CN105142195B - 一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法 - Google Patents

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CN105142195B CN201510442896.3A CN201510442896A CN105142195B CN 105142195 B CN105142195 B CN 105142195B CN 201510442896 A CN201510442896 A CN 201510442896A CN 105142195 B CN105142195 B CN 105142195B
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Abstract

本发明公开了一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，基于Stackelberg博弈模型设计一个三方协作的资源分配方案。其中，基站能够为请求者确定其授权频段的初步划分以及确定所有参与通信协作的中继站的功率分配份额，而请求者和中继站则可在数据传输期间根据反馈的信息分别对初始分配带宽值和发射功率值进行动态调整。因而，能够进一步提高无线资源的利用率，且能显著改善源‑目的节点相距较远情况下的中继通信性能、降低网络整体能耗、提高系统接入容量，有利于优化无线资源配置并提升网络整体性能。

Description

一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源 分配方法
技术领域
本发明属于计算机网络应用和无线网络资源管理技术，特别涉及一种无线蜂窝网络环境下的基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法。
背景技术
随着大量无线多媒体应用的出现，无线终端的流量也在迅猛增长。诸如社交网的通告信息、智能交通网的流量信息发布、电子地图信息的更新、新闻推送等内容更新与分发应用，以及即拍即传等大容量视频文件的上传，导致无线终端需要处理和传输海量数据。
借助于多跳中继，传统蜂窝网能够改善覆盖区的通信质量和增加系统容量。伴随无线多媒体应用的出现，低功率的接入点，例如微微基站(pico base station)、毫微微基站(femto base stations)、中继站(relay)等，被引入到蜂窝系统来改善覆盖能力和提高系统容量。下一代蜂窝网络标准工作也在考虑接纳这种方案。多跳异构蜂窝网络也将成为未来无线网络的发展趋势。在这种网络中，无线终端既能通过单跳接入基站，也能通过预先部署的中继站以多跳的形式接入基站。
上述方案在带来益处的同时，也要求网络营运商投入巨资来部署和维护低功率基站和中继站。为了分担宏基站(macro base station)的流量，微微基站和毫微微基站通常通过独立的高速有线或无线链路连接到核心网络。因此，网络运营商需要投资建设和维护这些链路。由网络营运商部署的中继站需要有比较确切的位置信息的支持，以便于准确地部署这些中继站到实际需要的区域。这对网络营运商来说，该任务既十分关键又非常难以处理。
在一些户外场景(例如，大型体育运动会、大型商品交易会、大型节日庆典活动)，由于人流密度大，考虑选择密集人群中的合适无线终端来临时充当中继站的功能，不失为一种经济且有效的增加人群密集区域通信容量以及改善其边缘地带节点接入基站能力的方法。通信容量的提升来源于空间复用率的提高和单跳距离的减少。只要合理选择中继，可采用更小的发射功率来减少对邻近区域干扰以及减少能耗，同时，边缘地带节点接入基站能力可以做到不降反升。然而，这样的益处是消耗充当中继站功能的无线终端的有限资源为代价换来的。潜在的候选无线终端节点通常是自私的，因为它们可能分属于不同网络实体或运营组织，没有额外的激励机制，很难参与这样的通信协作。因此，足够诱人的货币激励或者其它任何形式的奖励机制的设立很有必要。
一种可行的选择是，发射源节点通过出让一部分自己的授权频段的使用权来激发其它无线终端节点在它们力所能及的范围内积极提供中继服务。出让的频段资源将在所有参与中继服务的无线终端之间，依据各自为提供中继服务而消耗的资源量进行分配。从发射源节点的角度看，该类节点在增加数据发送率的同时也提高了能量效率。原因在于，通过中继节点的帮助，发射源节点在适当减小发射功率的同时也能确保平均信噪比至少不下降，并能弥补出让部分频段的损失。从中继节点的角度看，该类节点能够免费使用发射源节点出让频段的某些份额来发射自己的数据，节省了网费开支，因而，存在参与通信协作的动机。从运营商的角度看，更多的节点，特别是蜂窝边缘地带的节点能高质量地将数据传输到基站，有利于提升基站的接入服务量、改善服务质量、增加营运收入，因而，存在为这种通信协作的建立提供帮助的动机。
尽管通过出让部分授权频段作为报酬的激励方式已经被应用于协作通信网络以及协作认知无线电网络中，但是在这些网络中的中继服务的特点是，一个或多个中继站并发地将源节点直接发送给它们的数据，再直接转发给目的节点。在源-目的节点之间距离很长的情况下，这种通信模式无法改善通信链路的传输质量。将多个中继站串联成中继路径，会有效缩短传输路径上通信链路的平均距离，在节省能量的同时也能达到减少节点之间相互干扰的目的。但现有方案并未考虑这种情况。除此之外，现有基于出让授权频段使用权的激励方案还存在如下问题：(1)中继站的选择要么采取基站负责的集中式方式，要么采用终端节点协同的分布式模式，无法充分利用两者的优势，而且也没有给出如何实现的具体解决方法。(2)对中继站的要求过高。例如，要求中继站在中继数据的同时，利用被出让的授权频段来同时发送自己的数据，而在实际应用中，也存在两者无法同时进行处理的情况，因而，中继站实际上就得不到报酬。要求终端能侦测到与其它终端之间信道增益的异构性，也并非每个终端都有能力做到。要求基站能准确跟踪所有用户在所有频段上的信道状态信息(Channel State Information,CSI)也将为基站增加极大的工作量。因此，急需提出一种应对上述问题的新方法。
发明内容
本发明给出了一种选择通信策略、确定中继节点、进行无线资源分配的整体解决方案。鉴于集中式实现模式会加重基站负担，而分布式实现模式会导致无线终端之间过高的通信负载，因而本发明结合两种实现模式的优点设计了一种混合式实现模式，并达到了将负载在基站、发射源、中继站之间进行合理分担的目的。
关于通信策略选择，接近基站的无线终端，应该选择直接传输策略(即直接将数据发送给基站)。若相距较远，则协作中继策略是一个可考虑的选择。更一步，若相距很远，则必须考虑多跳中继。后两种通信策略都需要确定中继节点。
关于中继节点确定，在协作通信模式下，被选择的中继节点都只需将数据直接转发给基站即可，因而，该类中继的选择相对容易，但在文献中也极少提及具体算法。在多跳中继通信模式下，不仅需要关注中继的服务能力，而且需要确定中继节点在中继路径上的位置是否适合(例如，中继的选择应尽量兼顾路径上各相邻节点间距离的相对均匀性和该路径上各通信链路的可视性(即通信双方在对方的视距范围内))。实现该功能的算法设计相对复杂，因而，需要提出一种具体设计方案。
关于无线资源分配，由于无线终端的自私性，必须要有足够诱惑力的激励机制来激励潜在中继节点参与资源分配的协作活动。一方面，发送源节点需要提供报酬给中继节点，另一方面，它需要选择能给它带来最大收益的无线节点充当中继。本发明基于Stackelberg博弈模型设计一种三方协作的无线资源分配方案。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，包括以下步骤：
步骤一：源节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，计算最优发射功率和数据发送速率，数据发送速率较优则选择直接通信策略，否则请求基站构建一条从该源节点到基站的中继路径，并测试中继路径后根据结果决定是否更新；
步骤二：中继节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，如果接收到候选中继节点的信息并同意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认包，否则维持现状不变，如果接收到来自基站的初步中继路径，则测试中继路径并根据结果决定是否更新，更新后对自身发射功率进行调整；
步骤三：基站若接收到任一潜在中继节点的信息，则查找确认中继信息后进行更新，若接收到某源节点的信息，则查找确认源节点信息后进行更新，若接收到构建中继路径的信息，则构建初步中继路径并广播到请求者和路径上所有的中继节点，并在预设时间内等待是否有在该初步中继路径上增加中继的请求，收到请求话则更新初步中继路径并进行广播。
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的步骤一的具体执行过程包括，
步骤1：源节点向基站报告自身身份标识和坐标，并接收来自基站的信息，包括坐标和噪声功率；
步骤2：若源节点与基站之间距离ds,d小于交叉距离dcrossover，则根据
计算源节点直接向基站发送数据的最优功率并根据
计算源节点直接向基站发送数据的速率否则，则根据
来计算最优发射功率和数据发送速率其中表示源节点向中继路径上第1个中继节点发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向中继路径上第1个中继节点发射数据的速率、表示当源节点向中继路径上第1个中继节点发射时该中继节点周围的环境噪声功率、表示源节点向基站发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时源节点向基站发射数据的速率、ds,d表示源节点与基站之间的距离、ns,d表示当源节点向基站发射时该基站周围的环境噪声功率、表示中继节点转发源节点数据包的速率、表示中继节点发送自己数据包的速率、表示第i个中继节点与基站之间的距离、di,rs表示第i个中继节点与其在中继路径上的下一跳节点之间的距离；
步骤3：若数据发送速率至少高于明显优于源节点期望的速率下限两倍，则首选直接通信策略，即源节点直接将数据发送给基站，然后返回步骤1；否则，请求基站构建一条从该源节点到基站的中继路径；
步骤4：若在预设时间内收到基站返回的初步中继路径，则执行步骤5；否则，直接执行步骤8
步骤5：发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤8；否则，在源节点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤6；
步骤6：若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤7；否则直接执行步骤8执行；
步骤7：若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源节点将这个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
步骤8：若在预设时间内收到来自基站的[βdown,βup]，则在该取值范围内为β赋一个具体值；
步骤9：若在预设时间内收到来自基站的更新的中继路径，则将β的值广播到该中继路径上的所有中继节点，然后返回步骤1
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的步骤二的具体执行过程包括，
步骤1：中继节点向基站报告自身身份标识和坐标、最大发射功率、噪声功率，并接收来自基站的信息，包括坐标、噪声功率；
步骤2：若收到来自基站的关于某个虚拟接入点的候选者信息，并在其中发现自身序号，则执行步骤3；否则，直接跳到步骤4；所述的候选者信息包括候选者的序号、频段的使用条件、以及虚拟接入点的坐标；当基站选中某节点作为候选者时，将其序号加入消息包中，
步骤3：若愿意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认包并执行步骤4；否则，返回步骤1；
步骤4：若在预设时间内收到来自基站的初步中继路径，则执行步骤5；否则返回步骤1；
步骤5：发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤8；否则，在源节点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤6；
步骤6：若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤7；否则直接执行步骤8执行；
步骤7：若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源节点将这个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
步骤8：若收到更新后的中继路径和该路径上所有中继节点的发射功率对组成的集合即或现有中继路径仍在使用，则执行步骤9～11；否则，直接执行步骤12；
步骤9：若发现中继源节点数据的链路帧成功率至少减少10％而发射自己数据的链路帧成功率几乎不变，则将增加ε而将减少ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点；否则，若发现发射自己数据的链路帧成功率至少减少10％而中继源节点数据的链路帧成功率几乎不变，则将减少ε而将增加ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点
步骤10：若接收到来自同一中继路径上其它中继节点的更新后的发射功率对，则更新自身发射功率对，并保存在中，然后执行步骤11；否则，直接执行步骤12；
步骤11：若更新前后的功率之差大于预设的很小正值δ，即或则将更新后的值作为当前值，即和并将这些当前值广播到同一中继路径上其它所有中继节点；
步骤12：返回步骤1。
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的步骤三中，基站构建初步中继路径的步骤包括：
步骤1：构建初步中继路径，通过基站信息、候选中继节点的信息集和源节点的信息，计算源节点与基站间的距离Ls,d、交叉距离dcrossover，根据Ls,d和dcrossover来估算中继路径上的链路数目Nrl、中继路径上平均链路长度Lav，根据Nrl求得虚拟中继点的数目Nrn，然后分别计算中继路径上所有虚拟中继点的坐标，并为所有虚拟中继点从候选中继节点找出相应的合适的中继节点，最后根据所有合适中继节点的信息构建并返回初步中继路径，所述的合适的中继节点具体是指，愿意替代某个虚拟中继点的所有候选中继节点中，距离该虚拟中继点最近的候选中继节点；
步骤2：初始化初步中继路径上所有中继节点的发送及转发功率，针对中继路径上每个中继节点与基站之间的距离计算初始效用值并划分功率，初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点，并根据效用值来确定最终的优化功率划分；
步骤3：根据步骤二得到的每个中继节点的功率划分，计算每个中继节点转发源节点数据包的速率，根据源节点与基站之间的距离Ls,d，计算源节点的向基站发送数据的功率，并计算源节点向基站发送数据的速率，最后分别保存源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的上、下限，以及取中继节点期望的速率下限时所有可利用的中继节点β值中的最小值，β表示频段B中被中继节点使用来转发源节点数据包的份额。
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的步骤1的具体执行过程包括，
步骤1)：使用公式计算源节点与基站之间的距离Ls,d。其中，(xs,ys)和(xd,yd)分别表示源节点和基站的坐标；
步骤2)：使用公式计算文献[1]中定义的交叉距离dcrossover。其中，ht和hr分别是发射天线和接收天线离地面的高度、λ是载波信号的波长、L是与传播无关的系统损耗因子；
步骤3)：使用公式估算中继路径上的链路数目Nrl，其中，符号的含义是取不大于的最大整数；
步骤4)：使用公式估算中继路径上平均链路长度Lav；
步骤5)：使用公式Nrn＝Nrl-1得到虚拟中继点的数目Nrn，虚拟中继点表示从中继节点间隔距离均衡的角度考虑，中继路径上中继节点的理想位置；
步骤6)：使用公式和分别 计算中继路径上所有虚拟中继点的x坐标和y坐标，其中，i表示第i个虚拟中继点；
步骤7)：针对每个虚拟中继点，反复执行步骤8～14为其找出合适的中继节点，若所有虚拟中继点遍历完，则继续执行步骤15；
步骤8)：从候选中继节点的信息集中至多选择3个最接近当前处理的虚拟中继点的候选节点；
步骤9)：将候选者的身份标识和它们的坐标值以及源节点出让的授权频段的使用条件等信息通告给这些候选者；
步骤10)：将定时器tτ的值设置为一个预设值τ，并启动该定时器；
步骤11)：若定时器未过期，反复执行步骤12，否则跳过该步骤；
步骤12)：若收到来自候选者的关于频段使用条件的确认，则选择一个步骤8中选择的候选者之一，即离虚拟中继点最近的候选节点作为中继；
步骤13)：若在定时器间隔内未收到任何候选者的反馈，则放宽频段的使用条件，并重新通告给同样的候选者；
步骤14)：返回执行步骤10；
步骤15)：根据候选者返回的信息，构建并返回初步中继路径。
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的优化功率划分的具体执行过程包括，
步骤1)：初始化中继路径上每个中继节点的发送自己数据包功率pi,rr和转发源节点数据包的功率pi,rs的值分别为其最大发射功率的一半；
步骤2)：针对中继路径上每个中继节点，执行步骤3为其计算初始效用值，若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤4；
步骤3)：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则根据
计算效用值，并保存在变量中；否则根据
计算效用值，并保存在变量中；其中，表示中继路径上第i个中继节点的效用值，pi,rs和pi,rr分别表示第i个中继节点用于中继数据包的功率和用于发送自己数据包的功率、B表示发射源节点申请的授权频段、β表示频段B中被中继节点使用来转发源节点数据包的份额、nbs表示基站周围的环境噪声功率、Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益、表示第i个中继节点与基站之间的距离、参数A表示初步中继路径上除第i个中继节点外的其它所有中继节点用于转发源节点数据包的功率之和，计算公式为 表示源节点s发射1比特数据到初步中继路径上第1个中继节点的能耗，计算公式为其中，表示源节点与第1个中继节点之间的距离、表示源节点与第1个中继节点之间的路径损耗指数、ω1表示发射器电子元器件能耗、ω2表示无线放大器能耗；
步骤4)：针对中继路径上每个中继节点，执行步骤5为其划分功率；若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤6；
步骤5)：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则调用函数解
来求得pi,rr的值、通过关系式获得pi,rs的值、并将使用公式(1)计算的效用值保存在变量中；否则，调用函数解
来获得pi,rs的值，并将使用公式(2)计算的效用值保存在变量中；
步骤6)：初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点；
步骤7)：若集合FLAG非空，则反复执行步骤8～9；否则执行步骤10；
步骤8)：针对集合FLAG中的每个中继节点，执行步骤9来为其确定最终的优化功率划分；
步骤9)：若不大于则将中继节点i从集合FLAG中删除；否则用中的值替换中的值，再调用函数来更新pi,rr，计算新的效用值，并保存在中；
步骤10)：针对中继路径上每个中继节点，将其当前功率划分作为最终的优化功率 划分，即
所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所述的步骤3的具体执行过程包括，
步骤1)：根据
计算中继路径上每个中继节点转发源节点数据包的速率，并将具有最小速率的中继节点的编号保存在变量k中；
步骤2)：若源节点与基站之间距离ds,d小于交叉距离即dcrossover，则根据
计算源节点直接向基站发送数据的最优功率以及根据
计算源节点直接向基站发送数据的速率否则，分别根据
分别进行计算；其中，，表示源节点向中继路径上第1个中继节点发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向中继路径上第1个中继节点发射数据的速率、表示当源节点向中继路径上第1个中继节点发射时，该中继节点周围的环境噪声功率、表示源节点向基站发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向基站发射数据的速率、ds,d表示源节点与基站之间的距离、ns,d表示当源节点向基站发射时，该基站周围的环境噪声功率、表示中继节点转发源节点数据包的速率、表示中继节点发送自己数据包的速率、表示第i个中继节点与基站之间的距离、di,rs表示第i个中继节点与其在中继路径上的下一跳节点之间的距离；
步骤3)：第k个中继节点的发送速率可以表示为
右边的表达项，其中包含参数β，若让该表达项等于源节点直接向基站发送数据的速率则可解得β的值，该β值是源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的下限，被保存在变量βs_down中以备后用；
步骤4)：根据
计算源节点向中继路径上第1个中继节点即与源节点相邻的中继节点，发送数据的优化发射功率并根据
计算相应的数据发送速率
步骤5)：第k个中继节点的发送速率可以表示为
右边的表达项，其中包含参数β，若让该表达项等于源节点向中继路径上第1个中继节点发送数据的速率则可解得β的值；
步骤6)：若该β值大于1，则取数值1，否则取该β值，作为源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的上限，被保存在变量βs_up中以备后用；
步骤7)：针对中继路径上的每个中继节点，若其与基站的距离例如小于交叉距离dcrossover，则其直接向基站发送数据的速率可以表示为
右边的表达项；否则，可表示为
右边的表达项，若让该表达项等于该中继节点期望的速率下限，则可解得β的值。将所有求解的中继节点β值中的最小值保存在变量βr_up中以备后用
步骤8)：从源节点角度考虑，参数β值的取值范围为[βs_down,βs_up]，而从中继节点角度考虑，参数β值的取值范围为(0,βr_up]，因此，该算法最终的输出结果应取两者的交集，即[βdown,βup]＝[βs_down,βs_up]∩(0,βr_up]。
本发明的有益效果具体体现在以下几个方面：
1)本发明能够显著改善源-目的节点相距较远情况下的中继通信性能、降低网络整体能耗、提高系统接入容量。
2)本发明能够在基站的协助下确定请求者(即发送源)的通信策略(例如，直接传输模式、协作中继模式、多跳中继模式)，并能根据无线网络环境的变化进行动态调整。因而，有利于优化无线资源配置并提升网络整体性能。
3)本发明能够为多跳中继模式下的数据传输构建合适的中继路径而无需知道具体的CSI值，且路径构建的开销能够在基站、请求者、相关的中继站之间进行合理分担。因而，降低了对无线终端参与通信协作的门槛和每个参与者的协作开销。
4)本发明基于Stackelberg博弈模型设计一个三方协作的资源分配方案。其中，基站能够为请求者确定其授权频段的初步划分以及确定所有参与通信协作的中继站的功率分配份额，而请求者和中继站则可在数据传输期间根据反馈的信息分别对初始分配带宽值和发射功率值进行动态调整。因而，能够进一步提高无线资源的利用率。
附图说明
图1为为中继节点的平均效用随节点数量变化的趋势；
图2为中继节点的平均数据率随节点数量变化的趋势；
图3为中继节点的平均中继功率随节点数量变化的趋势；
图4为中继节点的平均传输功率随节点数量变化的趋势；
图5为源节点效用随节点数量变化的趋势；
图6为源节点数据率随节点数量变化的趋势；
图7为源节点发射功率随节点数量变化的趋势；
图8为通信开销随节点数量变化的趋势。
具体实施方式
本发明提出的整体方案由如下六个算法构成。
算法1：构建初步中继路径。
该算法运行在基站上。
输入参数：候选中继节点的信息集(例如Rk)和源节点的信息(例如sk)。其中，Rk是一个集合，保存基站接收天线的第k个接收扇区覆盖的所有候选中继节点的信息；sk是一个变量，保存基站接收天线的第k个接收扇区覆盖的某源节点的信息。
输出结果：初步中继路径
1、使用公式计算源节点与基站之间的距离Ls,d。其中，(xs,ys)和(xd,yd)分别表示源节点和基站的坐标。
2、使用公式计算文献[1]中定义的交叉距离dcrossover。其中，ht和hr分别是发射天线和接收天线离地面的高度(两者通常取值都为1m)、λ是载波信号的波长(通常取值为0.1224m)、L是与传播无关的系统损耗因子(通常取值为1)。
3、使用公式估算中继路径上的链路数目Nrl。其中，符号的含义是取不大于的最大整数。
4、使用公式估算中继路径上平均链路长度Lav。
5、使用公式Nrn＝Nrl-1得到虚拟中继点的数目Nrn。在这里，虚拟中继点表示中继路径上中继节点的理想位置(从中继节点间隔距离均衡的角度考虑)。
6、使用公式和分别计算 中继路径上所有虚拟中继点的x坐标和y坐标。其中，i表示第i个虚拟中继点。
7、针对每个虚拟中继点，反复执行步骤8～14为其找出合适的中继节点。若所有虚拟中继点遍历完，则继续执行步骤15。
8、从候选中继节点的信息集(例如Rk)中至多选择3个最接近当前处理的虚拟中继点的候选节点。
9、将候选者的身份标识和它们的坐标值以及源节点出让的授权频段的使用条件等信息通告给这些候选者。
10、将定时器tτ的值设置为一个预设值τ，并启动该定时器。
11、若定时器未过期，反复执行步骤12，否则跳过该步骤。
12、若收到来自候选者的关于频段使用条件的确认，则选择一个离虚拟中继点最近的候选节点(即步骤8中选择的候选者之一)作为中继。
13、若在定时器间隔内未收到任何候选者的反馈，则放宽频段的使用条件，并重新通告给同样的候选者。
14、返回步骤10执行。
15、根据候选者返回的信息，构建并返回初步中继路径。
在算法1提到的频段使用条件是特指中继节点使用源节点出让的频段的条件。这里从苛刻到宽松，共设置了四个条件：(1)中继节点必须在源节点使用其未出让频段的同时使用其出让的频段，否则需要支付费用才可继续使用(即中继节点使用时间必须与源节点同步，否则需要为不同步的使用期支付100％的费用)；(2)允许不同步但必须为不同步的使用期支付50％的费用；(3)允许不同步但必须为不同步的使用期支付30％的费用；(4)允许不同步且无需支付任何费用。
算法2涉及到如下公式
在公式(1)、(2)、(3)和(4)中，表示中继路径上第i个中继节点的效用值(即节点 获益程度的一种度量)，pi,rs和pi,rr分别表示第i个中继节点用于中继数据包的功率和用于 发送自己数据包的功率(通常取值为两者之和不大于中继节点的最大发射功率)、B表示发 射源节点申请的授权频段(取值受网络运营商规则约束)、β表示频段B中被中继节点使用来 转发源节点数据包的份额(通常取值范围为0<β<1)、nbs表示基站周围的环境噪声功率(通常 根据经验取值)、Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益(两者通常取值都为1)、表示 第i个中继节点与基站之间的距离、参数A表示初步中继路径上除第i个中继节点外的其它 所有中继节点用于转发源节点数据包的功率之和(计算公式为表示 源节点s发射1比特数据到初步中继路径上第1个中继节点的能耗(计算公式为其中，表示源节点与第1个中继节点之间的距离、表示源 节点与第1个中继节点之间的路径损耗指数、ω1表示发射器电子元器件能耗(通常取值为 26.5nJ/bit)、ω2表示无线放大器能耗(常取值为
此外，算法2用到了二分法求解方程的解的方法。为方便起见，在本发明中，使用函数Dich_Fun(0,p,δ)表示二分法的实现。该函数的参数有：二分法搜索方程解的范围(即不小于0且不大于p(p通常取值为节点的最大发射功率))、搜索结束的条件δ(通常取值为一个很小的正数)。
算法2：中继节点的功率划分。
该算法运行在基站上。
输入参数：搜索结束的条件δ，中继路径上所有中继节点的最大发射功率(即集合中的信息，其中，n为中继节点的数量，为第i个中继节点的最大发射功率)。
输出结果：中继路径上所有中继节点的功率划分(即集合中存储的信息，其中，为第i个中继节点发送自己数据包的优化功率，为第i个中继节点转发源节点数据包的优化功率)。
1、初始化中继路径上每个中继节点(例如i)的发送自己数据包功率pi,rr和转发源节点数据包的功率pi,rs的值分别为其最大发射功率的一半。
2、针对中继路径上每个中继节点(例如i)，执行步骤3为其计算初始效用值。若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤4。
3、若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则使用公式(1)计算效用值，并保存在变量中；否则使用公式(2)计算效用值，并保存在变量中。
4、针对中继路径上每个中继节点(例如i)，执行步骤5为其划分功率。若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤6。
5、若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则调用函数来获得方程(3)的解(即pi,rr的值)、通过关系式获得pi,rs的值、并将使用公式(1)计算的效用值保存在变量中；否则，调用函数来获得方程(4)的解、获得pi,rs的值、并将使用公式(2)计算的效用值保存在变量中。
6、初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点。
7、若集合FLAG非空，则反复执行步骤8～9；否则执行步骤10。
8、针对集合FLAG中的每个中继节点(例如i)，执行步骤9来为其确定最终的优化功率划分。
9、若不大于则将中继节点i从集合FLAG中删除；否则用中的值替换中的值，再调用函数来更新pi,rr、计算新的效用值、并保存在中。
10、针对中继路径上每个中继节点(例如i)，将其当前功率划分作为最终的优化功 率划分，即
算法3涉及到如下公式
在公式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)和(13)中，表示源节点向中继路径上第1个中继节点发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向中继路径上第1个中继节点发射数据的速率、表示当源节点向中继路径上第1个中继节点发射时，该中继节点周围的环境噪声功率(通常根据经验取值)、表示源节点向基站发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向基站发射数据的速率、ds,d表示源节点与基站之间的距离、ns,d表示当源节点向基站发射时，该基站周围的环境噪声功率(通常根据经验取值)、表示中继节点转发源节点数据包的速率、表示中继节点发送自己数据包的速率、表示第i个中继节点与基站之间的距离、di,rs表示第i个中继节点与其在中继路径上的下一跳节点之间的距离。
算法3：源节点授权频段的划分。
该算法运行在基站上。
输入参数：即算法2的输出结果。
输出结果：β的取值范围[βdown,βup]，其中，βdown和βup分别是β可取得的最小值和最大值。
1、使用公式(11)计算中继路径上每个中继节点(例如i)转发源节点数据包的速率(例如)，并将具有最小速率的中继节点的编号保存在变量k中。
2、若源节点与基站之间距离(即ds,d)小于交叉距离(即dcrossover)，则使用公式(7)计算源节点直接向基站发送数据的最优功率(即)，以及使用公式(8)计算源节点直接向基站发送数据的速率(即)；否则，分别使用公式(9)和(10)进行计算。
3、第k个中继节点的发送速率可以表示为公式(11)右边的表达项，其中包含参数β。若让该表达项等于源节点直接向基站发送数据的速率则可解得β的值。该β值是源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的下限，被保存在变量βs_down中以备后用。
4、使用公式(5)计算源节点向中继路径上第1个中继节点(即与源节点相邻的中继节点)发送数据的优化发射功率(即)，并使用公式(6)计算相应的数据发送速率(即)。
5、第k个中继节点的发送速率可以表示为公式(11)右边的表达项，其中包含参数β。若让该表达项等于源节点向中继路径上第1个中继节点发送数据的速率则可解得β的值。
6、若该β值大于1，则取数值1，否则取该β值，作为源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的上限，被保存在变量βs_up中以备后用。
7、针对中继路径上的每个中继节点(例如i)，若其与基站的距离(例如)小于交叉距离(即dcrossover)，则其直接向基站发送数据的速率(例如)可以表示为公式(12)右边的表达项；否则，可表示为公式(13)右边的表达项。若让该表达项等于该中继节点期望的速率下限(例如通常根据网络应用场景取经验值)，则可解得β的值。将所有求解的中继节点β值中的最小值保存在变量βr_up中以备后用。
8、从源节点角度考虑，参数β值的取值范围为[βs_down,βs_up]，而从中继节点角度考虑，参数β值的取值范围为(0,βr_up]，因此，该算法最终的输出结果应取两者的交集，即[βdown,βup]＝[βs_down,βs_up]∩(0,βr_up]。
算法4：通信策略选择和带宽调整。
该算法运行在源节点上。
输入参数：无。
输出结果：调整后的带宽分配。
1、向基站报告自身身份标识和其它相关信息(例如，坐标)。
2、接收来自基站的信息(例如，坐标，噪声功率)。
3、若源节点与基站之间距离(即ds,d)小于交叉距离(即dcrossover)，则使用公式(7)计算源节点直接向基站发送数据的最优功率(即)，以及使用公式(8)计算源节点直接向基站发送数据的速率(即)；否则，分别使用公式(9)和(10)计算最优发射功率和数据发送速率。
4、若数据发送速率明显优于(如高于两倍)源节点期望的速率下限(例如cs,E，通常根据网络应用场景取经验值)，则首选直接通信策略(即源节点直接将数据发送给基站)，然后返回步骤1；否则，请求基站构建一条从该源节点到基站的中继路径。
5、若在预设时间内收到基站返回的初步中继路径，则执行步骤6；否则，直接跳到步骤9执行。
6、发送测试包来获得该路径上源节点的邻接链路的质量。若在预设时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接跳到步骤9；否则，在源节点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤7。
7、若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤8；否则直接跳到步骤9执行。
8、若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则它将这个新中继的信息发送给基站；否则，它仅需向基站发送确认包。
9、若在预设时间内收到来自基站的[βdown,βup]，则在该取值范围内为β赋一个具体值。
10、若在预设时间内收到来自基站的更新的中继路径，则将β的值广播到该中继路径上的所有中继节点，然后返回步骤1。
算法5：参与中继服务与调整发射功率。
运行在任一中继节点(例如k)上。
输入参数：很小的正数ε和δ。
输出结果：更新的发射功率对
1、向基站报告自身身份标识和其它相关信息(例如，坐标、最大发射功率、噪声功率)。
2、接收来自基站的信息(例如，坐标，噪声功率)。
3、若收到某个虚拟接入点的候选者信息，并在其中发现自身序号(例如k)，则执行步骤4；否则，直接跳到步骤5。
4、若愿意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认包；否则，返回步骤1。
5、若在预设时间内收到来自基站的初步中继路径，则执行与算法4中的步骤6～8相同的操作。
6、若收到更新后的中继路径和该路径上所有中继节点的发射功率对组成的集合(即或现有中继路径仍在使用，则执行步骤7～9；否则，直接跳到步骤10执行。
7、若发现中继源节点数据的链路帧成功率明显变小(至少减小10％以上)而发射自己数据的链路帧成功率几乎不变，则将增加ε而将减少ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点；否则，若发现发射自己数据的链路帧成功率明显变小(至少减小10％以上)而中继源节点数据的链路帧成功率几乎不变，则将减少ε而将增加ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点。
8、若接收到来自同一中继路径上其它中继节点(例如i)的更新后的发射功率对(例如则使用算法2中更新发射功率对的相同方法更新自身发射功率对，并保存在中，然后执行步骤9；否则，直接跳到步骤10执行。
9、若更新前后的功率之差大于预设的很小正值δ(即或则将更新后的值作为当前值(即和)，并将这些当前值广播到同一中继路径上其它所有中继节点。
10、返回步骤1。
算法6：协调源节点和潜在中继节点的工作。
运行在基站上。
输入参数：无。
输出结果：源节点出让频段份额的取值范围[βdown,βup],以及选定中继路径上所有 中继节点发射功率对的集合
1、若收到来自任一潜在中继节点的信息，则根据方向天线接收扇区的编号(例如i)查找相应的中继信息集合(例如Ri)，然后执行步骤2；否则，直接跳到步骤3。
2、若信息项已在集合Ri中，则更新其内容；否则，将该信息项加入集合Ri中。
3、若接收到来自某源节点的信息，则根据方向天线接收扇区的编号(例如j)查找相应的源节点信息变量(例如sj)，然后执行步骤4；否则，直接跳到步骤5。
4、使用接收到的新信息替换变量sj中的原有信息。
5、广播自身信息(例如，坐标，噪声功率)。
6、若从方向天线某接收扇区(例如，编号为k的接收扇区)收到构建中继路径的请求，则查找相应的集合Rk和变量sk，然后执行步骤7～8；否则，直接跳到步骤9。
7、使用集合Rk和变量sk的信息作为输入参数，调用算法1来构建初步中继路径。
8、将构建的初步中继路径广播到请求者(即源节点)和该路径上的所有中继节点。
9、将定时器tτ的值设置为一个预设值τ。
10、若定时器tτ未过期，反复执行步骤11；否则，直接跳到步骤12。
11、若接收到在初步中继路径上增加中继的请求，则更新该路径。
12、调用算法2来获得
13、广播和更新后的中继路径给所有的相关中继节点。
14、调用算法3来获得[βdown,βup]。
15、发送[βdown,βup]和更新后的中继路径给请求者(即源节点)。
16、返回步骤1。
考虑一个半径为500m的宏蜂窝小区，宏基站位于小区中心。为方便，仅设置仿真场景为其中一个角度为120°的扇形区域，因此，宏基站接收天线的角度设置为120°即可。无线节点随机分布在这个扇形区域内。下面仿真结果都是针对五种不同无线节点随机分布图的仿真结果的平均值。固定仿真参数见表1。
表1仿真参数设置
除了上述固定仿真参数外，还有一些可改变的参数，主要参数包括：(1)节点数量；(2)带宽分配比例β的取值。在仿真中，节点数量的变化范围是从100到400之间，每次递增50个。带宽分配比例的高β值、中β值、低β值的具体设置原则为：算法3得到的β取值范围的上限值、中间值、四分之一处的值。
主要的性能度量指标包括：(1)中继平均效用；(2)源节点效用；(3)中继平均数据率；(4)源节点数据率；(5)中继平均中继功率；(6)中继平均传输功率；(7)源节点发射功率；(8)通信开销。
采用OMNeT++4.1网络仿真器，通过设置源节点与基站的距离为500m，考察节点数量的变化对上述性能度量指标的影响。
正如图1～2所示，随着节点数量的增加，中继的平均效用和数据率总体上呈现上升的趋势，同时也存在一些微小波动。这说明蜂窝小区中的节点密度越大，越有利于选择更合适的中继，更易达到协作共赢的目的。但是毕竟节点密度越大，节点间的潜在干扰也越大，因而也会随潜在干扰的随机发生而产生一些微小的波动。干扰的变化会导致信号干扰噪声比的变化，根据香农定理可知，数据传输率也会随之变化。
图3～4显示中继节点的平均中继功率和传输功率几乎不随节点密度变化。这是因为，所有节点都基于相同博弈关系进行功率划分，且它们的总功率值也都相同。因此，无论选择那些节点作为中继，在这两个指标上的区分度都很微小。
图5～6显示源节点的效用和数据率呈现先降后升的趋势。这是因为，一方面，相对小的节点密度对源节点的发射行为干扰会相对小；另一方面，当节点密度足够高，则有利于选出足够好的中继路径，从而缓减了中继路径上的瓶颈链路对源节点效用和数据率的限制。
从图7可以看到，源节点的发射功率随着节点密度的增加呈下降趋势，说明节点越多，源节点更有机会选择到更合适的中继，有利于节省它的发射功率。但是，随着节点密度的进一步增加，源节点功率又略有上升。这主要是因为节点之间潜在的相互干扰增加更快，抵消了更合适中继带来的益处。图8显示了通信开销与节点数量成正比。这是因为节点越多，基站与它们之间的通信量也相应地增多。
从前文建模及理论分析可知，不同的源节点频带分配比例值仅影响中继的平均效用和数据率。从中继的效用计算公式(1)或(2)以及其数据率的计算公式(12)或(13)也可看到，中继的平均效用和数据率与频带分配比例β的值成反比。
图1～8中所显示的仿真结果也表明，只有中继节点的效用和数据率与β有关，而其他度量指标都与之无关。由于β是中继节点转发源节点数据占用的带宽比例，β越大，则中继节点传输自己数据的带宽比例(即1 β)越小，因此其效用和数据率也越小。

Claims (3)

1.一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：源节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，计算最优发射功率和数据发送速率，数据发送速率较优则选择直接通信策略，否则请求基站构建一条从该源节点到基站的中继路径，并测试中继路径后根据结果决定是否更新；
步骤二：中继节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，如果接收到候选中继节点的信息并同意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认包，否则维持现状不变，如果接收到来自基站的初步中继路径，则测试中继路径并根据结果决定是否更新，更新后对自身发射功率进行调整；
步骤三：基站若接收到任一潜在中继节点的信息，则查找确认中继信息后进行更新，若接收到某源节点的信息，则查找确认源节点信息后进行更新，若接收到构建中继路径的信息，则构建初步中继路径并广播到请求者和路径上所有的中继节点，并在预设时间内等待是否有在该初步中继路径上增加中继的请求，收到请求话则更新初步中继路径并进行广播；
所述的步骤一的具体执行过程包括，
步骤1：源节点向基站报告自身身份标识和坐标，并接收来自基站的信息，包括坐标和噪声功率；
步骤2：若源节点与基站之间距离ds，d小于交叉距离dcrossover，则根据
计算源节点直接向基站发送数据的最优功率并根据
计算源节点直接向基站发送数据的速率否则，则根据
来计算最优发射功率和数据发送速率其中表示源节点向基站发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时源节点向基站发射数据的速率、ds,d表示源节点与基站之间的距离、ns,d表示当源节点向基站发射时该基站周围的环境噪声功率、ht和hr分别是发射天线和接收天线离地面的高度，λ是载波信号波长，B表示发射源节点申请的授权频段，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，L是系统损耗因子；步骤3：若数据发送速率至少高于源节点期望的速率下限两倍，则首选直接通信策略，即源节点直接将数据发送给基站，然后返回步骤1；否则，请求基站构建一条从该源节点到基站的中继路径；
步骤4：若在预设时间内收到基站返回的初步中继路径，则执行步骤5；否则，直接执行步骤8；
步骤5：发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤8；否则，在源节点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤6；
步骤6：若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤7；否则直接执行步骤8；
步骤7：若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源节点将这个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
步骤8：若在预设时间内收到来自基站的[βdown,βup]，则在该取值范围内为β赋一个具体值，其中βdown和βup分别是β可取得的最小值和最大值，β取值范围为不小于βdown且不大于βup；
步骤9：若在预设时间内收到来自基站的更新的中继路径，则将β的值广播到该中继路径上的所有中继节点，然后返回步骤1；
所述的步骤二的具体执行过程包括，
步骤①：中继节点向基站报告自身身份标识和坐标、最大发射功率、噪声功率，并接收来自基站的信息，包括坐标、噪声功率；
步骤②：若收到来自基站的关于某个虚拟接入点的候选者信息，并在其中发现自身序号，则执行步骤③；否则，直接跳到步骤④；所述的候选者信息包括候选者的序号、频段的使用条件、以及虚拟接入点的坐标；当基站选中某节点作为候选者时，将其序号加入消息包中；
步骤③：若愿意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认包并执行步骤④；否则，返回步骤1)；其中频段使用条件是特指中继节点使用源节点出让的频段的条件；这里从苛刻到宽松，共设置了四个条件：(1)中继节点必须在源节点使用其未出让频段的同时使用其出让的频段，否则需要支付费用才可继续使用，即中继节点使用时间必须与源节点同步，否则需要为不同步的使用期支付100％的费用；(2)允许不同步但必须为不同步的使用期支付50％的费用；(3)允许不同步但必须为不同步的使用期支付30％的费用；(4)允许不同步且无需支付任何费用；
步骤④：若在预设时间内收到来自基站的初步中继路径，则执行步骤⑤；否则返回步骤①；
步骤⑤：发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤⑧；否则，在源节点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤⑥；
步骤⑥：若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤⑦；否则直接执行步骤⑧执行；
步骤⑦：若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源节点将这个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
步骤⑧：若收到更新后的中继路径和该路径上所有中继节点的发射功率对组成的集合即或现有中继路径仍在使用，则执行步骤否则，直接执行步骤其中是一个中继节点i的一对发射功率，表示节点i用于发送自身数据的发射功率，而表示节点i用于转发源节点数据的发射功率；
步骤⑨：若发现中继源节点数据的链路帧成功率至少减少10％而发射自己数据的链路帧成功率几乎不变，则将增加ε而将减少ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点，其中ε是功率调节的步长，取值为节点最大发射功率的0.1％；否则，若发现发射自己数据的链路帧成功率至少减少10％而中继源节点数据的链路帧成功率几乎不变，则将减少ε而将增加ε，然后将更新后的和广播到同一中继路径上其它所有中继节点；
步骤⑩：若接收到来自同一中继路径上其它中继节点的更新后的发射功率对，则更新自身发射功率对，并保存在中，然后执行步骤否则，直接执行步骤
其中更新自身发射功率对包括以下步骤：
步骤1)：初始化中继路径上每个中继节点的发送自己数据包功率pi,rr和转发源节点数据包的功率pi,rs的值分别为其最大发射功率的一半；
步骤2)：针对中继路径上每个中继节点，执行后续步骤3)为其计算初始效用值，若所有中继节点遍历完，则继续执行后续步骤4)；
步骤3)：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则根据
计算效用值，并保存在变量中；否则根据
计算效用值，并保存在变量中；其中，表示中继路径上第i个中继节点的效用值，pi,rs和pi,rr分别表示第i个中继节点用于中继数据包的功率和用于发送自己数据包的功率、B表示发射源节点申请的授权频段、β表示频段B中被中继节点使用来转发源节点数据包的份额、nbs表示基站周围的环境噪声功率、Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益、表示第i个中继节点与基站之间的距离、参数A表示初步中继路径上除第i个中继节点外的其它所有中继节点用于转发源节点数据包的功率之和，计算公式为 表示源节点s发射1比特数据到初步中继路径上第1个中继节点的能耗，计算公式为其中，表示源节点与第1个中继节点之间的距离、表示源节点与第1个中继节点之间的路径损耗指数、ω1表示发射器电子元器件能耗、ω2表示无线放大器能耗；
步骤4)：针对中继路径上每个中继节点，执行步骤5为其划分功率；若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤6；
步骤5)：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则调用函数解
来求得pi，rr的值、通过关系式获得pi，rs的值、并将使用公式(1)计算的效用值保存在变量中；否则，调用函数解
来获得pi，rs的值，并将使用公式(2)计算的效用值保存在变量中；
其中，函数Dich_Fun(0，p，δ)是一种二分法的实现方法，函数的参数有：二分法搜索方程解的范围，即不小于0且不大于 为节点的最大发射功率，搜索结束的条件δ，δ取最大发射功率p值的0.1％；
步骤6)：初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点，将一条路径上的所有中继节点的信息即节点标号加入至集合FLAG中；
步骤7)：若集合FLAG非空，则反复执行步骤8～9；否则执行步骤10；
步骤8)：针对集合FLAG中的每个中继节点，执行步骤9来为其确定最终的优化功率划分；
步骤9)：若不大于则将中继节点i从集合FLAG中删除；否则用中的值替换中的值，再调用函数来更新pi,rr，计算新的效用值，并保存在中；
步骤10)：针对中继路径上每个中继节点，将其当前功率划分作为最终的优化功率划分，即
步骤若更新前后的功率之差大于预设的很小正值δ，即或δ取值为节点最大发射功率的0.1％，则将更新后的值作为当前值，即和并将这些当前值广播到同一中继路径上其它所有中继节点；
步骤返回步骤①；
步骤三中：基站若接收到任一潜在中继节点的信息，则查找确认中继信息后进行更新的步骤包括：
I、若收到来自任一潜在中继节点的信息，则根据方向天线接收扇区的编号查找相应的中继信息集合，然后执行步骤Ⅱ；否则，直接跳到步骤Ⅲ；
Ⅱ、若信息项已在中继信息集合i中，则更新其内容；否则，将该信息项加入中继信息集合中；
Ⅲ、若接收到来自某源节点的信息，则根据方向天线接收扇区的编号查找相应的源节点信息变量，然后执行步骤Ⅳ；否则，直接跳到步骤Ⅴ；
Ⅳ、使用接收到的新信息替换变量sj中的原有信息；
Ⅴ、广播自身信息；
步骤三中：在预设时间内等待是否有在该初步中继路径上增加中继的请求，收到请求话则更新初步中继路径并进行广播的步骤包括：
a、若收到构建中继路径的请求，则查找相应的集合和变量，然后执行步骤b～c；否则，直接跳到步骤d；
b、使用集合和变量的信息作为输入参数，构建初步中继路径；
c、将构建的初步中继路径广播到请求者即源节点和该路径上的所有中继节点；
d、将定时器tτ的值设置为一个预设值τ；
e、若定时器tτ未过期，反复执行步骤f；否则，直接跳到步骤g；
f、若接收到在初步中继路径上增加中继的请求，则更新该路径；
g、计算
h、广播和更新后的中继路径给所有的相关中继节点；
i、计算[βdown,βup]；
j、发送[βdown,βup]和更新后的中继路径给请求者即源节点；
k、返回步骤a。
2.根据权利要求1所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，其特征在于，所述的步骤三中，基站构建初步中继路径的步骤包括：
步骤㈠：构建初步中继路径，通过基站信息、候选中继节点的信息集和源节点的信息，计算源节点与基站间的距离Ls,d、交叉距离dcrossover，根据Ls，d和dcrossover来估算中继路径上的链路数目Nrl、中继路径上平均链路长度Lav，根据Nrl求得虚拟中继点的数目Nrn，然后分别计算中继路径上所有虚拟中继点的坐标，并为所有虚拟中继点从候选中继节点找出相应的合适的中继节点，最后根据所有合适中继节点的信息构建并返回初步中继路径，所述的合适的中继节点具体是指，愿意替代某个虚拟中继点的所有候选中继节点中，距离该虚拟中继点最近的候选中继节点；
步骤㈡：初始化初步中继路径上所有中继节点的发送及转发功率，针对中继路径上每个中继节点与基站之间的距离计算初始效用值并划分功率，初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点，并根据效用值来确定最终的优化功率划分；
步骤㈢：根据步骤二得到的每个中继节点的功率划分，计算每个中继节点转发源节点数据包的速率，根据源节点与基站之间的距离Ls，d，计算源节点的向基站发送数据的功率，并计算源节点向基站发送数据的速率，最后分别保存源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的上、下限，以及取中继节点期望的速率下限时所有可利用的中继节点β值中的最小值，β表示频段B中被中继节点使用来转发源节点数据包的份额；
其中所述的优化功率划分的具体执行过程包括，
步骤⑴：初始化中继路径上每个中继节点的发送自己数据包功率pi，rr和转发源节点数据包的功率pi，rs的值分别为其最大发射功率的一半；
步骤⑵：针对中继路径上每个中继节点，执行后续步骤⑶为其计算初始效用值，若所有中继节点遍历完，则继续执行后续步骤⑷；
步骤⑶：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则根据
计算效用值，并保存在变量中；否则根据
计算效用值，并保存在变量中；其中，表示中继路径上第i个中继节点的效用值，pi,rs和pi，rr分别表示第i个中继节点用于中继数据包的功率和用于发送自己数据包的功率、B表示发射源节点申请的授权频段、β表示频段B中被中继节点使用来转发源节点数据包的份额、nbs表示基站周围的环境噪声功率、Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益、表示第i个中继节点与基站之间的距离、参数A表示初步中继路径上除第i个中继节点外的其它所有中继节点用于转发源节点数据包的功率之和，计算公式为 表示源节点s发射1比特数据到初步中继路径上第1个中继节点的能耗，计算公式为其中，表示源节点与第1个中继节点之间的距离、表示源节点与第1个中继节点之间的路径损耗指数、ω1表示发射器电子元器件能耗、ω2表示无线放大器能耗；
步骤⑷：针对中继路径上每个中继节点，执行步骤⑸为其划分功率；若所有中继节点遍历完，则继续执行步骤⑹；
步骤⑸：若第i个中继节点与基站之间的距离小于交叉距离dcrossover，则调用函数解
来求得pi,rr的值、通过关系式pi,rs＝pri,max-pi,rr获得pi,rs的值、并将使用公式(1)计算的效用值保存在变量中；否则，调用函数解
来获得pi,rs的值，并将使用公式(2)计算的效用值保存在变量中；
其中，函数Dich_Fun(0,p,δ)是一种二分法的实现方法，函数的参数有：二分法搜索方程解的范围，即不小于0且不大于为节点的最大发射功率，搜索结束的条件δ，δ取最大发射功率p值的0.1％；
步骤⑹：初始化集合FLAG的值为包含中继路径上所有中继节点，将一条路径上的所有中继节点的信息即节点标号加入至集合FLAG中；
步骤⑺：若集合FLAG非空，则反复执行步骤⑻～⑼；否则执行步骤⑽；
步骤⑻：针对集合FLAG中的每个中继节点，执行步骤⑼来为其确定最终的优化功率划分；
步骤⑼：若不大于则将中继节点i从集合FLAG中删除；否则用中的值替换中的值，再调用函数来更新pi,rr，计算新的效用值，并保存在中；
步骤⑽：针对中继路径上每个中继节点，将其当前功率划分作为最终的优化功率划分，即
所述的步骤3的具体执行过程包括，
步骤㈠：根据
计算中继路径上每个中继节点转发源节点数据包的速率，并将具有最小速率的中继节点的编号保存在变量k中；
步骤㈡：若源节点与基站之间距离ds，d小于交叉距离即dcrossover，则根据
计算源节点直接向基站发送数据的最优功率以及根据
计算源节点直接向基站发送数据的速率否则，分别根据
分别进行计算；其中，表示源节点向中继路径上第1个中继节点发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向中继路径上第1个中继节点发射数据的速率、表示当源节点向中继路径上第1个中继节点发射时，该中继节点周围的环境噪声功率、表示源节点向基站发射时采用的被优化的发射功率、表示当被采用时，源节点向基站发射数据的速率、ds，d表示源节点与基站之间的距离、ns，d表示当源节点向基站发射时，该基站周围的环境噪声功率、表示中继节点转发源节点数据包的速率、表示中继节点发送自己数据包的速率、表示第i个中继节点与基站之间的距离、di，rs表示第i个中继节点与其在中继路径上的下一跳节点之间的距离；
步骤㈢：第k个中继节点的发送速率可以表示为
右边的表达项，其中包含参数β，若让该表达项等于源节点直接向基站发送数据的速率则可解得β的值，该β值是源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的下限，被保存在变量βs_down中以备后用；
步骤㈣：根据
计算源节点向中继路径上第1个中继节点即与源节点相邻的中继节点，发送数据的优化发射功率并根据
计算相应的数据发送速率
步骤㈤：第k个中继节点的发送速率可以表示为
右边的表达项，其中包含参数β，若让该表达项等于源节点向中继路径上第1个中继节点发送数据的速率则可解得β的值；
步骤㈥：若该β值大于1，则取数值1，否则取该β值，作为源节点要求中继节点用于转发源节点数据的频段份额的上限，被保存在变量βs_up中以备后用；
步骤㈦：针对中继路径上的每个中继节点，若其与基站的距离例如小于交叉距离dcrossover，则其直接向基站发送数据的速率可以表示为
右边的表达项；否则，可表示为
右边的表达项，若让该表达项等于该中继节点期望的速率下限，则可解得β的值，将所有求解的中继节点β值中的最小值保存在变量βr_up中以备后用；
步骤㈧：从源节点角度考虑，参数β值的取值范围为[βs_down,βs_up]，而从中继节点角度考虑，参数β值的取值范围为(0,βr_up]，因此，该算法最终的输出结果应取两者的交集，即[βdown,βup]＝[βs_down,βs_up]∩(0,βr_up]。
3.根据权利要求2所述的一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，其特征在于，所述的步骤1的具体执行过程包括，
步骤A：使用公式计算源节点与基站之间的距离Ls,d，其中，(xs,ys)和(xd,yd)分别表示源节点和基站的坐标；
步骤B：使用公式计算交叉距离dcrossover，其中，ht和hr分别是发射天线和接收天线离地面的高度、λ是载波信号的波长、L是与传播无关的系统损耗因子；
步骤C：使用公式估算中继路径上的链路数目Nrl，其中，符号的含义是取不大于的最大整数；
步骤D：使用公式估算中继路径上平均链路长度Lav；
步骤E：使用公式Nrn＝Nrl-1得到虚拟中继点的数目Nrn，虚拟中继点表示从中继节点间隔距离均衡的角度考虑，中继路径上中继节点的理想位置；
步骤F：使用公式和分别计算中继路径上所有虚拟中继点的x坐标和y坐标，其中，i表示第i个虚拟中继点；
步骤G：针对每个虚拟中继点，反复执行后续步骤H～N为其找出合适的中继节点，若所有虚拟中继点遍历完，则继续执行步骤O；
步骤H：从候选中继节点的信息集中至多选择3个最接近当前处理的虚拟中继点的候选节点；
步骤I：将候选者的身份标识和它们的坐标值以及源节点出让的授权频段的使用条件等信息通告给这些候选者；
步骤J：将定时器tτ的值设置为一个预设值τ，并启动该定时器；
步骤K：若定时器未过期，反复执行步骤L，否则跳过该步骤；
步骤L：若收到来自候选者的关于频段使用条件的确认，则选择一个步骤H中选择的候选者之一，即离虚拟中继点最近的候选节点作为中继；
步骤M：若在定时器间隔内未收到任何候选者的反馈，则放宽频段的使用条件，并重新通告给同样的候选者；
步骤N：返回执行步骤J；
步骤O：根据候选者返回的信息，构建并返回初步中继路径。
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