CN103415074A - 基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，属于无线通信的技术领域。所述方法以中继节点带宽为中继价格，以用户带宽需求为竞拍投标量，中继节点和用户节点之间以拍卖机制进行带宽分配。本发明只包含有本用户节点自身的网络参数和在上一拍卖状态中的状态信息，因此用户节点可以利用这些本地参数来进行计算，无需进行节点间的信息交互，从而减小了系统开销，提高了频谱利用率。本发明体现了公平性原则，使得资源得到合理分配，保证整个通信系统的稳定性。

Description

基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法

技术领域

本发明公开了基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

通信业务的快速发展对无线通信系统提出了更高的要求。在下一代宽带移动通信标准中，具有高速数据传输能力、高频带时宽覆盖范围和高可靠性的无线通信系统成为人们追求的目标。协作技术作为多天线技术的扩展，解决了MIMO的应用限制，使不同节点之间可以共享天线，形成虚拟天线阵列，可以提高系统的频谱利用率，增加网络吞吐量，增强网络可靠性。无线协作中继系统中资源的分配一方面影响到协作过程能否顺利实现，另一方面，又关系到整个系统的性能。高效的带宽资源分配算法不仅能够保证系统业务的高效性和稳定性，而且有利于提高系统频谱资源的利用率，从而增加系统传输效率和网络吞吐量，进而提升整个网络的性能。因此无线协作中继网络的资源分配研究具有较高的实用价值。

Vickrey-Clarke-Groves(VCG)拍卖是一种经典的拍卖解决策略。VCG拍卖解决策略中，中心节点收集整个系统的实时信道状态信息，利用这些信息运算获得最佳的分配方案。但在VCG拍卖策略中效用函数是个效用函数是个无限维的信息，增加了用户与中继节点中间的信息交换量，过多的消耗了网络资源，这种拍卖方式更多的应用于集中式控制系统中，而在分布式系统中，中继节点可能就是一个普通的用户节点，运算能力有限，应用VCG拍卖算法实现较为困难，并且会增大信号的时延，降低系统效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，以中继节点带宽为中继价格，以用户带宽需求为竞拍投标量，中继节点和用户节点之间以拍卖机制进行带宽分配，具体包括如下步骤：

步骤1，中继节点广播中继价格，用户节点计算收益：

当收益为正数时，用户节点向中继节点发送当前时刻的竞拍投标量；

否则，用户节点退出拍卖；

步骤2，用户节点计算下一时刻的竞拍投标量，比较当前时刻、下一时刻的竞拍投标量：

若下一时刻的竞拍投标量等于当前时刻的竞拍投标量，中继节点为用户节点分配带宽资源；

否则，更新中继价格，返回步骤1。

所述基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，步骤1中所述用户节点利用如下表达式计算收益：

$U_i(b_i,b_{-i},c)=\frac{1}{2}{w}_{r_i}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{s_i,d_i}+{\mathrm{\γ}}_{s_i,r,d_i})-c\ln (1+w_{r_i})$

其中：U_i为用户节点s_i的效用函数，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b_-i为当前网络中其他用户节点竞拍投标量向量，c为中继价格，为用户节点s_i的带宽，

为第一时隙接收节点的信噪比，为第二时隙接收节点的信噪比，r为中继节点。

所述基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，步骤2中若下一时刻的竞拍投标量等于当前时刻的竞拍投标量，中继节点利用如下表达式为用户节点分配带宽资源：

$w_{r_i}=\frac{b_i}{{\mathrm{\Σ}}_{s_i\∈S}{b}_i+b_0}W,$

其中，S为用户节点集合，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b₀为预留投标量。

所述的基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，步骤2中用户节点利用如下表达式计算下一时刻的竞拍投标量：

$b_i\left(n\right)=\frac{c-{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\σ}}^2)})}{W-c+{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\σ}}^2)})}(\frac{W}{w_{r_i}{(n-1)}_i}-1)b_i(n-1)$

其中，b_i(n)为用户节点s_i的竞拍投标量，c为中继价格，

为用户s_i的发送功率，P为中继节点额定功率，分别表示S-R链路、R-D链路以及S-D链路的信道衰落系数，W为中继带宽，

为中继节点分配给用户s_i的中继带宽，σ²为信道噪声功率。

所述基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，步骤2中利用如下方法更新中继价格：

在下一时刻的竞拍投标量大于当前时刻的竞拍投标量时，以中继价格为上指示价格；

在下一时刻的竞拍投标量小于当前时刻的竞拍投标量时，以中继价格为下指示价格。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：体现了公平性原则，使得资源得到合理分配，保证整个通信系统的稳定性

附图说明

图1为基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法的流程图。

图2为中继带宽资源分配变化图。

图3为用户传输速率增量变化图。

图4为系统传输速率增量变化图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

在本方案中，中继节点提供“尽可能”的服务，对于系统内的每个用户节点提出的带宽需求，中继节点尽可能满足。当用户节点向中继节点申请带宽时，中继节点对每个申请都做出响应，中继节点本身并不会决定是否给该用户分配带宽，而是由用户节点通过效用函数的结果来明确向中继节点申请中继带宽后所能获得的收益，并根据这个收益自行决定是否继续向中继申请中继带宽，或者对申请带宽的投标量进行调整。

如图1所示，基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，以中继节点带宽为中继价格，以用户带宽需求为竞拍投标量，中继节点和用户节点之间以拍卖机制进行带宽分配，具体包括如下步骤：

步骤1，中继节点广播中继价格，用户节点利用公式（1）计算收益：

$U_i(b_i,b_{-i},c)=\frac{1}{2}{w}_{r_i}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{s_i,d_i}+{\mathrm{\γ}}_{s_i,r,d_i})-c\ln (1+w_{r_i})---\left(1\right),$

其中：其中：U_i为用户节点s_i的效用函数，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b_-i为当前网络中其他用户竞拍投标量向量，c为中继价格，

为用户节点s_i的带宽，

为第一时隙接收节点的信噪比，

为第二时隙接收节点的信噪比，r为中继节点；

当用户节点s_i收益为正时，用户节点s_i向中继节点发送当前时刻的竞拍投标量；

否则，用户节点s_i退出拍卖。

用户节点s_i的效用函数包含效用部分和惩罚函数两个部分。效用函数的设计以最大化用户的的信息传输速率为目标，用户的信息传输由直接传输和中继传输两部分组成，其中用户的直传信道容量并不受中继节点的影响，在一个参考时间段内可以认为是不变的，为简化效用函数，将中继信道容量作为用户的效用。惩罚函数是为了避免部分用户节点占用过多的中继带宽资源，造成资源的浪费，而由于信道状况不佳或者业务带宽需求量较大的其他用户节点却不能及时的从中继节点获得中继带宽资源，造成这部分用户的带宽需求不能得到满足，从而导致服务质量下降甚至某些用户节点通信中断。

步骤2，用户节点s_i计算下一时刻的竞拍投标量，比较当前时刻、下一时刻的竞拍投标量：

在中继节点R的协作中继系统中，用户节点s_i的下限临界价格为c_mi，零值临界价格为c_zi，中继带宽为W，中继功率为P，用户节点的发送功率为

，在分布式控制过程中，用户节点根据当前的网络状况来判断决定下一步的行为，为了减小用户之间频繁的交互造成的系统开销占用过多，在拍卖过程中，每一个用户节点通过前一投标量来计算下一步的最佳投标量，

$b_i\left(n\right)=\frac{c-{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\σ}}^2)})}{W-c+{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\σ}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\σ}}^2)})}(\frac{W}{w_{r_i}{(n-1)}_i}-1)b_i(n-1)---\left(2\right),$

式（2）中，b_i(n)为用户节点s_i的竞拍投标量，c为中继价格，为用户s_i的发送功率，P为中继节点额定功率，

分别表示S-R链路、R-D链路以及S-D链路的信道衰落系数，W为中继带宽，

为中继节点分配给用户s_i的中继带宽，σ²为信道噪声功率。

在下一时刻的竞拍投标量等于当前时刻的竞拍投标量时，中继节点利用公式（3）为用户节点s_i分配带宽资源：

$w_{r_i}=\frac{b_i}{{\mathrm{\Σ}}_{s_i\∈S}{b}_i+b_0}W---\left(3\right),$

其中，S为用户节点集合，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b₀为预留投标量；

否则，更新中继价格，返回步骤1。

中继节点的中继价格对拍卖过程起着决定性的作用，中继价格存在的意义是为了对参与中继带宽拍卖的用户节点的行为进行约束和限制，避免部分用户占用过多的带宽资源，起到应有的惩罚性作用，但同时又不能惩罚过度，使得用户所能获得的收益有限，退出拍卖，造成中继带宽资源不能得到有效利用。因此，中继价格必须处于一个合理的水平，既能通过协作增益驱使用户积极参与中继带宽拍卖，又能对用户的拍卖行为进行有效的约束。

更新中继价格方法如下：在拍卖过程之前，用户节点将本节点的临界价格c_mi和c_zi发送给中继节点，中继节点根据各用户节点发送的临界价格确定系统当前的临界价格c_m和c_z。中继节点以广播的方式将中继价格发送给所有的用户节点，本算法中设定中继初始价格为c=max{c_mi+(c_zi-c_mi)/s}，并定义两个价格指示c_l和c_u，初始化为c_l=c_u，c_u=c_z。

在b_i(n)>b_i(n-1),

时，以中继价格为上指示价格：c_u=c，

当前时刻中继价格：c=c-(c-c_m)/s，其中，c_m为下限临界价格，s为补偿调整因子；

在b_i(n)<b_i(n-1),

时，以中继价格为下指示价格：c_l=c，

当前时刻中继价格：c=c+(c_z-c)/s，其中，c_z为零值临界价格，s为补偿调整因子。

在拍卖过程中如果价格更新策略被激活，说明当前的中继价格为不合理价格，此时用户节点的投标量仅仅作为对中继节点的中继价格的反馈，以协助中继节点进行价格更新。在价格更新过程中中继节点不进行中继功率的重新分配。步长调整因子s可以使算法在准确度和速度之间进行调节，s越大，准确度越高，迭代次数越多，速度越慢。

在无线协作中继系统中，中继节点的中继价格是一个重要的参数。中继价格决定了整个协作通信系统是否稳定，能否到达均衡状态，以及用户节点能否积极的参与到协作通信中，有效的利用中继资源，提高系统性能。由于无线协作通信系统中的信道参数，用户节点的发送需求都可能是不断变化的，也会有一些用户节点动态的进入和退出协作过程，因此中继节点的中继价格也不可能是静态的，必须随着网络状态和用户的使用情况进行不断的调整，保证用户节点能有效的参与到竞拍过程中，使用中继资源，另一方面又要起到必要的惩罚作用。

综上所述，由于只包含有本用户节点自身的网络参数和在上一拍卖状态中的状态信息，因此用户节点可以利用这些本地参数来进行计算，无需进行节点间的信息交互，从而减小了系统开销，提高了频谱利用率。

从图2上可以看到，分配曲线较为平滑，说明分配结果比较稳定。从图3中可以看出所有的用户的传输速率都有所增加。在中继节点从0到10m点处移动的过程中，两个用户的传输速率都在增加。图3中用户2传输速率增量要小于用户1的传输速率增量，结合图2我们可以看到用户2获得的中继带宽却要大于用户1所分配到的中继带宽。这是由于用户2距离目的接收点更远，信道衰落更为严重，且与中继节点的距离也较远，因此相对来讲用户2更需要中继带宽资源，这种分配方式体现了公平性原则，使得资源得到合理分配，保证整个系统的稳定性。

图4反映了协作中继系统传输速率增量随中继节点位置的变化关系。在中继节点从0到10m处移动的过程中由于中继节点距离两个用户对距离较近，信道状况良好，系统的传输速率增量处于上升的过程，在约10m处达到峰值，随着距离继续增大，逐渐远离用户对，用户的传输收到无线信道衰落效应的影响，系统传输速率增量在逐渐减小。但是在中继节点从0到100m的移动过程中，系统的传输速率增量一直为正值，这表明，与直传系统相比，通过中继节点的协作中继使得用户的通信能力得到加强，在坐标位置10m处系统的吞吐量提高了接近80%，极大的改善了系统的性能，并提高了系统的稳定性。

仿真结果表明，基于拍卖机制的中继带宽分配算法较好的解决了放大转发协作中继网络的中继带宽资源分配，实现了带宽资源的合理分配。

Claims (5)

1.基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，其特征在于，以中继节点带宽为中继价格，以用户带宽需求为竞拍投标量，中继节点和用户节点之间以拍卖机制进行带宽分配，具体包括如下步骤：

步骤1，中继节点广播中继价格，用户节点计算收益：

当收益为正数时，用户节点向中继节点发送当前时刻的竞拍投标量；

否则，用户节点退出拍卖；

步骤2，用户节点计算下一时刻的竞拍投标量，比较当前时刻、下一时刻的竞拍投标量：

若下一时刻的竞拍投标量等于当前时刻的竞拍投标量，中继节点为用户节点分配带宽资源；

否则，更新中继价格，返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，其特征在于，步骤1中所述用户节点利用如下表达式计算收益：

$U_i(b_i,b_{-i},c)=\frac{1}{2}{w}_{r_i}{\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_{s_i,d_i}+{\mathrm{\&gamma;}}_{s_i,r,d_i})-c\ln (1+w_{r_i})$

其中：U_i为用户节点s_i的效用函数，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b_-i为当前网络中其他用户节点竞拍投标量向量，c为中继价格，为用户节点s_i的带宽，

为第一时隙接收节点的信噪比，

为第二时隙接收节点的信噪比，r为中继节点。

3.根据权利要求1或2所述的基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，其特征在于，所述步骤2中若下一时刻的竞拍投标量等于当前时刻的竞拍投标量，中继节点利用如下表达式为用户节点分配带宽资源：

$w_{r_i}=\frac{b_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{s_i\&Element;S}{b}_i+b_0}W,$

其中，S为用户节点集合，b_i为用户节点s_i当前时刻的竞拍投标量，b₀为预留投标量。

4.根据权利要求3所述的基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，其特征在于，步骤2中用户节点利用如下表达式计算下一时刻的竞拍投标量：

$b_i\left(n\right)=\frac{c-{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\&sigma;}}^2)})}{W-c+{\log }_2(1+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,d_i}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{p_{s_i}{g}_{s_i,r}P{g}_{r,d_i}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2(p_{s_i}{g}_{s_i,r}+P{g}_{r,d_i}+{\mathrm{\&sigma;}}^2)})}(\frac{W}{w_{r_i}{(n-1)}_i}-1)b_i(n-1)$

其中，b_i(n)为用户节点s_i的竞拍投标量，c为中继价格，

为用户s_i的发送功率，P为中继节点额定功率，分别表示S-R链路、R-D链路以及S-D链路的信道衰落系数，W为中继带宽，

为中继节点分配给用户s_i的中继带宽，σ²为信道噪声功率。

5.根据权利要求4所述的基于拍卖理论的无线协作中继网络中继带宽资源分配方法，其特征在于，所述步骤2中利用如下方法更新中继价格：

在下一时刻的竞拍投标量大于当前时刻的竞拍投标量时，以中继价格为上指示价格；

在下一时刻的竞拍投标量小于当前时刻的竞拍投标量时，以中继价格为下指示价格。

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