一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明特別涉及一種在無線泛在環(huán)境中多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，屬于 通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展促進了泛在網(wǎng)絡時代的來臨，而無線泛在環(huán)境是指廣泛 存在的，無所不在的網(wǎng)絡環(huán)境，也就是人置身于無所不在的網(wǎng)絡之中，實現(xiàn)人在任何時間、 地點，使用任何網(wǎng)絡與任何人與物的信息交換，基于個人和社會的需求，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡技術(shù) 和新的網(wǎng)絡技術(shù)，為個人和社會提供泛在的，無所不含的信息服務和應用。它不僅可以極大 地提升單個網(wǎng)絡的性能，在支持傳統(tǒng)業(yè)務的同時也為引入新的服務創(chuàng)造了條件；它也可以 為未來的移動通信系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更廣的信號覆蓋范圍并支持高速率的移 動性。不同技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡彼此相互補充，共同存在，構(gòu)成了多網(wǎng)絡多業(yè)務融合的無線泛 在環(huán)境。然而用戶的群集特性往往導致某種網(wǎng)絡瞬時間業(yè)務流量的暴漲和相鄰的其他異構(gòu) 網(wǎng)絡業(yè)務空閑的局面，可以利用移動Ad-h〇C網(wǎng)絡的多跳中繼和路由轉(zhuǎn)發(fā)特性實現(xiàn)緩解擁 塞網(wǎng)絡的瓶頸效應、平衡業(yè)務流量、提高空間復用率和增加網(wǎng)絡容量的目的。但是，在自組 織網(wǎng)絡中節(jié)點既是終端又是路由器，這種雙重功能決定了節(jié)點既要保證自身的正常通信需 求，又要為網(wǎng)絡的其它節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和選路的服務，即節(jié)點之間需要相互合作以補償 基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，否則整體網(wǎng)絡服務無法提供。然而考慮到節(jié)點自身能量、資源和帶寬有限 等因素尤其是各節(jié)點隸屬于不同組織的情況下節(jié)點間的非合作性和自私性表現(xiàn)得尤為明 顯，這會造成整體網(wǎng)絡性能急劇下降。因此隨著無線泛在環(huán)境的日益普及，針對改善節(jié)點自 私性的節(jié)點激勵機制的研究也越來越受到關(guān)注。
[0003] 現(xiàn)今在無線泛在環(huán)境下針對節(jié)點協(xié)作激勵機制的研究主要有基于聲譽值的激勵 機制、基于虛擬貨幣的激勵機制和基于博弈論的分析方法。非合作博弈是基于博弈論的節(jié) 點激勵機制的重要研究方面，其主要的難點在于如何構(gòu)建通信的博弈模型和最大化博弈各 方的效益等。本發(fā)明基于非合作博弈和虛擬貨幣機制針對無線泛在環(huán)境下的節(jié)點激勵建立 博弈模型并通過最大化博弈各方的效益實現(xiàn)促進節(jié)點間協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提出了一種在無線泛在環(huán)境中多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方 法，該方法考慮到無線泛在環(huán)境的復雜通信因素，利用博弈論對源節(jié)點和多中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點 進行建模，根據(jù)通信質(zhì)量的指標如信干比、信道容量等因素和虛擬貨幣機制設(shè)立源節(jié)點和 中繼節(jié)點的效益函數(shù)和代價函數(shù)，并通過求解源節(jié)點和中繼節(jié)點的最優(yōu)效益模型獲得納什 均衡解。該模型是以源節(jié)點和中繼節(jié)點總收益最大化建立起來的，能夠極大地促進節(jié)點間 的合作轉(zhuǎn)發(fā)，同時該方案非常簡單而易于實現(xiàn)，具有很好的應用前景。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的問題， 特別是針對無線泛在環(huán)境下的多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵問題，提出了一種多中繼節(jié)點 非合作博弈的激勵方法，該方法設(shè)定兩跳多節(jié)點聯(lián)合中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景，該場景存在需 要其他節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)服務的源節(jié)點S、源節(jié)點周圍能夠提供轉(zhuǎn)發(fā)服務的N個中繼節(jié)點，其節(jié) 點集合R={rpr2,r3,…，rN}和目的節(jié)點d，本發(fā)明設(shè)定中繼節(jié)點放大并轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點信號到 目的節(jié)點d。
[0006] 方法流程：
[0007] 步驟1 :設(shè)定網(wǎng)絡兩跳多中繼節(jié)點聯(lián)合轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景模型，確定源節(jié)點s、中繼 節(jié)點集R和目的節(jié)點d具體的位置分布狀況，并且通過環(huán)境感知技術(shù)獲得各中繼節(jié)點的信 道狀況信息，如獲得源節(jié)點S和中繼節(jié)點ri間的信道增益//q(rieR)、中繼節(jié)點與目的 節(jié)點d的信道增益、信系統(tǒng)帶寬W、設(shè)定目的節(jié)點d所受到其他節(jié)點的平均干擾Qint和 信道噪聲功率Qn()ise，目的節(jié)點d端的目的信干比y參數(shù)；
[0008] 步驟2 :根據(jù)通信質(zhì)量的指標如信干比、信道容量等因素和虛擬貨幣機制針對源 節(jié)點s建立效用函數(shù)和代價函數(shù)。源節(jié)點的數(shù)據(jù)由多中繼節(jié)點聯(lián)合轉(zhuǎn)發(fā)會得到比源節(jié)點直 接發(fā)送到目的節(jié)點更高的信干比和信道容量，本發(fā)明考慮將由多中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所獲得的信 道容量的增量作為源節(jié)點s的效用函數(shù)。而由于多中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點的數(shù)據(jù)浪費自身的 能量和資源，源節(jié)點需要向多中繼節(jié)點支付補償。本發(fā)明設(shè)定源節(jié)點s根據(jù)中繼節(jié)點提出 的單位功率補償和其發(fā)射功率來確定對該節(jié)點的支付補償。整體的源節(jié)點s的總體收益函 數(shù)即為獲得的效用函數(shù)和支付的代價函數(shù)之差。源節(jié)點s的最優(yōu)化收益模型是在確定各中 繼節(jié)點提出的單位功率補償價格的基礎(chǔ)上調(diào)整源節(jié)點需求各中繼節(jié)點的發(fā)射功率使得源 節(jié)點s的總收益函數(shù)模型達到最大。源節(jié)點s的總收益函數(shù)模型如下：
【主權(quán)項】
1. 一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟1 :設(shè)定網(wǎng)絡兩跳多中繼節(jié)點聯(lián)合轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景模型，確定源節(jié)點S、中繼節(jié)點 集R和目的節(jié)點d具體的位置分布狀況，并且通過環(huán)境感知技術(shù)獲得各中繼節(jié)點的信道狀 況信息，獲得源節(jié)點S和中繼節(jié)點A間的信道增益//、，（/:. e W )、中繼節(jié)點與目的節(jié)點d的 信道增益〃信系統(tǒng)帶寬W、設(shè)定目的節(jié)點d所受到其他節(jié)點的平均干擾Ω int和信道噪 聲功率Qmise，目的節(jié)點d端的目的信干比Y 參數(shù)； 步驟2 :由上述步驟1獲取的信道信息和參數(shù)信息分別建立源節(jié)點s和各中繼節(jié)點的 總收益函數(shù)模型；首先根據(jù)通信質(zhì)量的指標如信干比、信道容量因素和虛擬貨幣機制針對 源節(jié)點s建立效用函數(shù)和代價函數(shù)，將由多中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所獲得的信道容量增量作為源節(jié) 點s的效用函數(shù)，源節(jié)點向多中繼節(jié)點支付的貨幣補償作為源節(jié)點s的代價函數(shù)，設(shè)定源節(jié) 點 S根據(jù)中繼節(jié)點提出的單位功率補償和其發(fā)射功率來確定對該節(jié)點的支付補償，整體的 源節(jié)點s的總體收益函數(shù)即為獲得的效用函數(shù)和支付的代價函數(shù)之差；同理對任意的單中 繼節(jié)點A構(gòu)建效用函數(shù)和代價函數(shù)，其中，中繼節(jié)點r i的效用函數(shù)即源節(jié)點s對該節(jié)點的 功率補償；根據(jù)網(wǎng)絡通信實際環(huán)境采取一種兼具公平和有效性的代價函數(shù)，中繼節(jié)點^的 總收益函數(shù)模型，即：表示為其效用函數(shù)和代價函數(shù)之差； 步驟3 :求解上述步驟2中的源節(jié)點s總收益函數(shù)模型，即：根據(jù)最大化源節(jié)點s總收 益函數(shù)的原則在多中繼節(jié)點提出的單位功率補償價格集合InwmymriJ固定的情況下求 解得出源節(jié)點s需求各中繼節(jié)點最優(yōu)的發(fā)射功率集合{<,<，···<}; 步驟4 :由上述步驟3得出的源節(jié)點s對中繼節(jié)點ri需求的最優(yōu)發(fā)射功率t代入 到上述步驟2中的中繼節(jié)點^總收益函數(shù)模型，求解出中繼節(jié)點最佳的單位功率補償 價格》<，更換中繼節(jié)點不斷代入求解，得出各中繼節(jié)點最佳的單位功率補償價格集合 步驟5 :采用非合作博弈理論證明源節(jié)點s最優(yōu)需求功率集合功率集合 和中繼節(jié)點的單位功率補償價格集合即為非合作博弈模型的納什均衡解， 源節(jié)點s和各中繼節(jié)點均采取納什均衡策略時雙方的總收益函數(shù)模型都達到最大值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，其特征在于，所述 方法步驟2的源節(jié)點s的總收益函數(shù)模型包括：
其中a表示源節(jié)點s獲得單位信道容量增量的收益，Cs^d表示源節(jié)點s由多中繼節(jié)點 聯(lián)合轉(zhuǎn)發(fā)所獲的信道容量，Cs，d表示源節(jié)點s直接向目的節(jié)點d發(fā)送數(shù)據(jù)時的信道容量，％ 表示中繼節(jié)點A CriG R)提出的單位功率的補償價格，SNR s，d表示源節(jié)點s信號直接發(fā)送 到目的節(jié)點d的信干比，表示經(jīng)過中繼節(jié)點ri轉(zhuǎn)發(fā)的信道容量，P s表示源節(jié)點s的發(fā) 送功率，Ii表示中繼節(jié)點r i的發(fā)射功率，H s;d和分別表示源節(jié)點s與目的節(jié)點 d、源節(jié)點s和中繼節(jié)點ri、中繼節(jié)點&和目的節(jié)點d之間的信道增益，W表示通信系統(tǒng)的 帶寬，Ωη_和Ω int分別表示目的節(jié)點d端的噪聲和其他節(jié)點造成的干擾，'表示中繼節(jié) 點^保證信號發(fā)送到目的節(jié)點d端時滿足目標信干比的最低發(fā)送功率，p max表示中繼節(jié)點 最大的發(fā)射功率，Y 表示目的節(jié)點d端的目標信干比；同理對單中繼節(jié)點r i分別建立效 用函數(shù)和代價函數(shù)，中繼節(jié)點A的效用函數(shù)即源節(jié)點s對其的功率補償％采取一種由 節(jié)點的發(fā)射功率、信號信干比因素組成且兼具公平性和有效性的中繼節(jié)點代價函數(shù)，中繼 節(jié)點1^總收益函數(shù)包括：
其中^表示中繼節(jié)點A的發(fā)射功率，'表示中繼節(jié)點!Ti CriE R)提出的單位功率的補 償價格，Qjf丨.廠）表示中繼節(jié)點A的代價函數(shù)，β 1表示權(quán)重因子，P η表示中繼節(jié)點!Ti的發(fā) 射功率，^表示中繼節(jié)點!Ti的信號到達目的節(jié)點d的信干比表示中繼節(jié)點!Ti到目的 節(jié)點d的信道增益，Ytm表示目的節(jié)點所能接受的最小信干比即目的信干比，Ω Mise和Ω int 分別表示目的節(jié)點d端的噪聲和其他節(jié)點造成的干擾。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，其特征在于，所 述方法包括：設(shè)定兩跳多節(jié)點聯(lián)合中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景，所述場景存在需要其他節(jié)點提 供轉(zhuǎn)發(fā)服務的源節(jié)點s、源節(jié)點周圍能夠提供轉(zhuǎn)發(fā)服務的N個中繼節(jié)點，其節(jié)點集合R = Ir1, r2, r3,…，rN}和目的節(jié)點d，中繼節(jié)點放大并轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點信號到目的節(jié)點d。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，其特征在于，所述 方法利用博弈論對源節(jié)點和多中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行建模，根據(jù)通信質(zhì)量的指標如信干比、信 道容量因素和虛擬貨幣機制設(shè)立源節(jié)點和中繼節(jié)點的效益函數(shù)和代價函數(shù)，并通過求解源 節(jié)點和中繼節(jié)點的最優(yōu)效益模型獲得納什均衡解。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，其特征在于，所述 方法應用于無線泛在環(huán)境。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多中繼節(jié)點非合作博弈的激勵方法，該方法設(shè)定兩跳多節(jié)點聯(lián)合中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景，該場景存在需要其他節(jié)點提供轉(zhuǎn)發(fā)服務的源節(jié)點s、源節(jié)點周圍能夠提供轉(zhuǎn)發(fā)服務的N個中繼節(jié)點，其節(jié)點集合R＝{r1,r2,r3,…,rN}和目的節(jié)點d，設(shè)定中繼節(jié)點放大并轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點信號到目的節(jié)點d。首先設(shè)定多中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的假設(shè)場景，分別利用通信質(zhì)量指標信干比、信道容量等因素和虛擬貨幣機制建立源節(jié)點的效用函數(shù)和代價函數(shù)，并采用兼具公平性和有效性的代價函數(shù)來建立中繼節(jié)點的總收益函數(shù)模型，通過完備的數(shù)學推導求解優(yōu)化模型，取得源節(jié)點最佳的需求中繼節(jié)點發(fā)射功率和中繼節(jié)點最佳的單位功率補償價格并證明了納什均衡的存在性。本發(fā)明具有良好的應用前景。
【IPC分類】H04W16-22
【公開號】CN104640123
【申請?zhí)枴緾N201510050045
【發(fā)明人】張暉, 劉風華
【申請人】南京郵電大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月30日