一種基于Stackelberg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和無線網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)，特別設(shè)及一種無線蜂窩網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境下的基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著大量無線多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)，無線終端的流量也在迅猛增長(zhǎng)。諸如社交網(wǎng)的 通告信息、智能交通網(wǎng)的流量信息發(fā)布、電子地圖信息的更新、新聞推送等內(nèi)容更新與分發(fā) 應(yīng)用，W及即拍即傳等大容量視頻文件的上傳，導(dǎo)致無線終端需要處理和傳輸海量數(shù)據(jù)。
[0003] 借助于多跳中繼，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)能夠改善覆蓋區(qū)的通信質(zhì)量和增加系統(tǒng)容量。伴隨 無線多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)，低功率的接入點(diǎn)，例如微微基站（picobasestation)、毫微微基 站（femtobasestations)、中繼站（relay)等，被引入到蜂窩系統(tǒng)來改善覆蓋能力和提高 系統(tǒng)容量。下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作也在考慮接納運(yùn)種方案。多跳異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)也將成為 未來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。在運(yùn)種網(wǎng)絡(luò)中，無線終端既能通過單跳接入基站，也能通過預(yù)先 部署的中繼站W(wǎng)多跳的形式接入基站。
[0004] 上述方案在帶來益處的同時(shí)，也要求網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商投入巨資來部署和維護(hù)低功率基 站和中繼站。為了分擔(dān)宏基站（macrobasestation)的流量，微微基站和毫微微基站通常 通過獨(dú)立的高速有線或無線鏈路連接到核屯、網(wǎng)絡(luò)。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要投資建設(shè)和維護(hù) 運(yùn)些鏈路。由網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商部署的中繼站需要有比較確切的位置信息的支持，W便于準(zhǔn)確地 部署運(yùn)些中繼站到實(shí)際需要的區(qū)域。運(yùn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商來說，該任務(wù)既十分關(guān)鍵又非常難W 處理。
[0005] 在一些戶外場(chǎng)景（例如，大型體育運(yùn)動(dòng)會(huì)、大型商品交易會(huì)、大型節(jié)日慶典活動(dòng)）， 由于人流密度大，考慮選擇密集人群中的合適無線終端來臨時(shí)充當(dāng)中繼站的功能，不失為 一種經(jīng)濟(jì)且有效的增加人群密集區(qū)域通信容量W及改善其邊緣地帶節(jié)點(diǎn)接入基站能力的 方法。通信容量的提升來源于空間復(fù)用率的提高和單跳距離的減少。只要合理選擇中繼， 可采用更小的發(fā)射功率來減少對(duì)鄰近區(qū)域干擾W及減少能耗，同時(shí)，邊緣地帶節(jié)點(diǎn)接入基 站能力可W做到不降反升。然而，運(yùn)樣的益處是消耗充當(dāng)中繼站功能的無線終端的有限資 源為代價(jià)換來的。潛在的候選無線終端節(jié)點(diǎn)通常是自私的，因?yàn)樗鼈兛赡芊謱儆诓煌W(wǎng)絡(luò) 實(shí)體或運(yùn)營(yíng)組織，沒有額外的激勵(lì)機(jī)制，很難參與運(yùn)樣的通信協(xié)作。因此，足夠誘人的貨幣 激勵(lì)或者其它任何形式的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制的設(shè)立很有必要。
[0006] -種可行的選擇是，發(fā)射源節(jié)點(diǎn)通過出讓一部分自己的授權(quán)頻段的使用權(quán)來激發(fā) 其它無線終端節(jié)點(diǎn)在它們力所能及的范圍內(nèi)積極提供中繼服務(wù)。出讓的頻段資源將在所 有參與中繼服務(wù)的無線終端之間，依據(jù)各自為提供中繼服務(wù)而消耗的資源量進(jìn)行分配。從 發(fā)射源節(jié)點(diǎn)的角度看，該類節(jié)點(diǎn)在增加數(shù)據(jù)發(fā)送率的同時(shí)也提高了能量效率。原因在于，通 過中繼節(jié)點(diǎn)的幫助，發(fā)射源節(jié)點(diǎn)在適當(dāng)減小發(fā)射功率的同時(shí)也能確保平均信噪比至少不下 降，并能彌補(bǔ)出讓部分頻段的損失。從中繼節(jié)點(diǎn)的角度看，該類節(jié)點(diǎn)能夠免費(fèi)使用發(fā)射源節(jié) 點(diǎn)出讓頻段的某些份額來發(fā)射自己的數(shù)據(jù)，節(jié)省了網(wǎng)費(fèi)開支，因而，存在參與通信協(xié)作的動(dòng) 機(jī)。從運(yùn)營(yíng)商的角度看，更多的節(jié)點(diǎn)，特別是蜂窩邊緣地帶的節(jié)點(diǎn)能高質(zhì)量地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?基站，有利于提升基站的接入服務(wù)量、改善服務(wù)質(zhì)量、增加營(yíng)運(yùn)收入，因而，存在為運(yùn)種通信 協(xié)作的建立提供幫助的動(dòng)機(jī)。
[0007] 盡管通過出讓部分授權(quán)頻段作為報(bào)酬的激勵(lì)方式已經(jīng)被應(yīng)用于協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)W 及協(xié)作認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，但是在運(yùn)些網(wǎng)絡(luò)中的中繼服務(wù)的特點(diǎn)是，一個(gè)或多個(gè)中繼站并 發(fā)地將源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)，再直接轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。在源-目的節(jié)點(diǎn)之間距離 很長(zhǎng)的情況下，運(yùn)種通信模式無法改善通信鏈路的傳輸質(zhì)量。將多個(gè)中繼站串聯(lián)成中繼路 徑，會(huì)有效縮短傳輸路徑上通信鏈路的平均距離，在節(jié)省能量的同時(shí)也能達(dá)到減少節(jié)點(diǎn)之 間相互干擾的目的。但現(xiàn)有方案并未考慮運(yùn)種情況。除此之外，現(xiàn)有基于出讓授權(quán)頻段使 用權(quán)的激勵(lì)方案還存在如下問題：（1)中繼站的選擇要么采取基站負(fù)責(zé)的集中式方式，要 么采用終端節(jié)點(diǎn)協(xié)同的分布式模式，無法充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，而且也沒有給出如何實(shí)現(xiàn) 的具體解決方法。（2)對(duì)中繼站的要求過高。例如，要求中繼站在中繼數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用被 出讓的授權(quán)頻段來同時(shí)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而在實(shí)際應(yīng)用中，也存在兩者無法同時(shí)進(jìn)行處理 的情況，因而，中繼站實(shí)際上就得不到報(bào)酬。要求終端能偵測(cè)到與其它終端之間信道增益的 異構(gòu)性，也并非每個(gè)終端都有能力做到。要求基站能準(zhǔn)確跟蹤所有用戶在所有頻段上的信 道狀態(tài)信息（化annelStateIn化rmation,CSI)也將為基站增加極大的工作量。因此，急 需提出一種應(yīng)對(duì)上述問題的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明給出了一種選擇通信策略、確定中繼節(jié)點(diǎn)、進(jìn)行無線資源分配的整體解決 方案。鑒于集中式實(shí)現(xiàn)模式會(huì)加重基站負(fù)擔(dān)，而分布式實(shí)現(xiàn)模式會(huì)導(dǎo)致無線終端之間過高 的通信負(fù)載，因而本發(fā)明結(jié)合兩種實(shí)現(xiàn)模式的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種混合式實(shí)現(xiàn)模式，并達(dá)到了 將負(fù)載在基站、發(fā)射源、中繼站之間進(jìn)行合理分擔(dān)的目的。
[0009]關(guān)于通信策略選擇，接近基站的無線終端，應(yīng)該選擇直接傳輸策略（即直接將數(shù) 據(jù)發(fā)送給基站）。若相距較遠(yuǎn)，則協(xié)作中繼策略是一個(gè)可考慮的選擇。更一步，若相距很遠(yuǎn)， 則必須考慮多跳中繼。后兩種通信策略都需要確定中繼節(jié)點(diǎn)。
[0010] 關(guān)于中繼節(jié)點(diǎn)確定，在協(xié)作通信模式下，被選擇的中繼節(jié)點(diǎn)都只需將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn) 發(fā)給基站即可，因而，該類中繼的選擇相對(duì)容易，但在文獻(xiàn)中也極少提及具體算法。在多跳 中繼通信模式下，不僅需要關(guān)注中繼的服務(wù)能力，而且需要確定中繼節(jié)點(diǎn)在中繼路徑上的 位置是否適合（例如，中繼的選擇應(yīng)盡量兼顧路徑上各相鄰節(jié)點(diǎn)間距離的相對(duì)均勻性和該 路徑上各通信鏈路的可視性（即通信雙方在對(duì)方的視距范圍內(nèi)））。實(shí)現(xiàn)該功能的算法設(shè)計(jì) 相對(duì)復(fù)雜，因而，需要提出一種具體設(shè)計(jì)方案。
[0011] 關(guān)于無線資源分配，由于無線終端的自私性，必須要有足夠誘惑力的激勵(lì)機(jī)制 來激勵(lì)潛在中繼節(jié)點(diǎn)參與資源分配的協(xié)作活動(dòng)。一方面，發(fā)送源節(jié)點(diǎn)需要提供報(bào)酬給中 繼節(jié)點(diǎn)，另一方面，它需要選擇能給它帶來最大收益的無線節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼。本發(fā)明基于 Stacke化erg博弈模型設(shè)id種S方協(xié)作的無線資源分配方案。
[0012] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
[0013]一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，包括W下 步驟：
[0014] 步驟一：源節(jié)點(diǎn)向基站報(bào)告自身信息并接收來自基站的信息，計(jì)算最優(yōu)發(fā)射功率 和數(shù)據(jù)發(fā)送速率，數(shù)據(jù)發(fā)送速率較優(yōu)則選擇直接通信策略，否則請(qǐng)求基站構(gòu)建一條從該源 節(jié)點(diǎn)到基站的中繼路徑，并測(cè)試中繼路徑后根據(jù)結(jié)果決定是否更新；
[0015] 步驟二：中繼節(jié)點(diǎn)向基站報(bào)告自身信息并接收來自基站的信息，如果接收到候選 中繼節(jié)點(diǎn)的信息并同意接受施加于自身的源節(jié)點(diǎn)出讓頻段的使用條件，則向基站發(fā)送確認(rèn) 包，否則維持現(xiàn)狀不變，如果接收到來自基站的初步中繼路徑，則測(cè)試中繼路徑并根據(jù)結(jié)果 決定是否更新，更新后對(duì)自身發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整；
[0016] 步驟S:基站若接收到任一潛在中繼節(jié)點(diǎn)的信息，則查找確認(rèn)中繼信息后進(jìn)行更 新，若接收到某源節(jié)點(diǎn)的信息，則查找確認(rèn)源節(jié)點(diǎn)信息后進(jìn)行更新，若接收到構(gòu)建中繼路徑 的信息，則構(gòu)建初步中繼路徑并廣播到請(qǐng)求者和路徑上所有的中繼節(jié)點(diǎn)，并在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi) 等待是否有在該初步中繼路徑上增加中繼的請(qǐng)求，收到請(qǐng)求話則更新初步中繼路徑并進(jìn)行 廣播。
[0017] 所述的一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，所 述的步驟一的具體執(zhí)行過程包括，
[0018] 步驟1 :源節(jié)點(diǎn)向基站報(bào)告自身身份標(biāo)識(shí)和坐標(biāo)，并接收來自基站的信息，包括坐 標(biāo)和噪聲功率；
[001引步驟2 :若源節(jié)點(diǎn)與基站之間距離屯,d小于交叉距離d。"_胃，則根據(jù) [0020]
[0021] 計(jì)算源節(jié)點(diǎn)直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的最優(yōu)功率/:，并根據(jù)
[0022]

[002引計(jì)算源節(jié)點(diǎn)直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的速率C,,);否則，則根據(jù) [0024]
[00 巧]
[002引來計(jì)算最優(yōu)發(fā)射功率托和數(shù)據(jù)發(fā)送速率);其中P:*,,表示源節(jié)點(diǎn)向 中繼路徑上第1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)采用的被優(yōu)化的發(fā)射功率、％）表示當(dāng)被采 用時(shí)，源節(jié)點(diǎn)向中繼路徑上第1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)的速率、％n表示當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向中繼路徑 上第1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)該中繼節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境噪聲功率、貨而表示源節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)射時(shí) 采用的被優(yōu)化的發(fā)射功率、表示當(dāng)被采用時(shí)源節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)射數(shù)據(jù)的速率、 屯,康示源節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離、n,康示當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)射時(shí)該基站周圍的環(huán)境噪聲 功率、C,..)表示中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的速率、C,..,,.(；4,.)表示中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送自 己數(shù)據(jù)包的速率、r/；^fe表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離、山,^,表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與 其在中繼路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)之間的距離；
[0027] 步驟3:若數(shù)據(jù)發(fā)送速率至少高于明顯優(yōu)于源節(jié)點(diǎn)期望的速率下限兩 倍，則首選直接通信策略，即源節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，然后返回步驟1 ;否則，請(qǐng)求基 站構(gòu)建一條從該源節(jié)點(diǎn)到基站的中繼路徑；
[0028] 步驟4 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)收到基站返回的初步中繼路徑，則執(zhí)行步驟5 ;否則，直接 執(zhí)行步驟8
[0029] 步驟5 :發(fā)送測(cè)試包來獲得初步中繼路徑上源節(jié)點(diǎn)的鄰接鏈路的質(zhì)量；若在預(yù)設(shè) 時(shí)間內(nèi)成功收到對(duì)測(cè)試包的響應(yīng)包，則向基站發(fā)送確認(rèn)包后直接執(zhí)行步驟8;否則，在源節(jié) 點(diǎn)的1跳鄰域范圍內(nèi)廣播中繼請(qǐng)求包，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟6;
[0030] 步驟6 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)成功收到對(duì)中繼請(qǐng)求包的響應(yīng)包，則執(zhí)行步驟7 ;否則直 接執(zhí)行步驟8執(zhí)行；
[0031] 步驟7:若源節(jié)點(diǎn)決定在它與初步中繼路徑上的鄰居之間插入一個(gè)新中繼，則源 節(jié)點(diǎn)將運(yùn)個(gè)新中繼的信息發(fā)送給基站；否則，源節(jié)點(diǎn)僅需向基站發(fā)送確認(rèn)包；
[003引步驟8 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)收到來自基站的[Pd。?，0UP]，貝帷該取值范圍內(nèi)為0賦 一個(gè)具體值；
[0033] 步驟9 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)收到來自基站的更新的中繼路徑，則將0的值廣播到該 中繼路徑上的所有中繼節(jié)點(diǎn)，然后返回步驟1
[0034] 所述的一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，所 述的步驟二的具體執(zhí)行過程包括，
[0035] 步驟1 :中繼節(jié)點(diǎn)向基站報(bào)告自身身份標(biāo)識(shí)和坐標(biāo)、最大發(fā)射功率、噪聲功率，并 接收來自基站的信息，包括坐標(biāo)、噪聲功率；
[0036] 步驟2:若收到來自基站的關(guān)于某個(gè)虛擬接入點(diǎn)的候選者信息，并在其中發(fā)現(xiàn)自 身序號(hào)，則執(zhí)行步驟3;否則，直接跳到步驟4;所述的候選者信息包括候選者的序號(hào)、頻段 的使用條件、W及虛擬接入點(diǎn)的坐標(biāo)；當(dāng)基站選中某節(jié)點(diǎn)作為候選者時(shí)，將其序號(hào)加入消息 包中，
[0037] 步驟3:若愿意接受施加于自身的源節(jié)點(diǎn)出讓頻段的使用條件，則向基站發(fā)送確 認(rèn)包并執(zhí)行步驟4;否則，返回步驟1;
[0038] 步驟4 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)收到來自基站的初步中繼路徑，則執(zhí)行步驟5 ;否則返回 步驟1 ;
[0039] 步驟5 :發(fā)送測(cè)試包來獲得初步中繼路徑上源節(jié)點(diǎn)的鄰接鏈路的質(zhì)量；若在預(yù)設(shè) 時(shí)間內(nèi)成功收到對(duì)測(cè)試包的響應(yīng)包，則向基站發(fā)送確認(rèn)包后直接執(zhí)行步驟8;否則，在源節(jié) 點(diǎn)的1跳鄰域范圍內(nèi)廣播中繼請(qǐng)求包，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟6;
[0040] 步驟6 :若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)成功收到對(duì)中繼請(qǐng)求包的響應(yīng)包，則執(zhí)行步驟7 ;否則直 接執(zhí)行步驟8執(zhí)行；
[0041]步驟7:若源節(jié)點(diǎn)決定在它與初步中繼路徑上的鄰居之間插入一個(gè)新中繼，則源 節(jié)點(diǎn)將運(yùn)個(gè)新中繼的信息發(fā)送給基站；否則，源節(jié)點(diǎn)僅需向基站發(fā)送確認(rèn)包；
[0042] 步驟8 :若收到更新后的中繼路徑和該路徑上所有中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率對(duì)組成的 集合即{(/4,，/?；；,,、.，或現(xiàn)有中繼路徑仍在使用，則執(zhí)行步驟9~11 ;否則，直接執(zhí) 行步驟12;
[0043] 步驟9:若發(fā)現(xiàn)中繼源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的鏈路帖成功率至少減少10%而發(fā)射自己數(shù)據(jù)的 鏈路帖成功率幾乎不變，則將扔增加e而將成。.減少e，然后將更新后的心。和知 廣播到同一中繼路徑上其它所有中繼節(jié)點(diǎn)