基于非合作博弈的變電站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源研究

李任新 田霖 朱一峰

摘 要：無(wú)線資源管理對(duì)實(shí)現(xiàn)資源的有效利用起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)變電站中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題，提出了基于非合作博弈的變電站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化管理算法，解決了全雙工系統(tǒng)的無(wú)線電資源分配問(wèn)題。將下行鏈路與上行鏈路的聯(lián)合速率最大化問(wèn)題建模成為上下行鏈路信道之間的非合作博弈，提出了基于非合作博弈的迭代算法。該算法有效的實(shí)現(xiàn)最佳上行鏈路與下行鏈路的資源分配，直到達(dá)到納什均衡。仿真結(jié)果表明，該算法實(shí)現(xiàn)了快速收斂，與同等資源分配方法相比，可以顯著提高全雙工的性能。

關(guān)鍵詞：變電站;無(wú)線資源管理;非合作博弈;全雙工

Abstract：Wireless resource management plays an important role in the effective utilization of resources. Aiming at the resource allocation problem of wireless network in substation， this paper proposes an optimization management algorithm of wireless network resources in substation based on the non-cooperative game， which solves the radio resource allocation problem of full duplex system. The problem of maximizing the joint sum rate of downlink and uplink is modeled as a non-cooperative game between uplink and downlink channels， and an iterative algorithm based on non-cooperative game is proposed. The algorithm can effectively achieve the optimal uplink and downlink resource allocation until the Nash equilibrium is achieved. According to analysis of simulation result， the algorithm achieves fast convergence and can significantly improve the performance of full duplex compared with the existing resource allocation method.

Key words：Substation; Wireless resource management; Non-cooperative game; Full duplex

如何合理的利用頻段，有效的進(jìn)行頻譜資源分配是無(wú)線通信中主要研究方向之一。無(wú)線通信技術(shù)有靈活接入和良好移動(dòng)性的特點(diǎn)，使得其不受地理?xiàng)l件約束，可以為大規(guī)模智能電網(wǎng)終端提供通信的快速部署[1]。無(wú)線技術(shù)在變電站中的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)與信息技術(shù)相融合，也使得變電站的管理更加智能化。無(wú)線電技術(shù)在變電站中的廣泛應(yīng)用，解決了變電站損耗與網(wǎng)絡(luò)兼容的問(wèn)題，但同時(shí)要考慮抗干擾因素以及資源分配問(wèn)題。提出基于非合作博弈的變電站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，通過(guò)無(wú)線資源管理可以合理、高效地利用變電站中的資源，在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，使無(wú)線資源頻譜效率翻倍。

智能電網(wǎng)對(duì)變電站內(nèi)短距離的無(wú)線通信有實(shí)質(zhì)性的要求，智能電網(wǎng)是建立在實(shí)時(shí)、高效、可靠的雙工通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制以及監(jiān)管理論對(duì)變電站的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成各個(gè)獨(dú)立區(qū)域之間的信息融合[2]。無(wú)線通信由于其可移動(dòng)性、覆蓋面廣、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在變電站系統(tǒng)中表現(xiàn)了其優(yōu)越的性能，而無(wú)線通信的安全性和可靠性是保證變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，所以說(shuō)在強(qiáng)磁電干擾下和遮擋物影響下，對(duì)無(wú)線通信來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。這要求所使用的無(wú)線通信系統(tǒng)具有強(qiáng)大的抗干擾能力。無(wú)線通信中的損耗一般有大尺度衰落和路徑損耗，一般認(rèn)為大尺度衰落是由移動(dòng)通信信道路徑上的固定障礙物的阻擋引起的。

非合作博弈是指一種參與者不能達(dá)成具有約束力的協(xié)議的博弈類(lèi)型[3]，強(qiáng)調(diào)的是個(gè)人進(jìn)行的自我決策，研究的是參與者的利益在相互影響的場(chǎng)景下，如何使自己的利益達(dá)到最大化。在網(wǎng)絡(luò)資源分配中，用戶(hù)自身和用戶(hù)間存在干擾，該問(wèn)題表現(xiàn)在上行鏈路與下行鏈路之間的耦合，并且可以表述為上下行鏈路聯(lián)合速率最大化問(wèn)題。由于是非凸函數(shù)，因此這問(wèn)題可以建模為上行鏈路與下行鏈路信道之間的非合作博弈問(wèn)題，據(jù)此提出了基于博弈論的迭代算法。該算法執(zhí)行最佳上行鏈路和下行鏈路資源分配直到達(dá)到納什均衡。

全雙工技術(shù)的使用，理論上可以使鏈路容量增加一倍。對(duì)比全雙工模式，半雙工在同一時(shí)隙上只可以有一方接受或發(fā)送信息，而全雙工技術(shù)使得一方可以同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送的雙向傳輸[4]。但是全雙工面臨著非常嚴(yán)重的自干擾問(wèn)題[5]，由于接受與發(fā)送信號(hào)之間的功率差異非常的大，所以對(duì)發(fā)送信號(hào)與接收機(jī)之間的自干擾消除的研究在全雙工無(wú)線通信領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的關(guān)注。

提出了對(duì)上下行鏈路資源分配的分析，介紹了在單小區(qū)場(chǎng)景中全雙工部署的系統(tǒng)。值得注意的是，在低功率的無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)環(huán)境中，全雙工接收機(jī)之間的自干擾消除問(wèn)題影響很小，這是因?yàn)樵谶@一環(huán)境中鏈路之間的物理距離相對(duì)較短。針對(duì)單小區(qū)全雙工系統(tǒng)中上行鏈路和下行鏈路信道的無(wú)線資源分配問(wèn)題，以能量效率最大化作為目標(biāo)，提出了一種基于非合作博弈的無(wú)限網(wǎng)絡(luò)資源分配的優(yōu)化算法。

與此同時(shí)，為了比較全雙工與半雙工的功率分配情況，使用具有相等功率分配的半雙工作為對(duì)比，對(duì)于同樣的參數(shù)，與半雙工系統(tǒng)相比，全雙工顯著的提高了系統(tǒng)頻譜效率。

4 結(jié) 論

提出基于非合作博弈的資源分配模型，解決了全雙工系統(tǒng)中上下行鏈路的無(wú)線資源分配問(wèn)題，使用注水法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)上行鏈路與下行鏈路資源的分配以達(dá)到納什平衡。通過(guò)此模型可以得出此算法具有很高的收斂速度，效率優(yōu)于等功率分配方法。仿真結(jié)果表明，該算法可以用較少的迭代次數(shù)來(lái)達(dá)到全雙工系統(tǒng)中優(yōu)化解。與半雙工相比，使用該算法的全雙工系統(tǒng)的可以獲得較大的頻譜效率增益。

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