CN101742529A - 无线协作网络中中继分配和合作维持方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的无线协作网络中中继分配和合作维持方法，包括以下步骤：建立TDMA模式单中继传输的无线通信协作网络，每个节点时分的接入一个中心节点或传输给一跳之内的用户，得到每个节点对其每个中继节点的偏好；采用合作圈形成方法建立无线协作网络中节点间的合作关系，得到若干个合作圈；当有节点背离合作关系时，对背离协作的节点进行分布式惩罚，经过惩罚时间T后，允许合作圈中所有节点恢复合作，无线通信协作网络继续正常工作。本发明通过合作圈形成方法，进行了中继选择；通过设定分布式惩罚和惩罚时间，兼顾系统的公平性的同时，能最大限度的防止节点背离合作，最终形成稳定公平的网络节点之间的协作关系。

Description

无线协作网络中中继分配和合作维持方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种无线协作网络中中继分配和合作维持方法。

背景技术

近些年来协同无线通信技术得到了广泛的关注。协同中继使特定区域的一些节点或终端形成了一个虚拟天线阵，从而达到空间分集的效果，显著提高了系统吞吐率。但由于中继节点的加入，移动台可以选择不同的中继节点集合来进行数据转发。因此如何进行协同中继节点的选择将是一个首要解决的问题。在选取协同中继点的问题上，主要的研究内容是在一个多协同中继点的环境中，协同伙伴如何分配和管理，例如协同对象和协同条件等。现有文献大多假设节点可以随意帮助其他节点，没有考虑节点的自利性。但是作为中继节点，必将耗费节点自身的能量。当节点具有自利性时，设计合理中继分配和管理方案即能得到理想的系统总体性能，又使得节点之间的相互协作关系稳定，是非常重要的问题。

经对现有技术文献的检索发现，Charles Pandana等人在《IEEE Transaction onWireless Communications，vol.7，no.8，May.2008，pp.3150-3163(电气电子工程师协会无线通信领域期刊，2008年5月，第3150-3163页)》上发表了题为“Cooperation Enforcementand Learning for Optimizing Packet Forwarding in Autonomous Wireless Networks(自组织网络中数据转发的学习优化及合作行为的加强)”一文，该文提出一种基于重复博弈的架构促使网络中的节点能够遵守经过优化的数据转发策略，但是此方案只考虑了网络节点的基本的数据转发功能，并未考虑关于协作分集策略下中继选择问题。

另经检索发现，Yongle Wu等人在《IEEE Transaction on Wireless Communications，(电气电子工程师协会无线通信领域期刊)》上发表了题为“Repeated open spectrumsharing game with cheat-proof strategies(基于重复博弈的公共频谱上的欺骗行为抵制频谱共享策略)”一文，该文提出一种基于重复博弈的惩罚策略防止在频谱共享的情况下，一些节点贪婪的增加自身的传输能量，进而引起对别的节点的干扰和系统性能的下降。该文针对频谱共享场景上的背离行为设计惩罚方案，并未考虑中继选择。

经检索还发现，Walid Saad等在《IEEE Transaction on Wireless Communication(电气电子工程师协会通信领域期刊)》上发表的文章“A Distributed Coalition FormationFramework for Fair User Cooperation in Wireless Networks(基于无线网络中用户公平合作的分布式联盟架构)”。该文提出自私节点基于虚拟MIMO技术的合作联盟形成，但是该技术并未考虑合作分集协议下中继选择和公平性，以及防止节点背离合作的策略。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种无线协作网络中中继分配和合作维持方法。本发明通过建立合作圈和对背离合作的节点在惩罚时间内进行分布式惩罚，实现了中继传输系统中继节点分配以及保证了协作节点之间的公平性和稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步，建立TDMA模式单中继传输的无线通信协作网络，网络中每个节点时分的接入一个中心节点，根据每个节点选择网络中剩余每个节点作为中继节点的效用，得到每个节点对其每个中继节点的偏好，所有节点向中心节点上报其对所有中继节点的偏好。

第二步，基于交换市场博弈模型，采用合作圈形成方法建立无线协作网络中节点间的合作关系，得到若干个合作圈；当有节点背离合作关系时，执行第三步。

所述的合作圈形成方法是：

1)将网络中每个节点与其最偏好的节点相连接，组成若干封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定；

2)重新将剩余的每个节点与剩余的节点中其最偏好的节点相连接，又组成若干的封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定；

3)不断重复2)，直至最后剩余的节点在与最后剩余的节点中其最偏好的节点相连接后不再组成封闭多边形为止，至此网络中的若干节点分别找到一个中继节点，每个封闭多边形就是一个合作圈。

第三步，对背离协作的节点进行分布式惩罚，经过惩罚时间T后，允许合作圈中所有节点恢复合作，无线通信协作网络继续正常工作。

所述的分布式惩罚是：在(t-1)时刻遵守合作关系的节点，在t时刻得到合作；在(t-1)时刻背离合作关系的节点，在t时刻得不到合作。

所述的惩罚时间T是：

$T=\underset{i\∈C_k}{\max }{\log }_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\δ}}^{w_k}-{\mathrm{\λ}}_i^{-1}}{{\mathrm{\δ}}^{w_k}(1-{\mathrm{\λ}}_i^{-1})},$

其中： ${\mathrm{\λ}}_i=\frac{u_{i,j}}{{\mathrm{\ρ}}_i\×P};$

$u_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_i\×(I_{i,j}^{\mathrm{cop}}-I_i),& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}>I_i\\ 0,& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}\≤I_i\end{array}\right.;$

$I_i=\log (1+\frac{P\×{\left|g_i\right|}^2}{{\mathrm{\δ}}_v^2});$

i和j都是大于零且小于网络中节点总数的整数，分别代表的是网络中的第i个节点和第j个节点，α_i为节点i的速率增加效用常数，I_i，j ^cop是节点i选择节点j作为中继节点时传送数据的最大速率，I_i是节点i直接传送数据的最大速率，P是节点i的发送功率，|g_i|为传送数据的节点i和其接收端之间的信道增益，λ_i代表节点i信息速率增加的效率，u_i，j为节点i帮助节点j所获得信息速率的增加，ρ_i×P为节点i作为中继节点由能量损失带来的效用损失，C_k代表第k个合作圈，w_k代表第k个合作圈的圈长，δ^wk是重复博弈模型中的常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过合作圈形成方法，进行了中继选择；通过设定分布式惩罚和惩罚时间，兼顾系统的公平性的同时，能最大限度的防止节点背离合作，最终形成稳定公平的网络节点之间的协作关系。

附图说明

图1是实施例第一次形成的合作圈示意图；

图2是实施例最终形成的合作圈示意图；

图3是实例得到的系统总收益和系统最优值的比较示意图；

图4是实施例第三步的合作圈示意图；

图5是实施例不同惩罚时间得到的累计收益示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例用于无线NAF(非正交放大转化)协作网络中二十个节点的中继分配和合作维持，包括步骤如下：

第一步，建立TDMA模式单中继传输的无线通信协作网络，网络中每个节点时分的接入一个中心节点，根据每个节点分别选择另外十九个节点作为中继节点的效用，得到每个节点对其每个中继节点的偏好，所有节点向中心节点上报其对所有中继节点的偏好(对所有中继节点按照其效用从大到小进行排序)。

节点i直接传送数据的最大速率I_i为：

$I_i=\log (1+\frac{P\×{\left|g_i\right|}^2}{{\mathrm{\δ}}_v^2})$

其中：每个节点的发送功率都为P，且P＝0.5，系统带宽归一化为1，δ_v ²代表接收节点处的噪声功率，本实施例中每个节点的噪声功率相等，即：

|g_i|为传送数据的节点i和其接收端之间的信道增益。

节点i使用节点j作为中继节点的效用为：

$u_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_i\×(I_{i,j}^{\mathrm{cop}}-I_i),& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}>I_i\\ 0,& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}\≤I_i\end{array}\right.$

其中：I_i，j ^cop是节点i选择节点j作为中继节点时传送数据的最大速率，I_i是节点i直接传送数据的最大速率，节点i的速率增加效用常数α_i＝1。

第二步，基于交换市场博弈模型，采用合作圈形成方法建立无线协作网络中节点间的合作关系，得到若干个合作圈；当有节点背离合作关系时，执行第三步。

所述的合作圈形成方法是：

1)将网络中每个节点与其最偏好的节点相连接，组成若干封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定，如图1所示，其中：1→6代表节点1得到节点6的协作。

2)重新将剩余的每个节点与剩余的节点中其最偏好的节点相连接，又组成若干的封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定；

3)不断重复2)，直至最后剩余的节点在与最后剩余的节点中其最偏好的节点相连接后不再组成封闭多边形为止，至此网络中的若干节点分别找到一个中继节点，每个封闭多边形就是一个合作圈，如图2所示，其中：除节点12没有找到中继节点外，其余每个节点都找到一个中继节点，整个网络形成若干个合作圈。

本实施例得到的合作关系具有唯一性，帕累托最优性和稳定性，即对节点所形成的集合，不存在另一种合作关系，使得每个节点都能够得到更好的协作效益。

本实施例方法得到的系统总收益和系统最优值如图3所示，从图中可知，通过合作圈形成方法建立的合作关系得到的系统总收益接近系统最优值。

第三步，对背离协作的节点进行分布式惩罚，经过惩罚时间T后，允许合作圈中所有节点恢复合作，无线通信协作网络继续正常工作。

所述的分布式惩罚是：在(t-1)时刻遵守合作关系的节点，在t时刻得到合作；在(t-1)时刻背离合作关系的节点，在t时刻得不到合作。如图4所示，如果节点A在某一时刻背离，而节点B、节点C、节点D和节点A依次被TDMA系统调度，则节点A不会得到背离收益；如果节点D、节点C、节点B和节点A被依次调度，则节点A可以得到3个时隙的背离增益。

当惩罚措施使得背离节点的背离所产生的累积效用小于遵守合作规定所产生的累积效用时，惩罚措施能够阻止背离行为的发生。惩罚措施将会沿着合作圈传播，最终背离节点得到惩罚，但是“好”的节点也同样得到了惩罚。因此当惩罚时间足够长时，必须允许恢复合作。

一个长度为w的合作圈，节点i背离合作关系时所能获得的累积效用为：

$\widetilde{{\mathrm{\ξ}}_i^d}=\underset{t=0}{\overset{t_0-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i\left(t\right)\·{\mathrm{\δ}}^t+\underset{t=t_0}{\overset{t_0+w-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{i,j}\·{\mathrm{\δ}}^t$

$=\underset{t=0}{\overset{t_0-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i\left(t\right)\·{\mathrm{\δ}}^t+\frac{{\mathrm{\δ}}^{t_0-1}-{\mathrm{\δ}}^{t_0+w-1}}{1-\mathrm{\δ}}{u}_{i,j}$

其中：t₀为背离时刻，当经过(w-1)个时刻后合作圈完全破坏，如果惩罚时间为T_i，则背离节点i在背离后又恢复合作的情况下的累积收益为：

$\widetilde{{\mathrm{\ξ}}_i^{d,T}}=\underset{t=0}{\overset{t_0-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i\·{\mathrm{\δ}}^t+\underset{t=t_0}{\overset{t_0+w-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{i,j}\·{\mathrm{\δ}}^t+\underset{t=T+t_0+w}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i\·{\mathrm{\δ}}^t$

$=\underset{t=0}{\overset{t_0-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i\·{\mathrm{\δ}}^t+\frac{{\mathrm{\δ}}^{t_0-1}-{\mathrm{\δ}}^{t_0+w-1}}{1-\mathrm{\δ}}{u}_{i,j}+\frac{{\mathrm{\δ}}^{T_i+t_0+w-1}}{1-\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ξ}}_i$

则当

时，可阻止该合作圈中所有节点的背离行为，此时惩罚时间T为：

$T=\underset{i\∈C_k}{\max }{\log }_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\δ}}^{w_k}-{\mathrm{\λ}}_i^{-1}}{{\mathrm{\δ}}^{w_k}(1-{\mathrm{\λ}}_i^{-1})}$

其中： ${\mathrm{\λ}}_i=\frac{u_{i,j}}{{\mathrm{\ρ}}_i\×P}$

λ_i代表信息速率增加的效率，u_i，j为节点i帮助节点j所获得信息速率的增加，能量损耗系数ρ＝1，ρ_i×P代表节点i作为中继节点由能量损失带来的效用损失，C_k代表第k个合作圈，i代表此合作圈中的第i个节点，w_k代表此合作圈的圈长，δ_wk是重复博弈模型中的常数，代表节点对下一个时刻博弈是否结束的估计。

针对图4所示的合作圈，当惩罚时间按照上述公式一进行选择时，得到惩罚时间T＝10个时隙，当惩罚时间分别选为10个时隙和2个时隙时的系统累计收益如图5所示，由图5可知，惩罚时间T＝2个时隙时，背离节点的累积收益依然超过合作的累积收益；当惩罚时间T＝10个时隙时，背离节点的累积收益则低于合作的累积收益，因此当惩罚时间T＝10个时隙时，能够阻止背离行为的发生并恢复合作。

本实施例的优点：通过合作圈形成方法，进行了中继选择；通过设定分布式惩罚和惩罚时间，兼顾系统的公平性的同时，能最大限度的防止节点背离合作，最终形成稳定公平的网络节点之间的协作关系。

Claims (4)

1.一种无线协作网络中中继分配和合作维持方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立TDMA模式单中继传输的无线通信协作网络，网络中每个节点时分的接入一个中心节点，根据每个节点选择网络中剩余每个节点作为中继节点的效用，得到每个节点对其每个中继节点的偏好，所有节点向中心节点上报其对所有中继节点的偏好；

第二步，基于交换市场博弈模型，采用合作圈形成方法建立无线协作网络中节点间的合作关系，得到若干个合作圈；

当有节点背离合作关系时，执行第三步；

第三步，对背离协作的节点进行分布式惩罚，经过惩罚时间T后，允许合作圈中所有节点恢复合作，无线通信协作网络继续正常工作。

2.根据权利要求1所述的无线协作网络中中继分配和合作维持方法，其特征是，第二步中所述的合作圈形成方法是：

1)将网络中每个节点与其最偏好的节点相连接，组成若干封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定；

2)重新将剩余的每个节点与剩余的节点中其最偏好的节点相连接，又组成若干的封闭多边形，组成封闭多边形的节点间的合作关系就此确定；

3)不断重复2)，直至最后剩余的节点在与最后剩余的节点中其最偏好的节点相连接后不再组成封闭多边形为止，至此网络中的若干节点分别找到一个中继节点，每个封闭多边形就是一个合作圈。

3.根据权利要求1所述的无线协作网络中中继分配和合作维持方法，其特征是，第三步中所述的分布式惩罚是：在(t-1)时刻遵守合作关系的节点，在t时刻得到合作；在(t-1)时刻背离合作关系的节点，在t时刻得不到合作。

4.根据权利要求1所述的无线协作网络中中继分配和合作维持方法，其特征是，第三步中，所述的惩罚时间T是：

$T=\underset{i\∈c_k}{\max }{\log }_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\δ}}^{\mathrm{wk}}-{\mathrm{\λ}}_i^{-1}}{{\mathrm{\δ}}^{\mathrm{wk}}(1-{\mathrm{\λ}}_i^{-1})}$

其中： ${\mathrm{\λ}}_i=\frac{u_{i,j}}{{\mathrm{\ρ}}_i\×P};$

$u_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_i\×(I_{i,j}^{\mathrm{cop}}-I_i),& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}>I_i\\ 0,& I_{i,j}^{\mathrm{cop}}\≤I_i\end{array}\right.;$

$I_i=\log (1+\frac{P\×{\left|g_i\right|}^2}{{\mathrm{\δ}}_{t^{\′}}^2});$

i和j都是大于零且小于网络中节点总数的整数，分别代表的是网络中的第i个节点和第j个节点，α_i为节点i的速率增加效用常数，I_i，j ^cop是节点i选择节点j作为中继节点时传送数据的最大速率，I_i是节点i直接传送数据的最大速率，P是节点i的发送功率，|g_i|为传送数据的节点i和其接收端之间的信道增益，λ_i代表节点i信息速率增加的效率，H_i，j为节点i帮助节点j所获得信息速率的增加，ρ_i×P为节点i作为中继节点由能量损失带来的效用损失，C_k代表第k个合作圈，w_k代表第k个合作圈的圈长，δ^wk是重复博弈模型中的常数。

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