基于博弈論的認(rèn)知MIMO系統(tǒng)聯(lián)合波束成形和功率分配算法研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求日益迫切。由于無(wú)線頻譜資源是不可再生的,以及傳統(tǒng)固定頻譜分配方式所導(dǎo)致的授權(quán)頻段利用率低下,都使得未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展面臨著頻譜資源匱乏和傳輸環(huán)境惡劣的困境,這些都對(duì)無(wú)線通信的有效性和可靠性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜管理可以顯著提高頻譜在固定分配方式下的利用率,能夠允許空閑的授權(quán)頻譜被未授權(quán)的認(rèn)知用戶使用,從而充分利用現(xiàn)有的頻譜資源為更多用戶提供

2、服務(wù)。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中引入多輸入多輸出(MIMO)技術(shù),可以降低傳輸路徑上的損耗,提高系統(tǒng)的分集增益,在無(wú)需額外增加用戶發(fā)射功率和帶寬的情況下顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率。而認(rèn)知MIMO技術(shù)有機(jī)地融合了認(rèn)知無(wú)線電與MIMO技術(shù),可以進(jìn)一步提高頻譜利用效率,滿足在相同的帶寬中為更多用戶提供高傳輸速率服務(wù)的需求。博弈論,是一種用來(lái)解決現(xiàn)實(shí)利益沖突中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論,將博弈論引入認(rèn)知MIMO系統(tǒng)是解決頻譜共享問(wèn)題的新途徑。本文分別考慮了在完全信道狀

3、態(tài)信息和不完全信道狀態(tài)信息兩種情況下,研究基于博弈論的認(rèn)知 MIMO聯(lián)合波束成形和功率分配算法,取得的主要研究成果概括如下:
　　首先研究完全信道狀態(tài)信息下認(rèn)知MIMO系統(tǒng)中聯(lián)合波束成形和功率分配問(wèn)題,將具有代價(jià)函數(shù)的博弈論模型引入認(rèn)知MIMO系統(tǒng)中。為了保證認(rèn)知MI MO系統(tǒng)中授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的正常工作,設(shè)定了認(rèn)知用戶的傳輸功率約束和對(duì)授權(quán)用戶的干擾功率約束兩個(gè)限制條件,將優(yōu)化目標(biāo)建模成“一個(gè)具有代價(jià)函數(shù)的非合作聯(lián)合波束成形和

4、功率分配博弈”。然后證明了所提出的非合作博弈模型中納什均衡的存在性,并且提出了適用于認(rèn)知 MIMO系統(tǒng)的聯(lián)合波束成形和功率分配算法。最后仿真對(duì)比了算法性能,驗(yàn)證了收斂性。
　　在現(xiàn)實(shí)傳輸環(huán)境中,由于認(rèn)知基站和授權(quán)用戶之間缺少協(xié)作,造成認(rèn)知基站不能完全知道授權(quán)用戶的信道狀態(tài)信息,本文又進(jìn)一步研究不完全信道狀態(tài)信息下基于博弈論的聯(lián)合波束成形和功率分配問(wèn)題。用橢圓區(qū)域模型來(lái)表示認(rèn)知基站對(duì)授權(quán)用戶信道狀態(tài)信息的估計(jì)誤差,在滿足對(duì)授權(quán)用戶干

5、擾功率約束和認(rèn)知用戶發(fā)射功率約束的條件下,將優(yōu)化問(wèn)題建模成一個(gè)魯棒博弈的過(guò)程,證明了該博弈模型中納什均衡的存在性和唯一性。由于魯棒干擾的存在,最佳響應(yīng)得不到閉式解,根據(jù)最壞情況理論,通過(guò)合適的帶有信道誤差的干擾功率約束將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二價(jià)錐規(guī)劃(SOCP)問(wèn)題,大大降低了算法復(fù)雜度。最后仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性及可行性。
　　本文的研究成果對(duì)解決認(rèn)知 MIMO系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題有一定的啟發(fā)意義,對(duì)此類問(wèn)題相關(guān)的研究有借鑒作用。