CN102065481A - 中继通信中基于拍卖理论的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中继通信中基于拍卖理论的功率分配方法，涉及无线通信技术领域，主要解决在完全信息和非完全信息情况下功率分配以及设置了目标误码率保证目的节点接收有效的信息。在完全信息情况下，中继节点根据标值价格和所有的信道信息利用拍卖理论计算出投的最佳标值使其获得最大收益；在非完全信息情况下，中继节点采用更新迭代算法调整其标值，向功率服务器申请功率来获得最大收益。本发明还设置了目标误码率来保证目的节点接收有效信息。

Description

中继通信中基于拍卖理论的功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种中继通信中基于拍卖理论的功率分配方法，用于无线中继通信系统，解决在完全信息和非完全信息下功率分配问题而且使发射端的传输速率得到了有效的保证。

背景技术

为了满足对中继节点功率充分应用的要求，博弈论及其相关理论被视为是实现中继节点的功率资源有效分配重要方法之一。

随着移动通信产业的快速发展，对于中继节点的应用要求也快速增加。如何有效地分配中继节点的功率资源成为一个关键问题，尤其是在完全信息和不完全信息情况下解决中继节点的功率分配问题。

在以前对中继通信研究中，T.Q.S.Quek介绍了在功率限制和服务质量(QOS)限制下最小化中继节点传输功率的算法。T.Q.S.Quek在前向放大中继的网络中通过最优化理论解决中继节点的功率分配问题。J.Huang提出两个拍卖方案(功率拍卖方案和信噪比拍卖方案)对中继节点的功率进行分配。B.Wang和E.V.Belmega引入Stackelberg理论来优化节点的功率分配与节点选择。但是这些技术和算法都是用到中继节点获得完全信息的情况下进行分配功率，而在不完全信息情况下，中继节点无法利用这些算法分配功率；在这些中继节点功率分配的工作中没有考虑目的节点对于信噪比的限制和对接收到数据有效性的保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于拍卖理论的中继通信中功率服务器控制下中继节点的功率分配方法。

其中功率分配方案以中继节点向功率服务器竞拍的模式实现的，并且以其对目的节点的有效传输速率作为其收益。同时，目的节点设置了目标误码率来保证其接收数据的有效性。

为实现上述目的，在功率服务器拍卖自己所拥有的功率时，中继节点在满足目的节点要求的误码率条件下提交合适的标值来最大化自己的收益。然后功率服务器会利用每个中继节点提交的标值比例来给相应的中继节点分配其功率。而每个中继节点所提交的标值都能使自己收益最大化的情况下就会达到纳什均衡。

本发明的实现方案如下：

一种基于拍卖理论的中继通信中的功率分配方法，包括源节点、中继节点和功率服务器，功率服务器作为拍卖方拍卖自己的功率而中继节点是作为竞拍方来竞拍所需功率。

所述的功率分配方法，包括如下步骤：

A1，所述源节点选择中继节点，且所述功率服务器公布标值价格；

所述源节点根据中继节点的选择方案来选出较好中继节点转发数据信息；功率服务器向中继节点公布此次投标的价格；

A2，中继节点向功率服务器投出标值；

中继节点根据此次的标值价格和自己的信道条件估算出此次的标值，然后为获得功率，向功率服务器投出该标值；

A3，功率服务器根据标值给相应中继节点分配功率；

A4，中继节点根据分配的功率向目的节点转发数据。

所述的功率分配方法，其中步骤A2具体执行以下操作：所述中继节点根据其所获得的信息和功率服务器的标值价格来估算出此次投标的标值来最大化自己的收益。

所述的功率分配方法，所述信息包括完全信息和不完全信息；在完全信息情况下，中继节点根据标值价格和所有的信道信息利用拍卖理论计算出投的最佳标值使其获得最大收益；在非完全信息情况下，中继节点采用更新迭代算法调整其标值，向功率服务器申请功率来获得最大收益。

所述的功率分配方法，所述步骤A3中：当接收到各个中继节点发过来的申请功率的标值后，功率服务器根据中继节点的标值的比值对功率进行分配：

P_i＝(b_i/(∑_j∈Kb_j+β))P_tot，

β＞0是一个正的保留价

所述的功率分配方法，所述步骤A4中：中继节点得到功率后根据其标值向功率服务器付一定费用，并且利用申请过来的功率发射数据信号给目的节点，然后就可以获得一定的收益。

本发明的有关术语解释：

纳什均衡(Nash equilibrium，NE)

当其他参与者的策略给定后，该参与者不会单方面更改自己的策略来增大自己的收益，在这种情况下就可以达到纳什均衡。

本发明中参与者为所有的中继节点；策略为中继节点向功率服务器提交的标值的

集合；收益为中继节点向目的节点的有效传输速率。

本发明考虑到非完全信道信息条件下基于拍卖理论利用更新迭代算法向功率服务器申请功率，根据目的节点设置的目标误码率，中继节点转发源节点的数据信息并且从目的节点处获得收益。本发明根据更新迭代算法来使的功率得到均衡分配，利用目的节点设置的目标误码率来保证其接收信号的有效性。因此本发明适合在实际系统中使用，尤其是在非完全信道信息条件下的功率分配，而且也保证了目的节点接收信号的有效性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明无线中继通信系统模型图；

图3为纳什均衡最佳响应与曲线仿真图；

图4为中继节点不同的标值与信道增益关系仿真图；

图5为中继节点不同的收益与信道增益关系仿真图；

图6为在IUA下中继节点标值的收敛性仿真图；

图7为IUA中学习速率的稳定条件仿真图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1：源节点选择中继节点且功率服务器公布标值价格

源节点为向目的节点发送数据，根据中继选择方案来选择最佳的几个中继节点。功率服务器也向中继节点公布此次标值的价格。

由图1中，整个网络下有N个中继节点，则源节点根据中继选择方案选出了转发数据的节点，这些节点共有M个，其组成的集合用符号K来表示。对于功率服务器公布的标值的价格用p来表示。

步骤2：中继节点向功率服务器投出标值

M个中继节点根据自己获得的信息和功率服务器的标值价格来估算出此次投标的标值来最大化自己的收益。

中继节点可以转发数据给目的节点而获得相应的收益，但同时必须为向功率服务器申请的功率付出自己的成本。因此中继节点获得的收益可以表示为

U_i＝U_i(b_i，b_-i，p)＝R_i(b_i，b_-i)-C_i(b_i，p)＝πk_iB_i-pb_i，

其中，R(·)是中继节点标值的函数，表示中继节点从目的节点处获得的收益；C(·)是中继节点标值和标值价格的函数，表示向功率服务器所付的功率成本；b_i(0≤b_i≤P_tot)表示第i个中继节点的标值和P_tot表示中继节点标值的上限，则b_-i＝{b₁，...，b_i-1，b_i+1，...，b_k}；π表示为目的节点所付的价格；B_i表示第i个中继节点所拥有的带宽；k_i＝log₂(1+Kγ_i)是第i个中继节点在该信道上的频谱利用率，而K＝1.5/ln(0.2/BER^tar)和BER^tar表示目标节点对每个中继节点设置的误码率。

上述中继节点获得的信息可以分为两类：完全信息和非完全信息，因此，中继节点要在这两种情况下去计算出自己此次最佳的标值。

(1)完全信息

完全信息指的是每一个中继节点除了可以知道自己的信道信息外，还可以获得其他中继节点的信道信息和标值。当功率服务器向中继节点公布了标值价格后，中继节点考虑这个价格和所有的中继节点的信道信息来计算出此次最佳的标值。

因此，当知道其他中继节点的竞拍标值后，第i个中继节点的纳什均衡值可以表示为：

$b_i=B_i\left(b_{-i}\right)=\arg \underset{b_i}{\max }{U}_i(b_i,b_{-i},p)$

当没有任何一个中继节点会单方更改自己标值来获得更大收益，也就是

$U_i(b_i^{*},b_{-i}^{*},p)\≥U_i^{\′}(b_i,b_{-i}^{*},p),$ $\∀i\∈K$

则这种中继节点的标值被定义为纳什均衡，可以表示为

当功率服务器的标值价格0≤p≤p时，其中

$\underset{\‾}{p}=\frac{\mathrm{\π}{B}_i{A}_i{V}_i{P}_{\mathrm{tot}}K((M-1)P_{\mathrm{tot}}+\mathrm{\β})}{[(1+K{A}_i{P}_{\mathrm{tot}})P_{\mathrm{tot}}^2+{\mathrm{MV}}_i{P}_{\mathrm{tot}}+V_i\mathrm{\β}]}\×\frac{1}{\ln 2[P_{\mathrm{tot}}^2+n{V}_i{P}_{\mathrm{tot}}+V_i\mathrm{\β}]}$

而A_i＝P_sG_s，i/σ²，V_i＝(P_sG_s，i+σ²)/G_i，d，则中继节点向功率服务器申请的标值为b_i＝P_tot，

当功率服务器的标值价格

时，其中

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{\ln 2}\frac{\mathrm{\π}{B}_i{A}_i{P}_{\mathrm{tot}}K}{V_i\mathrm{\β}}$

则中继节点向功率服务器申请的标值为b_i＝0，

当功率服务器的标值价格时，每个中继节点的标值为

$b_i^{*}=\frac{\sqrt{{\left[V_i(\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_j+\mathrm{\β})(2P_{\mathrm{tot}}+{2V}_i+K{A}_i{P}_{\mathrm{tot}})\right]}^2-\mathrm{temp}}}{2(P_{\mathrm{tot}}+V_i)(P_{\mathrm{tot}}+V_i+{\mathrm{KA}}_i{P}_{\mathrm{tot}})}$

$+\frac{-V_i(\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_j+\mathrm{\β})(2P_{\mathrm{tot}}+{2V}_i+{\mathrm{KA}}_i{P}_{\mathrm{tot}})}{2(P_{\mathrm{tot}}+V_i)(P_{\mathrm{tot}}+V_i+{\mathrm{KA}}_i{P}_{\mathrm{tot}})},$

其中

$\mathrm{temp}=4(P_{\mathrm{tot}}+V_i)(P_{\mathrm{tot}}+V_i+{\mathrm{KA}}_i{P}_{\mathrm{tot}})\×(V_i(\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_j+\mathrm{\β})+\frac{\mathrm{\π}{B}_i{A}_i{V}_i{P}_{\mathrm{tot}}K(\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{b}_j+\mathrm{\β})}{\ln 2\×p}).$

(2)非完全信息

非完全信息是指每个中继节点仅能知道自己此次的信道信息和标值，同时也可获得自己获得收益的变化率。

如果是在初始时刻，所有中继节点向功率服务器提起的初始标值为

如果时刻为t≥1时，第i个中继节点根据上一时隙t-1的标值b_i[t-1]和变化率

可以计算出此次的标值：

${\hat{b}}_i\left[t\right]=b_i[t-1]+{\mathrm{\α}}_i\left(\frac{{\∂U}_i\left(b_i\right[t-1\left]\right)}{{\∂b}_i[t-1]}\right).$

其中，α_i是第i个中继节点的标值的学习率。当第i个中继节点的标值

小于零时，则其向功率服务器提交的标值为b_i[t]＝0；当第i个中继节点的标值

大于功率标值的最大值P_tot，则其向功率服务器提交的标值为b_i[t]＝P_tot；除此之外，其向功率服务器提交的标值为

第i个中继节点向功率服务器提交的标值为

总之，第i个中继节点向功率服务器提交的标值可以表示为：

$b_i\left[t\right]=\left\{\begin{array}{ccc}0& \mathrm{if}& {\hat{b}}_i\left[t\right]<0\\ P_{\mathrm{tot}}& \mathrm{elseif}& {\hat{b}}_i\left[t\right]>P_{\mathrm{tot}}\\ {\hat{b}}_i\left[t\right]& \mathrm{otherwise}& \end{array}\right..$

当所有中继节点在每个时隙上向功率服务器投标的标值相差微小时，则迭代更新算法可以获得均衡值。

步骤3：功率服务器根据标值给相应中继节点分配功率

当接收到各个中继节点发过来的申请功率的标值后，功率服务器根据中继节点的标值的比值对功率进行分配：

$P_i=\frac{b_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{j\&Element;K}{b}_j+\mathrm{\&beta;}}{P}_{\mathrm{tot}},$ $\&ForAll;i\&Element;K$

其中，β＞0是一个正的保留价。

步骤4：中继节点根据分配的功率向目的节点转发数据

中继节点得到功率后根据其标值向功率服务器付一定费用，并且利用申请过来的功率发射数据信号给目的节点，然后就可以获得一定的收益。

实施例2

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

构建无线中继通信系统模型，包括一个源点、一个目的点、一个功率服务器和一系列均匀分布的中继节点，考虑前向放大准则，仿真参数选取如表1所示：

表1

参数	值
		中继节点数目	2
标值价格	10
		功率服务器的总功率	10W
保留标值	2
		信源传输功率	1W
目标误码率	0.0001
		传输速率的价格	100
中继节点信道带宽	10MHZ
		整个网络下的信道	服从瑞利分布
噪声水平	10-11W

2.仿真内容

1.证明中继节点的标值可以达到纳什均衡

本发明的目的就是使得每个中继节点最大化自己的收益，每个中继节点的标值达到纳什均衡，而且证明了纳什均衡受到信道增益的影响。在获得完全信息情况下，每个中继节点随其他中继节点的变化情况；在获得非完全信息情况下，所有中继节点的标值达到纳什均衡的轨迹。

2.中继节点的信道增益变化对标值的影响

本发明中中继节点的标值除了受到其他中继节点标值的影响外还受到了其信道增益和其他中继节点相关信道增益的影响。

3.中继节点信道增益的变化对收益的影响

本发明中中继节点的收益受到其中继节点的信道增益或其他中继节点的信道增益的影响。

4.在更新迭代算法下中继节点标值迭代的收敛性

在不完全信息的情况下，本发明提出了更新迭代算法来找到中继节点的标值均衡，而且证明该算法是可以收敛的。

5.更新迭代算法的收敛条件

本发明中使用了更新迭代算法来计算纳什均衡，因此必须找到该迭代算法的收敛条件。

3.仿真结果

如图3所示，当信道增益不变时，一个中继节点会随着另外一个中继节点的标值变化而变化，这两条线会相交于一点，也就是纳什均衡点。当信道增益变化时，纳什均衡点也随之变化。对于更新迭代算法来说，图中的虚线代表了两个中继节点标值的变化轨迹，最终达到完全信息条件下纳什均衡点。这也证明了不完全信息下的更新迭代算法能够达到和完全信息下的均衡结果。

如图4所示，当其中一个中继节点的信道增益变化，这两个中继节点标值都会随之变化。中继节点的信道增益越好，则需要转发数据的发射功率就会越低，向功率服务器投的标值也就越低。当信道增益为某一值时，图中出现了交点，这是因为此刻两个中继节点的信道情况相同。另外，功率服务器公布的标值价格对中继节点投的标值也是有影响的。标值的价格越高，则中继节点付出功率成本也就越大，其标值也就越低。

如图5说明了中继节点的收益和信道增益之间的关系。随着信道增益变大中继节点收获的收益也就越大。而且当标值价格增加时，中继节点的成本增加致使利润降低。

如图6说明更新迭代算法的收敛性，当两个中继节点的信道增益同为0.3时，两个中继节点的标值收敛于相同的值；当一个信道增益为0.3，另一个为0.7时，信道增益小的中继节点投的标值收敛于大的值，另一个中继节点的标值收敛于小值。当迭代数t＝37后收敛曲线和直线之间发生重合。

图7展示出更新迭代算法中学习率α₁和α₂的稳定区域，只有当学习率设定到这个范围才能保证迭代算法的收敛性，否则，无法得到纳什平衡点。

仿真结果表明，本发明利用了博弈论中的拍卖理论并且在目的节点设置了目标误码率，可以很好的解决无线中继通信系统中的功率分配问题，同时保证了目的节点接收到有效信号。在解决功率分配的问题上，本发明还把中继节点获得的信息分为了两类：完全信息和不完全信息，这样更好地解决通信中的实际问题，大大提高了分配方法的性能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于拍卖理论的中继通信中的功率分配方法，其特征在于，包括源节点、中继节点和功率服务器，功率服务器作为拍卖方拍卖自己的功率而中继节点是作为竞拍方来竞拍所需功率。

2.根据权利要求1所述的功率分配方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

A1，所述源节点选择中继节点，且所述功率服务器公布标值价格；

所述源节点根据中继节点的选择方案来选出较好中继节点转发数据信息；功率服务器向中继节点公布此次投标的价格；

A2，中继节点向功率服务器投出标值；

中继节点根据此次的标值价格和自己的信道条件估算出此次的标值，然后为获得功率，向功率服务器投出该标值；

A3，功率服务器根据标值给相应中继节点分配功率；

A4，中继节点根据分配的功率向目的节点转发数据。

3.根据权利要求2所述的功率分配方法，其特征在于，其中步骤A2具体执行以下操作：所述中继节点根据其所获得的信息和功率服务器的标值价格来估算出此次投标的标值来最大化自己的收益。

4.根据权利要求3所述的功率分配方法，其特征在于，所述信息包括完全信息和不完全信息；在完全信息情况下，中继节点根据标值价格和所有的信道信息利用拍卖理论计算出投的最佳标值使其获得最大收益；在非完全信息情况下，中继节点采用更新迭代算法调整其标值，向功率服务器申请功率来获得最大收益。

5.根据权利要求1至4任一所述的功率分配方法，其特征在于，所述步骤A3中：当接收到各个中继节点发过来的申请功率的标值后，功率服务器根据中继节点的标值的比值对功率进行分配：P_i＝(b_i/(∑_j∈Kb_j+β))P_tot， β＞0是一个正的保留价。

6.根据权利要求1至4任一所述的功率分配方法，其特征在于，所述步骤A4中：中继节点得到功率后根据其标值向功率服务器付一定费用，并且利用申请过来的功率发射数据信号给目的节点，然后就可以获得一定的收益。 

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