一種認(rèn)知無(wú)線電中視頻通信功率速率聯(lián)合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種認(rèn)知無(wú)線電中視頻通信功率速率聯(lián)合控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無(wú)線電在通信領(lǐng)域已經(jīng)被公認(rèn)為一種節(jié)約帶寬資源的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它能夠讓用 戶更加高效合理的利用無(wú)線資源。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，主用戶被授權(quán)一定的帶寬，一個(gè)或 多個(gè)次用戶在主用戶有頻譜空閑時(shí)，自主感知其空閑帶寬并在不干擾主用戶自身業(yè)務(wù)的條 件下與之共享頻譜。
[0003] 如今已經(jīng)有越來(lái)越多研宄認(rèn)知無(wú)線電中傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在認(rèn)知無(wú)線電中，控制 功率是提高網(wǎng)絡(luò)資源再利用一個(gè)非常有效的方法。降低次用戶的發(fā)射功率，不僅可以降低 主用戶對(duì)次用戶功率干擾，還可以延長(zhǎng)次用戶移動(dòng)終端的電池使用壽命。在現(xiàn)有的一些資 源分配方法中，有各種不足，比如雖然都是認(rèn)知無(wú)線電場(chǎng)景下功率和速率聯(lián)合分配機(jī)制，但 都沒(méi)有考慮特定的業(yè)務(wù)。如今視頻業(yè)務(wù)越來(lái)越多，如視頻聊天，網(wǎng)絡(luò)會(huì)議等等，這些視頻在 傳輸過(guò)程中會(huì)有特殊的要求，如對(duì)時(shí)延很敏感，需要考慮用戶視覺(jué)感受等等。因此當(dāng)傳輸視 頻業(yè)務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)的聯(lián)合功率速率控制方法將不再合適。當(dāng)然，也有不少學(xué)者對(duì)特點(diǎn)的視頻業(yè) 務(wù)進(jìn)行資源分配的研宄。但美中不足的是，他們只考慮了視頻傳輸過(guò)程在速率的控制，卻沒(méi) 有功率控制機(jī)制。在無(wú)線網(wǎng)傳輸視頻中，合理的功率控制是至關(guān)重要的，它可以減少各用戶 之間的干擾，提高視頻的傳輸質(zhì)量。因此，需要一種認(rèn)知無(wú)線電場(chǎng)景下，針對(duì)視頻業(yè)務(wù)的，能 夠公平高效的分配傳輸資源的方法。
[0004] 本發(fā)明在已有方法的基礎(chǔ)上，提出了一種認(rèn)知無(wú)線電傳輸視頻的場(chǎng)景下，基于非 合作博弈的聯(lián)合功率速率控制機(jī)制。該機(jī)制針對(duì)視頻傳輸特點(diǎn)，提出了一種公平高效的次 用戶博弈模型。該模型充分考慮了不同用戶傳輸不同視頻內(nèi)容時(shí)，對(duì)速率的要求也不同這 一特點(diǎn)，以用戶收到的視頻質(zhì)量作為次用戶的收益，而不是僅僅以吞吐量作為次用戶收益。 這體現(xiàn)出各次用戶之間的公平性。同時(shí)，次用戶的功率單價(jià)是主用戶根據(jù)自身效用最大來(lái) 計(jì)算出來(lái)的，保證了主用戶的收益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的在于提供一種在認(rèn)知無(wú)線電中視頻通信功率速率聯(lián)合控制的 方法。該方法能夠在主用戶效用最優(yōu)的條件下，計(jì)算出懲罰因子，并將懲罰因子的值告訴 次用戶，次用戶根據(jù)此信息，彼此進(jìn)行博弈，使得自身效用最優(yōu)，最終確定各次用戶的傳輸 速率和發(fā)射功率。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明在于提出一種認(rèn)知無(wú)線電傳輸視頻的場(chǎng)景下，基于非合作博弈 的聯(lián)合功率速率控制機(jī)制。該機(jī)制針對(duì)視頻傳輸特點(diǎn)，提出了一種公平高效的次用戶博弈 模型。該模型能夠充分考慮了不同用戶傳輸不同視頻內(nèi)容時(shí)，對(duì)速率的要求也不同這一特 點(diǎn)，以用戶收到的視頻質(zhì)量作為次用戶的收益，而不是僅僅以吞吐量作為次用戶收益。這體 現(xiàn)出各次用戶之間的公平性。同時(shí)，次用戶的功率單價(jià)是主用戶根據(jù)自身效用最大來(lái)計(jì)算 出來(lái)的，保證了主用戶的收益。
[0007] 本發(fā)明所涉及的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中主用戶為 被授權(quán)帶寬為W(MHz)的頻譜，主用戶與主用戶基站8\進(jìn)行通信。同時(shí)次用戶為SUpi = 1，2, ...，N，這N個(gè)次用戶同時(shí)使用主用戶授權(quán)的無(wú)線網(wǎng)中，與主用戶頻譜共享，并采用碼 分多址（CDMA)方式與次用戶基站BS s進(jìn)行通信。
[0008] 主用戶自身會(huì)有業(yè)務(wù)，需要一定的帶寬，同時(shí)也會(huì)有一定的剩余帶寬量。主用戶及 時(shí)將自己的帶寬信息進(jìn)行更新，次用戶根據(jù)主用戶更新的消息，利用主用戶剩余帶寬與其 進(jìn)行帶寬共享。同時(shí)，次用戶在傳輸視頻時(shí)，其發(fā)射功率會(huì)對(duì)主用戶通信有一定的影響，所 以主用戶需要對(duì)次用戶發(fā)射功率進(jìn)行收費(fèi)，以限制次用戶的干擾。主用戶希望收益越高越 好，因此該懲罰是在保證主用戶效用最大情況下，隨次用戶發(fā)射功率的增大而增大的。
[0009] 次用戶之間在共享帶寬的過(guò)程中，都希望在更少的花費(fèi)下可以得到更多的資源， 因此需要構(gòu)建次用戶效用函數(shù)來(lái)表示次用戶的效用。次用戶根據(jù)自身的效用函數(shù)和懲罰因 子的信息，彼此之間進(jìn)行博弈，使得最終獲得最大的效用，此時(shí)則可以得到各個(gè)次用戶的傳 輸帶寬和發(fā)射功率。
[0010] 有益效果：本發(fā)明目的在于在認(rèn)知無(wú)線電場(chǎng)景下，提供一種基于博弈論的視頻傳 輸過(guò)程中聯(lián)合功率速率控制策略。首先本發(fā)明考慮到了主用戶的效用函數(shù)，能夠使主用戶 效用函數(shù)達(dá)到最大。其次，運(yùn)用懲罰因子有效的降低了次用戶的發(fā)射功率，從而降低次用戶 對(duì)主用戶的干擾。次用戶效用函數(shù)的構(gòu)建充分考慮了不同用戶視頻內(nèi)容的特點(diǎn)，使資源分 配更加公平。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是系統(tǒng)的模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 1、定義效用函數(shù)
[0013] 雜々主田戶物田函救加下.
[0014]
(D
[0015] 在（1)式中，第一項(xiàng)表示主用戶對(duì)次用戶干擾的懲罰總和，即為主用戶收益。Itm 表示主用戶的干擾目標(biāo)值，次用戶對(duì)主用戶的干擾越大于該目標(biāo)值，那干擾就越嚴(yán)重。第二 項(xiàng)的含義是次用戶干擾對(duì)主用戶性能的影響。
[0016] 在求懲罰因子c時(shí)，要保證主用戶的效用最大，因此將主用戶的效用函數(shù)化對(duì)p i 求偏導(dǎo)，并將導(dǎo)數(shù)置〇,然后求出懲罰因子C。
[0017]
(3)
[0018]因此：
[0019]
(4)
[0020] 田⑷式口」有出，價(jià)格凼數(shù)⑵中的懲罰因子c，隨次用戶對(duì)主用戶的干擾總和 Z/狀,?增大而增大。 /=1
[0021] 由于視頻業(yè)務(wù)的信息量較大，因此在傳輸之前要進(jìn)行壓縮。一般用率失真模型就 是用來(lái)描述壓縮速率和視頻失真之間的關(guān)系。本發(fā)明將采用兩個(gè)參數(shù)的率失真模型[9]，該 模型公式如下：
[0022] D(R) =ae_EiE (5)
[0023] 式中D是視頻失真，R是該視頻的壓縮速率，而a和|3是視頻特定的參數(shù)，不同 的視頻內(nèi)容，這兩個(gè)參數(shù)值也不同。在實(shí)際情況中，更多時(shí)候用信噪比（PSNR)來(lái)描述視頻 的質(zhì)量，它與率失真之間的關(guān)系如下：
[0024]
(6)
[0025] 定義次用戶效用函數(shù)如下：
[0026]
[0027]
[0028] 因此（8)中第一項(xiàng)是次用戶i傳輸視頻的收益，而第二項(xiàng)是他對(duì)主用戶造成干擾 所要受到的懲罰。由前面分析可以知趕
[0029] 2、博弈模型的建立
[0030] 在實(shí)際傳輸過(guò)程中，為了保證視頻能夠大致被看清，每個(gè)用戶都要有一個(gè)最低傳 輸速率和最小發(fā)射功率ifm。同時(shí)，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，每個(gè)用戶也有一個(gè)最高傳輸功 率尺max和最大發(fā)射功率次用戶對(duì)主用戶的總干擾也有一個(gè)界限值，總干擾不能超過(guò) 該界限Ith，并且，每個(gè)次用戶也有一個(gè)最低信干比要求7廣。因此，次用戶博弈模型為：
[0035] 3、納什均衡唯一性和存在性證明
[0036] a、在本發(fā)明N個(gè)次用戶參與的帶寬過(guò)程中，每個(gè)次用戶i都有一個(gè)最大、最小速率 限制，g卩i?,e?'$胃)和最大最小發(fā)射功率限制A_e(A_, Amax)，這顯然非空且為凸集， 而在歐式空間Rn*，一個(gè)有界的閉集一定是緊集，因此可以得到該博弈論模型滿足以上的 條件1。
[0037]b、將式子（8)對(duì)氏和p i分別求一階偏導(dǎo)可得：
[0040] 將（11)式再對(duì)氏求導(dǎo)可得：
[0044] 由（15)和（16)課看出，次用戶的效用函數(shù)1^對(duì)1^和p i為凹函數(shù)，因此滿足條件 2〇
[0045] 綜上所述，本發(fā)明次用戶博弈模型存在納什均衡解。
[0046] 若在一個(gè)N人參與的博弈中，其最佳反映函數(shù)U(s) = {^(shUds)，...，^。)}滿 足標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的定義：1、U(s)恒為正數(shù)；2、對(duì)于任意的s，若s彡s'，那么U(s)彡U(s'）；3、 對(duì)于任意的實(shí)數(shù)m> 1，有mU(s) >U(ms)。那么由上文方法證得的納什均衡是唯一的。
[0047] 上文已證明出該博弈模型存在納什均衡，很明顯本發(fā)明的博弈模型滿足標(biāo)準(zhǔn)函數(shù) 的定義，因此可得該納什均衡是唯一的。
[0048] 頻譜更新方法采用以下迭代方法：
[0049] 步驟1 :由主用戶效用最大，確定懲罰因子c
[0050] 步驟2 :設(shè)置次用戶i(i= 1，2, ? ? ?，N)的初始傳輸速率和友射功率值Pi(t)，氏(t) (t= 0)〇
[0051] 步驟 3:t=t+ 1，

[0052] 步驟 4 :判斷;<A且 | Pi (t+1) _Pi (t) | 彡e(e為迭代精度）。
[0053] 步驟5:若滿足上述要求，則迭代結(jié)束，否則返回步驟3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種認(rèn)知無(wú)線電中視頻通信功率速率聯(lián)合控制方法，其特征在于具體方法為： a、 確定主用戶效用函數(shù)：定義主用戶效用函數(shù)式'其 中i是指第i個(gè)次用戶，C是主用戶給次用戶的功率懲罰因子，N為系統(tǒng)中的次用戶總數(shù)，Pi表示第i個(gè)用戶的發(fā)射功率，gi是次用戶i到主用戶基站的信道增益，m是加權(quán)因子，Itat 是主用戶目標(biāo)干擾值； b、 求解功率懲罰因子；將主用戶的效用函數(shù)Up對(duì)Pi求導(dǎo)并置0,可求得懲罰因子C、確定次用戶效用函數(shù):定義次用戶效用函數(shù)天其中PSNR是視頻圖像的峰值信噪比，用來(lái)描述視頻的質(zhì)量，Zi=21og。255-log。ai，ai和ei是和第i個(gè)用戶所傳輸視頻內(nèi)容有關(guān)的參數(shù)，k為常數(shù)，丫i是次用戶接收信干比，R i為第i 個(gè)用戶的傳輸速率W為次用戶與主用戶共享的總帶寬， hi是次用戶i到次用戶基站的信道增益，0 2是次用戶接收端的背景噪聲功率；d、確定次用戶的傳輸速率和發(fā)射功率： 步驟1;確定懲罰因子步驟2;t= 0,設(shè)置次用戶i(i= 1，2，...，腳的初始傳輸速率和發(fā)射功率值Pi(t)，而(t)，Pi(t)為第i個(gè)次用戶第t次迭代的發(fā)射功率，而(t)為第i個(gè)次用戶第t次 迭代的傳輸速率；步驟4 ;判斷是否滿足條巧且|Pi(t+l)-Pi(t)I《e，e為迭代精度； 步驟5 ;若滿足上述要求，則迭代結(jié)束，否則返回步驟3。
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無(wú)線電中視頻通信功率速率聯(lián)合控制方法。該方法在主用戶效用函數(shù)的提出中，考慮了次用戶對(duì)其干擾和自身的收益,在次用戶的構(gòu)建中，針對(duì)次用戶視頻業(yè)務(wù)的特征，提出了針對(duì)視頻業(yè)務(wù)的效用函數(shù),該效用函數(shù)充分考慮了不同次用戶在傳輸不同內(nèi)容的視頻時(shí)，對(duì)帶寬和功率的需求不同這一特點(diǎn)，體現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線電中資源分配的公平性和有效性,同時(shí)，在計(jì)算次用戶功率單價(jià)時(shí)，是基于主用戶效用最大這一原則的，這能夠盡可能降低次用戶對(duì)主用戶的功率干擾。
【IPC分類】H04W16/10, H04W72/04, H04W52/24
【公開號(hào)】CN104936185
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510192494
【發(fā)明人】朱琦, 劉春陽(yáng), 朱洪波, 楊龍祥
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年4月21日