CN104640123B - 一种多中继节点非合作博弈的激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多中继节点非合作博弈的激励方法，该方法设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，该场景存在需要其他节点提供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点，其节点集合R＝{r₁,r₂,r₃,…,r_N}和目的节点d，设定中继节点放大并转发源节点信号到目的节点d。首先设定多中继节点转发的假设场景，分别利用通信质量指标信干比、信道容量等因素和虚拟货币机制建立源节点的效用函数和代价函数，并采用兼具公平性和有效性的代价函数来建立中继节点的总收益函数模型，通过完备的数学推导求解优化模型，取得源节点最佳的需求中继节点发射功率和中继节点最佳的单位功率补偿价格并证明了纳什均衡的存在性。本发明具有良好的应用前景。

Description

一种多中继节点非合作博弈的激励方法

技术领域

本发明特别涉及一种在无线泛在环境中多中继节点非合作博弈的激励方法，属于通信技术领域。

背景技术

无线通信技术的飞速发展促进了泛在网络时代的来临，而无线泛在环境是指广泛存在的，无所不在的网络环境，也就是人置身于无所不在的网络之中，实现人在任何时间、地点，使用任何网络与任何人与物的信息交换，基于个人和社会的需求，利用现有网络技术和新的网络技术，为个人和社会提供泛在的，无所不含的信息服务和应用。它不仅可以极大地提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件；它也可以为未来的移动通信系统提供更高的数据传输速率、更广的信号覆盖范围并支持高速率的移动性。不同技术构建的网络彼此相互补充，共同存在，构成了多网络多业务融合的无线泛在环境。然而用户的群集特性往往导致某种网络瞬时间业务流量的暴涨和相邻的其他异构网络业务空闲的局面，可以利用移动Ad-hoc网络的多跳中继和路由转发特性实现缓解拥塞网络的瓶颈效应、平衡业务流量、提高空间复用率和增加网络容量的目的。但是，在自组织网络中节点既是终端又是路由器，这种双重功能决定了节点既要保证自身的正常通信需求，又要为网络的其它节点提供转发数据和选路的服务，即节点之间需要相互合作以补偿基础设施的缺乏，否则整体网络服务无法提供。然而考虑到节点自身能量、资源和带宽有限等因素尤其是各节点隶属于不同组织的情况下节点间的非合作性和自私性表现得尤为明显，这会造成整体网络性能急剧下降。因此随着无线泛在环境的日益普及，针对改善节点自私性的节点激励机制的研究也越来越受到关注。

现今在无线泛在环境下针对节点协作激励机制的研究主要有基于声誉值的激励机制、基于虚拟货币的激励机制和基于博弈论的分析方法。非合作博弈是基于博弈论的节点激励机制的重要研究方面，其主要的难点在于如何构建通信的博弈模型和最大化博弈各方的效益等。本发明基于非合作博弈和虚拟货币机制针对无线泛在环境下的节点激励建立博弈模型并通过最大化博弈各方的效益实现促进节点间协同转发的目的。

发明内容

本发明提出了一种在无线泛在环境中多中继节点非合作博弈的激励方法，该方法考虑到无线泛在环境的复杂因素，利用博弈论对源节点和多中继转发节点进行建模，根据通信质量指标(如信干比和信道容量等)和虚拟货币机制建立源节点和中继节点的效用函数和代价函数，并通过求解源节点和中继节点的总收益函数模型获得纳什均衡解。该模型最大化源节点和中继节点的总收益，能够极大地促进节点间的合作转发，同时该方案非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明针对上述现有技术的问题，特别是针对无线泛在环境下的多中继节点的激励问题，提出了一种多中继节点非合作博弈的激励方法，该方法设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，该场景包括需要其他节点提供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点(R＝{r₁,r₂,r₃,…,r_N})和目的节点d。各中继节点均转发源节点信号到目的节点。方法流程：

步骤1：设定两跳多中继节点联合转发的网络通信场景模型，通过环境感知技术获得源节点s、中继节点集R和目的节点d具体的位置分布信息，获得中继节点集R的中继节点个数N，获得各节点之间的信道状况信息(包括源节点s和中继节点r_i的信道增益中继节点r_i与目的节点d的信道增益源节点s和目的节点d的信道增益H_s,d)，获得信道带宽W、目的节点d所受到其他节点的平均干扰Ω_int和噪声功率Ω_noise。设定目的节点d所能接受的最小信干比即目标信干比γ^tar值。

步骤2：由上述步骤1获取的各类信息分别建立源节点s和各中继节点的总收益函数模型。首先，建立源节点s的效用函数和代价函数:由于多中继节点联合转发得到比源节点直接发送更高的信道容量，将多中继节点联合转发所获得的信道容量增量作为源节点s的效用函数；由于中继节点转发而消耗自身能量故需要源节点的支付补偿，将源节点向多中继节点支付的总货币补偿作为源节点s的代价函数。源节点s的总收益函数即为其效用函数和代价函数之差。因此，源节点s的总收益函数模型为：

C_s,d＝Wlog₂(1+SNR_s,d)

其中，a表示源节点s获得单位信道容量增量的收益，C_s,r,d表示源节点s由多中继节点联合转发所获的信道容量，C_s,d表示源节点s直接向目的节点d发送数据时的信道容量，表示中继节点r_i(r_i∈R)提出的单位功率的补偿价格，SNR_s,d表示源节点s信号直接发送到目的节点d的信干比，表示源节点s信号经过中继节点r_i转发到目的节点d的信干比,P_s表示源节点s的发射功率,表示中继节点r_i的发射功率,表示保证信号发送到目的节点d时满足目标信干比的中继节点r_i的最低发送功率，p^max表示中继节点最大的发射功率。

其次，对每个中继节点r_i分别建立效用函数和代价函数：效用函数即源节点s对中继节点r_i的功率补偿代价函数由中继节点发射功率和目的节点接收信干比构成，建立兼具公平性和有效性的代价函数以防止某中继功率过大对其它中继造成过大干扰。中继节点r_i的总收益函数即为其效用函数和代价函数之差。因此，中继节点r_i(r_i∈R)总收益函数模型为：

其中，表示中继节点r_i的代价函数，β_i表示权重因子，表示中继节点r_i信号直接发送到目的节点d的信干比。

步骤3：求解上述步骤2中的源节点s的总收益函数模型，即：在各中继节点提出的单位功率补偿价格给定的情况下，最大化源节点s的总收益函数,即可求解得出源节点s需要的各中继节点的最优发射功率

步骤4：将上述步骤3得出的源节点s需要的中继节点r_i的最优发射功率代入到上述步骤2中的中继节点r_i的总收益函数模型，求解得出中继节点r_i的最优单位功率补偿价格遍历各中继节点，求解得出所有中继节点的最优单位功率补偿价格

步骤5：采用非合作博弈理论证明源节点s需要的中继节点的最优发射功率集合和中继节点的最优单位功率补偿价格集合即为非合作博弈模型的纳什均衡解。源节点s和各中继节点采取纳什均衡策略时各方的总收益函数均达到最大值。

有益效果:

1、本发明首先设定多中继节点联合转发的网络场景，利用通信质量指标(信干比、信道容量等)和虚拟货币机制建立源节点的效用函数和代价函数，并采用兼具公平性和有效性的代价函数来建立中继节点的总收益函数模型，通过完备的数学推导求解优化模型，得到源节点需要的最优中继节点发射功率和中继节点最佳的单位功率补偿价格，并证明了纳什均衡的存在性。

2、本发明通过源节点和中继节点的总收益最大化，有效地促进中继节点积极地参与转发并改善其转发的通信质量，同时也保障了中继节点的利益。

3、本发明操作简单并易于实现，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明在无线泛在通信环境下存在多种异构网络如基站、WLAN、WiMAX等网络，设定该通信模型中源节点s处于基站范围内连接基站网络，源节点s需要向目的节点d发送分组，而目的节点不在源节点s的通信范围内，源节点s可以在两者之间多网络重叠区内选择中继节点协助源节点转发数据。本发明设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，该场景存在需要其他节点提供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点(其节点集合R＝{r₁,r₂,r₃,…,r_N})和目的节点d，本发明设定中继节点联合转发源节点信号到目的节点d。在第一阶段源节点s向目的节点d发送信号，在目的节点d端和中继节点r_i(i＝1,2…N,r_i∈R)端接收的信号幅度为：

其中P_s表示源节点s的发送功率，H_s,d表示源节点s到目的节点d的信道增益，表示源节点s到中继节点r_i的信道增益，x表示源节点s发送的信号，η_s,d和表示在目的节点d和中继节点r_i端独立加性高斯白噪声，其均值为0、方差为Ω_noise。ω_s,d和表示目的节点d和中继节点r_i受到相邻其他节点的干扰，这里设定均值为0、方差为Ω_int。由源节点s直接发送数据到目的节点d端的信干比和信道容量分别如下：

C_s,d＝Wlog₂(1+SNR_s,d) 公式4

其中SNR_s,d表示源节点s信号直接发送到目的节点d的信干比。W表示通信系统的信道带宽，C_s,d表示源节点s直接传输数据到目的节点d的信道容量。而在第二阶段中继节点r_i接收到源节点s的放大并转发给目的节点d，并在目的节点d端将以上两阶段的信号以最大似然比合并(MRC)，得到经过中继节点r_i放大转发后目的节点d的信干比以及信道容量分别如下:

其中表示中继节点r_i的发射功率，和分别表示源节点s与中继节点r_i之间的信道增益、中继节点r_i和目的节点d之间的信道增益。表示经过中继节点r_i放大转发获得的信干比，表示经过中继节点r_i转发的信道容量。同理可得经过N个中继节点协同转发所能获得的信道容量如下:

本发明以源节点s依靠中继节点集R中继转发得到的信道容量和源节点s直接发送信息到目的节点d不依靠任何中继节点时的信道容量之差，即：由中继节点转发获得的信道容量增量作为源节点的效用函数，即

由于中继节点参与转发需要消耗自身能量，源节点s需要向中继节点支付虚拟货币予以补偿。考虑源节点s根据中继节点的发射功率给予补偿，即可以由源节点s的效用函数和源节点s支付中继节点补偿组合成源节点s的总收益函数模型如下：

其中，a表示源节点s获得单位信道容量的收益，表示中继节点r_i(r_i∈R)的发射功率，表示中继节点r_i提出的单位功率补偿价格。上式的a△C_s,r,d表示源节点s依靠中继节点转发获得的效用函数，表示源节点s对参与转发的中继节点集R中各节点的功率补偿。源节点s根据中继节点r_i提出的功率补偿调整其需求节点r_i的发射功率。而中继节点发射功率需要保证该节点信号到达目的节点d端的信干比高于目标信干比γ^tar，即要求中继节点功率有一个下限阈值同时设置中继节点最大的发射功率为p^max,则由以下公式

求解出中继节点发射功率的取值范围如下:

其中，表示为满足目标信干比的中继节点最低发射功率阈值，表示中继节点r_i的信号直接发送到目的节点d的信干比。

源节点s的总收益函数最优化模型是在确定的基础上求解出中继节点最佳的发射功率使得源节点s的总收益函数达到最大值。即源节点s总收益函数最优化模型如下：

C_s,d＝Wlog₂(1+SNR_s,d)

同理，分析中继节点r_i(r_i∈R)的效用函数和代价函数：中继节点r_i的效用函数即源节点s对其的功率补偿中继节点的代价函数应由发射功率和信干比等因素组成，节点发射功率越大、信干比越高消耗就越大，为了防止某中继节点发射功率过大造成其他中继节点的干扰过大的情况，采用兼具公平性和有效性的中继节点代价函数如下:

其中，表示中继节点r_i(r_i∈R)的代价函数，β_i表示权重因子。因此可得到中继节点r_i的总收益函数模型如下:

对公式12中源节点s的总收益函数最优化模型求解：将U_s对中继节点r_i功率求导可得：

使得为0，将公式4、公式7代入公式13可得：

其中

考虑到功率需要大于最低阈值当得到的功率值小于时，此时无法满足源节点s的通信质量要求，直接设置为0，即中继节点r_i不再转发数据。故得出中继节点r_i的最优发射功率如下：

现证明各中继节点的最优发射功率是在给定各中继节点功率补偿价格的情况下的最优解。对源节点s的总收益函数U_s关于二阶求导可得：

对源节点s的总收益函数U_s关于二阶偏导可得：

由公式19和公式20代入可知则由于是连续变量，源节点s的总收益函数U_s在中继节点功率补偿价格给定的情况下关于是拟凹函数。故即为模型最优解。

而在确定之后，根据公式14和公式15可得中继节点r_i的总收益函数最优化模型即如下：

若由公式18计算得出为0,中继节点r_i不转发数据，此时中继节点r_i的总收益为0。考虑非零的情况，即即可得在最优功率集合确定时，将中继节点r_i的总收益函数关于求二阶导数可得:

其中由公式17可得：

由于将公式23代入公式22可得即在给定的情况下存在最优的功率补偿价格使得总收益函数最大。只需将总收益函数关于一阶求导使之为0，即可求解最优解由公式21可得：

根据公式18和公式24可求解得到最优发射功率集和最优功率补偿价格集使得各方总收益函数达到最大。

在均非零的情况下，源节点s的总收益函数U_s和中继节点r_i的总收益函数分别是发射功率功率补偿价格的拟凹函数，且策略空间和均连续。根据非合作博弈理论，本发明提出的非合作博弈模型存在唯一的纳什均衡，即源节点s需要的中继节点最优发射功率集合和中继节点最优功率补偿价格集合

如图1所示，本发明的多中继节点非合作博弈的激励方法具体实施步骤如下:

第一步：设定两跳多中继节点联合转发的通信场景模型，通过环境感知技术获得源节点s、中继节点集R和目的节点d具体的位置分布信息，获得N，获得各节点之间的信道状况信息(包括H_s,d)，获得W、Ω_int和Ω_noise。设定γ^tar值。

第二步：由上述步骤获取的各类信息分别根据公式12和公式15建立源节点s和中继节点r_i的总收益函数模型。

第三步：根据公式18求解得出给定情况下源节点s需要的中继节点最优发射功率

第四步：将代入公式15，求解得出中继节点r_i的最佳功率补偿价格并依次求解得出其他中继节点的最佳功率补偿价格，即

第五步：采用非合作博弈理论证明本发明的非合作博弈模型存在纳什均衡，即和使得源节点s和中继节点的总收益函数均达到最大。

以上对本发明实施所提供的一种无线泛在环境下多中继节点非合作博弈的激励方案进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定两跳多中继节点联合转发的网络通信场景模型，通过环境感知技术获得源节点s、中继节点集R和目的节点d具体的位置分布信息，获得中继节点集R的中继节点个数N，获得各节点之间的信道状况信息包括源节点s和中继节点r_i∈R的信道增益中继节点r_i与目的节点d的信道增益源节点s和目的节点d的信道增益H_s,d，获得信道带宽W、目的节点d所受到其他节点的平均干扰Ω_int和噪声功率Ω_noise，设定目的节点d所能接受的最小信干比即目标信干比γ^tar值；

步骤2：由上述步骤1获取的各类信息分别建立源节点s和各中继节点的总收益函数模型：首先，建立源节点s的效用函数和代价函数,将多中继节点联合转发所获得的信道容量增量作为源节点s的效用函数，将源节点向多中继节点支付的总货币补偿作为源节点s的代价函数，故源节点s的总收益函数即为其效用函数和代价函数之差，进而得到源节点s的总收益函数模型为，

C_s,d＝Wlog₂(1+SNR_s,d)

其中，a表示源节点s获得单位信道容量增量的收益，C_s,r,d表示源节点s由多中继节点联合转发所获的信道容量，C_s,d表示源节点s直接向目的节点d发送数据时的信道容量，表示中继节点r_i提出的单位功率的补偿价格，SNR_s,d表示源节点s信号直接发送到目的节点d的信干比，表示源节点s信号经过中继节点r_i转发到目的节点d的信干比,P_s表示源节点s的发射功率,表示中继节点r_i的发射功率,表示保证信号发送到目的节点d时满足目标信干比的中继节点r_i的最低发送功率，p^max表示中继节点最大的发射功率；

其次，对每个中继节点r_i分别建立效用函数和代价函数，效用函数即源节点s对中继节点r_i的功率补偿而代价函数由中继节点发射功率和目的节点接收信干比构成，兼具公平性和有效性，故中继节点r_i的总收益函数即为其效用函数和代价函数之差，进而得到中继节点r_i的总收益函数模型为，

其中，表示中继节点r_i的代价函数，β_i表示权重因子，表示中继节点r_i信号直接发送到目的节点d的信干比；

步骤3：求解上述步骤2中的源节点s的总收益函数模型，即：在各中继节点提出的单位功率补偿价格给定的情况下，最大化源节点s的总收益函数,即可求解得出源节点s需要的各中继节点的最优发射功率

步骤4：将上述步骤3得出的源节点s需要的中继节点r_i的最优发射功率代入到上述步骤2中的中继节点r_i的总收益函数模型，求解得出中继节点r_i的最优单位功率补偿价格遍历各中继节点，求解得出所有中继节点的最优单位功率补偿价格

步骤5：采用非合作博弈理论证明源节点s需要的中继节点的最优发射功率集合和中继节点的最优单位功率补偿价格集合即为非合作博弈模型的纳什均衡解，故源节点s和各中继节点采取纳什均衡策略时各方的总收益函数均达到最大值。

2.根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述方法包括：设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，所述场景包括需要其他节点提供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点{r₁,r₂,r₃,…,r_N}和目的节点d，且各中继节点均转发源节点信号到目的节点。

3.根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述方法利用博弈论对源节点和多中继转发节点进行建模，根据通信质量指标和虚拟货币机制建立源节点和中继节点的总收益函数模型，并通过求解上述模型获得纳什均衡解。

4.根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述方法应用于无线泛在环境。