信道y的匹配標記值Match y設置為當前感知用戶X，即 Matchy= x ；
[0024] 步驟3. 2. 4 :當增廣標記量t不等于0并且增廣標記量小于信道松弛量，即當前信 道Slock > t時，信道松弛量等于增廣標記量，即當前信道松弛量Slock = t ;
[0025] 步驟3. 2. 5 :如果判斷當前感知用戶不存在增廣路，則跳到步驟3. 3 ;
[0026] 步驟3. 2. 6 :尋找未被標記的節點中，所有信道松弛量最小的Slock為最小信道松 弛量 minSlock ;
[0027] 步驟3. 2. 7 :對每個已訪問過的感知用戶，即訪問標記值vis為真的感知用戶，將 其感知用戶標記量Lx減去minSlock，即L x= L x_minSlock ;
[0028] 步驟3. 2. 8:對每個已訪問過信道，將其感知用戶標記量加上最小信道松 弛量 minSlock，即 Ly= L y+minSlock，否則其松弛量減去 minSlock，即 Slocky = Slocky-minSlock，重新跳回步驟3. 2. 3繼續尋找增廣路；
[0029] 步驟3. 3 :對于每個已配對的信道，其信道匹配標記值Matchi即為與其配對的感 知用戶，將這些感知用戶和信道進行交互，即建立傳輸鏈接。
[0030] 有益效果：本發明對在對多用戶感知多信道進行傳輸的時候，使用了非合作博弈 論算法以及最優二分匹配算法進行用戶與信道的匹配解決方案，優化了在感知用戶使用信 道進行信息傳輸的時候，所有傳輸的平均傳輸時延以及能量消耗，有效提升了感知無線電 網絡的通信質量，本發明所述的改進方法具體有如下的有益效果：
[0031] (1)采用非合作博弈論算法，對感知用戶對于信息傳輸時的信道選擇過程，通過建 立消耗函數W ij，比較選擇不同信道傳輸時消耗函數，從而選取了信息傳輸時綜合考慮傳輸 時延以及能量消耗的最小付出，從而提高了信道通信質量。
[0032] (2)利用最優二分匹配算法，使得單次傳輸時更多的信道參與傳輸過程，從而提高 了信道在信息傳輸時的利用率。
[0033] (3)采用非合作博弈論算法為感知用戶選擇傳輸信道的方案，最終所有感知用戶 的信道選擇方案形成納什均衡，較雜亂無章的信道選擇方案相比，信息傳輸更加有序。
【附圖說明】
[0034] 圖1為認知無線電網絡多用戶多信道頻譜感知優化方法流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合圖1對本發明具體實施做更詳細的描述。
[0036] 在認知無線