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

1、隨著無線通信和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展,人們對高速無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的需求日益迫切。由于無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致的授權頻段利用率低下,都使得未來無線通信技術的發(fā)展面臨著頻譜資源匱乏和傳輸環(huán)境惡劣的困境,這些都對無線通信的有效性和可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)。認知無線電技術通過動態(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頻譜被未授權的認知用戶使用,從而充分利用現(xiàn)有的頻譜資源為更多用戶提供

2、服務。在認知無線電網(wǎng)絡中引入多輸入多輸出(MIMO)技術,可以降低傳輸路徑上的損耗,提高系統(tǒng)的分集增益,在無需額外增加用戶發(fā)射功率和帶寬的情況下顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率。而認知MIMO技術有機地融合了認知無線電與MIMO技術,可以進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的需求。博弈論,是一種用來解決現(xiàn)實利益沖突中嚴謹?shù)臄?shù)學理論,將博弈論引入認知MIMO系統(tǒng)是解決頻譜共享問題的新途徑。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)信息下認知MIMO系統(tǒng)中聯(lián)合波束成形和功率分配問題,將具有代價函數(shù)的博弈論模型引入認知MIMO系統(tǒng)中。為了保證認知MI MO系統(tǒng)中授權用戶和認知用戶的正常工作,設定了認知用戶的傳輸功率約束和對授權用戶的干擾功率約束兩個限制條件,將優(yōu)化目標建模成“一個具有代價函數(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。最后仿真對比了算法性能,驗證了收斂性。
　　在現(xiàn)實傳輸環(huán)境中,由于認知基站和授權用戶之間缺少協(xié)作,造成認知基站不能完全知道授權用戶的信道狀態(tài)信息,本文又進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題。用橢圓區(qū)域模型來表示認知基站對授權用戶信道狀態(tài)信息的估計誤差,在滿足對授權用戶干

5、擾功率約束和認知用戶發(fā)射功率約束的條件下,將優(yōu)化問題建模成一個魯棒博弈的過程,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,最佳響應得不到閉式解,根據(jù)最壞情況理論,通過合適的帶有信道誤差的干擾功率約束將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二價錐規(guī)劃(SOCP)問題,大大降低了算法復雜度。最后仿真結果驗證了算法的正確性及可行性。
　　本文的研究成果對解決認知 MIMO系統(tǒng)中的資源分配問題有一定的啟發(fā)意義,對此類問題相關的研究有借鑒作用。