CN107846690B - 一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法 - Google Patents

一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线协作通信技术领域，具体涉及一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法。所用方法为将无线协作通信网络映射成劳动力市场，将基于市场驱动的契约模型到应用到独立非对称协作通信激励机制中，建立源节点模型和中继节点模型；考虑到独立非对称协作通信网络中节点的自私性和网络信息的非对称性，针对无线节点位置和信道条件等因素的动态和时变特性，通过设计贯穿两阶段协作通信的动态契约模型，结合个人理性和激励相容的条件，实现对中继节点私有信息的甄别，以激励其积极参与数据的传输，从而达到无线频谱资源高效利用以及双方利益最大化的目的。最后通过建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型，得到最优解。

Description

一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法
技术领域
本发明属于无线协作通信技术领域，具体涉及一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法。
背景技术
无线通信技术的迅猛发展，使得频谱资源紧缺的问题日益严峻，这已经严重的影响到了无线通信技术的发展。无线协作通信技术利用源节点(Secondary User，SU)和中继节点(Relay Note，RN)之间的相互合作，能有效地提高数据的传输效率，间接的提高了无线频谱的利用率。无线协作通信技术的关键在于如何建立准确的协作通信模型，这通常需要尽可能的去完善双方的网络信息。然而，在实际的无线通信写作中，由于用户的移动性、无线信道的衰落效应、以及网络信息的私有性等因素，SU和RN之间存在着网络信息非对称问题。因此，如何在众多中继节点中筛选出信道状态好的、通信能力高的中继节点则是非常具有挑战性的。
目前，针对非对称性信息条件下协作通信技术问题正得到广大研究者的关注。而当前市面上最常用的激励方法为拍卖机制。但是，当SU自身的频谱需求较高或者其他中继节点信道状况较差时，可供拍卖的频谱资源就非常少，难以满足协作通信的需求。在这种情况下，基于契约理论的无线协作通信技术就成为了研究者重点关注的问题。现有的无线协作通信技术主要研究静态契约设计，然而，在实际协作通信的数据传输中，无线用户的移动性和无线信道衰落等因素，RN的网络信息是不断变化的。同时，为了避免SU频繁地选择中继节点而产生额外交易成本，需设计一个长期承诺的动态契约来激励RN参与数据的传输。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过将无线协作通信网络映射成劳动力市场，将基于市场驱动的契约理论引入到独立非对称协作通信机制中去，建立源节点SU模型和中继节点RN模型；
步骤2，考虑到独立非对称协作通信网络中节点的自私性以及网络信息的非对称性，对于节点位置和信道条件因素的动态特性，通过建立两阶段协作通信的动态契约模型，源节点SU向中继节点RN提供契约，并结合步骤1中源节点SU、中继节点RN模型而总结出的激励相容和个人理性的约束条件，实现对中继节点RN个人私有信息的甄别，以激励其积极参与到无线数据的传输中，同时避免重新选择中继节点而产生额外的成本，从而达到无线频谱资源的高效利用，最后通过建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型，得到最优解。
进一步地，步骤1中，所述建立源节点SU模型实现过程包括：
源节点SU在雇佣中继节点RN为其进行无线数据传输的条件下，中继节点RN的中继服务使得源节点SU所增加的收益为：
Figure BDA0001438425600000021
其中，pi为中继节点RN在源节点SU接收端的协作功率，n0表示噪声功率，为了简化，通常将n0的归一化设置为1，并且所有中继节点RN具有相同的利润系数ρ>0；
于是，源节点SU所获得的传输效用为其获得的总收益减去支付给中继节点RN的报酬wi，可以表示为：
Figure BDA0001438425600000022
进一步地，步骤1中，所述建立中继节点RN模型实现过程包括：
假设中继节点RN可以成功解码源节点SU的数据，令
Figure BDA0001438425600000024
表示ithRN的发送器RTi和目标D之间的信道增益，鉴于ithRN的传输功率是pti，则目的节点将获得接收的功率为pi，所以，将ithRN的协作成本表示为
Figure BDA0001438425600000023
其中，γi为每单位协作功率的协作成本；
为了简化，定义每单位协作功率的成本系数为
Figure BDA0001438425600000031
成本系数θi是ithRN的私人信息，当θi增加时，ithRN的信道增益
Figure BDA0001438425600000036
减少，其中继成本增加，当θi降低时，则表示中继节点RN可能具有较差的中继信道或者更高的中继成本；
ithRN的效用
Figure BDA0001438425600000035
可以表示为其获得的报酬wi减去传输成本Ci(pi)，可以写成：
URNi(pi,wi)＝wi-θipi. (5)
进一步地，步骤2中，所述建立两阶段协作通信的动态契约模型，所采取的实现过程包括：
假设每个中继节点RN具有不同的协作类型，其表示为Θ＝{θ1,θ2,...,θN}与0≤θ1<θ2<...<θN，为了反映中继节点RN的实际类型，契约应由N个项目组成，每种类型一项，因此，将契约表示为
Figure BDA0001438425600000034
其中Ω＝1,2,...,N，此外，假设源节点SU获得关于中继节点RN类型的某些具体信息，如中继节点RN类型为θi的先验概率分布表示为qi，则
Figure BDA0001438425600000032
源节点SU在协作通信初始阶段向中继节点RN提供长期契约；
中继激励机制的整个过程主要包括三个阶段：契约确认阶段，契约中继阶段和契约实现阶段；
契约确认阶段：源节点SU向附近的潜在移动节点提供一组契约
Figure BDA0001438425600000033
当收到契约时，如果愿意接受某种契约，RNs会评估并通知源节点SU他们的选择；
契约中继阶段：在通知RNs合作指令之后，源节点SU将数据广播到合作的RNs的发射机，然后，RNs将收到的数据中继给目的节点；
契约实现阶段：目的节点在检查接收到的数据后，将通过反馈信道，通知源节点RNs的协作性能，当协作成功时，源节点SU根据契约向被雇用的RNs提供报酬，但是，如果协作不成功，RNs将无法获得报酬；
假设ithRN类型在阶段
Figure BDA0001438425600000041
和阶段
Figure BDA0001438425600000042
独立来自于相同的集合Θ＝{θ1,θ2,...,θN}，具有相同的概率qi，为了简化分析过程，假设在t＝1,2期间
Figure BDA0001438425600000043
考虑到要进行两期契约设计，因此源节点SU的总预期效用可以写为
Figure BDA0001438425600000044
其中，
Figure BDA0001438425600000045
(相应的
Figure BDA0001438425600000046
)是t＝1,2期间ithRN的传输功率，折现因子δ>0，δ>1表示第2阶段持续时间比第1阶段长；
假设中继节点RN具有与源节点SU相同的折现因子，那么，这两个阶段的ithRN的效用可以由下式给出
Figure BDA0001438425600000047
在这里需要注意的是，当确认与源节点SU的长期契约时，ith RN只知道其第一阶段类型
Figure BDA0001438425600000048
在实现协作通信的第一阶段之后，可以通过契约获悉其第二阶段类型
Figure BDA0001438425600000049
进一步地，步骤2中，所述建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型实现过程包括：
基于逆向归纳法思想，先考虑第2阶段的契约设计，在第二阶段中，为了确保中继节点RN的
Figure BDA00014384256000000410
通过选择
Figure BDA00014384256000000411
获得非负值效用，应满足以下个人理性(Individualreason，IR)约束条件：
Figure BDA00014384256000000412
其中，
Figure BDA00014384256000000413
是关于ithRN的第一阶段契约类型；
然后，为了确保在选择
Figure BDA00014384256000000414
时，中继节点RN的
Figure BDA00014384256000000415
获得最大效用，应满足以下激励相容(Incentive compatibility，IC)约束条件，
Figure BDA00014384256000000416
根据上述激励相容约束条件，契约激励每个中继节点RN通过选择契约项目来反映其实际类型；
由于ithRN类型在阶段
Figure BDA0001438425600000051
和阶段2
Figure BDA0001438425600000052
中是独立的，当确立与源节点SU的长期契约时，中继节点RN只知道其第一阶段类型
Figure BDA0001438425600000053
第一阶段契约类型
Figure BDA0001438425600000054
在第2期的源节点SU处应该是无成本的，因此，中继节点RN的报酬
Figure BDA0001438425600000055
和中继功率
Figure BDA0001438425600000056
独立于
Figure BDA0001438425600000057
然后考虑第1阶段的契约设计，假设在阶段1的ithRN的效用可以写成
Figure BDA0001438425600000058
由于ithRN对于阶段2的预期持续效用是
Figure BDA0001438425600000059
跨时间激励相容约束条件写为：
Figure BDA00014384256000000510
由于阶段2中的中继节点RN的效用
Figure BDA00014384256000000511
独立于
Figure BDA00014384256000000512
也就是
Figure BDA00014384256000000513
则上述激励相容约束条件可以简化为：
Figure BDA00014384256000000514
那么，鉴于阶段2的ithRN预期的延续效用是在中继节点RN获悉其第二阶段类型之前提供契约，ithRN的跨期个人理性约束条件最终写为
Figure BDA00014384256000000515
这确保了中继节点RN的跨期效用保持非负；
因此，在保证上述两阶段激励相容和个人理性条件的前提下，源节点SU的最大预期效用问题可以表示为
Figure BDA00014384256000000516
s.t.(8)-(9),(12)-(13)
其中，
Figure BDA00014384256000000517
和
Figure BDA00014384256000000518
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法，该方法针对契约签订前中继节点私有信息引起的逆向选择问题和契约签订后中继节点私有行为引起的道德风险问题，提出基于契约理论的多用户协作通信激励方法，以保证协作通信的实现。并且，本发明提出的多用户协作通信激励方法易于实现，源节点和中继节点之间的信息交互较少，因而该方法所需的信令开销较少。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例假设无线协作通信网络是一个劳动力市场。其中，SU是委托方，RN是代理方，可提供协作通信服务。SU作为主动缔约方，向RN提供由一系列合约条款组成的交易契约，契约条款包括协作功率和报酬。
具体过程如下：
首先，SU向附近的潜在移动节点广播一组契约
Figure BDA0001438425600000061
当收到契约时，如果愿意接受某种契约，RN会告知SU他们的选择。
其次，在通知RNs合作指令(例如正交频率子信道，随机码本)之后，将数据广播到协作的RNs的发射机。然后，RNs将收到的数据中继给目的节点。
最后，在每个阶段结束时，目的节点在检查接收到的数据后，将通过反馈信道，告知源节点RNs的协作性能。当协作成功时，SU根据契约向被雇用的RNs提供报酬。但是，如果协作不成功，RsN将无法获得报酬。
本发明通过将无线协作通信网络映射成劳动力市场将基于市场驱动的契约模型应用到协作通信机制中，建立SU模型和RN模型；考虑到协作通信网络中节点的自私性和网络信息的非对称性，针对无线节点位置和信道条件等因素的动态特性，通过建立两阶段协作频谱共享的动态契约模型，结合激励相容和个人理性的条件，实现对RN私有信息的甄别，以激励其积极参与数据的传输，从而达到无线通信资源高效利用的目的。
(1)、SU模型
SU在雇佣RN为其进行无线数据传输服务的条件下，RN的中继服务使得SU所增加的收益为：
Figure BDA0001438425600000074
其中，pi为RN在SU接收端的协作功率，n0表示噪声功率。为了简化分析过程，通常将n0的归一化设置为1，并且所有RN具有相同的利润系数ρ>0。
于是，SU所获得的传输效用为其获得的总收益减去支付给RN的报酬wi，可表示为：
Figure BDA0001438425600000071
(2)、RN模型
假设
Figure BDA0001438425600000075
表示ithRN的发送器RTi和目标D之间的信道增益。鉴于ithRN的传输功率是pti，则目的节点将获得接收的功率为pi。所以，我们将ithRN的协作成本表示为
Figure BDA0001438425600000072
其中，γi为每单位协作功率的协作成本。
为了简化讨论，我们定义每单位协作功率的成本系数为
Figure BDA0001438425600000073
在这里，成本系数θi是ithRN的私人信息。当θi增加时，ithRN的信道增益
Figure BDA0001438425600000076
减少，其中继成本增加。当θi降低时，则表示RN可能具有较差的中继信道或者更高的中继成本。
于是，ithRN的效用
Figure BDA0001438425600000077
(pi,wi)可表示为其获得的报酬wi减去传输成本Ci(pi)，可以写成：
Figure BDA0001438425600000078
(3)、RN类型
在本文中，鉴于RN有N种类型，其表示为Θ＝{θ1,θ2,...,θN}与0≤θ1<θ2<...<θN，由于在实践中容易广播有限数量的契约。为了反映RN的实际类型，契约应由N个项目组成，每种类型一项。因此，我们将契约表示为
Figure BDA00014384256000000810
其中Ω＝1,2,...,N。此外，假设SU获得关于RN类型的某些具体信息，如RN类型为θi的先验概率分布表示为qi，则
Figure BDA0001438425600000081
(4)、动态契约激励机制模型
SU在合作的初始阶段向RN提供长期契约。
中继激励机制的整个过程主要包括三个阶段：契约确认阶段，契约中继阶段和契约实现阶段。
契约确认阶段：SU向附近的潜在移动节点广播一组契约
Figure BDA0001438425600000082
当收到契约时，如果愿意接受某中契约，RN会告知SU他们的选择。
契约中继阶段：在通知RNs合作指令(例如正交频率子信道，随机码本)之后，将数据广播到协作的RNs的发射机。然后，RNs将收到的数据中继给目的节点。
契约实现阶段：在每个阶段结束时，目的节点在检查接收到的数据后，将通过反馈信道，告知源节点RNs的协作性能。当协作成功时，SU将根据契约向被雇用的RNs提供报酬。但是，如果协作不成功，RNs将无法获得报酬。
进一步地，步骤2中，所述建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型实现过程包括：
基于逆向归纳法思想，我们先考虑第2阶段的契约设计。在第二阶段中，为了确保RN的
Figure BDA0001438425600000083
通过选择
Figure BDA0001438425600000084
获得非负值效用，应满足以下个人理性(Individualreason，IR)约束条件
Figure BDA0001438425600000085
其中，
Figure BDA0001438425600000086
是关于ithRN的第一阶段契约类型。
然后，为了确保在选择
Figure BDA0001438425600000087
时，RN的
Figure BDA0001438425600000088
获得最大效用，应满足以下激励相容(Incentive compatibility，IC)约束条件，
Figure BDA0001438425600000089
根据上述IC约束条件，契约激励每个RN通过选择契约项目来反映其实际类型。
由于ithRN类型在阶段
Figure BDA0001438425600000091
和阶段
Figure BDA0001438425600000092
中是独立的，当确立与SU的长期契约时，RN只知道其第一阶段类型
Figure BDA0001438425600000093
第一阶段契约类型
Figure BDA0001438425600000094
在第2期的SU处应该是无成本的。因此，RN的报酬
Figure BDA0001438425600000095
和中继功率
Figure BDA0001438425600000096
独立于
Figure BDA0001438425600000097
下面我们讨论第1阶段的契约设计。假设在阶段1的ithRN的效用可以写成
Figure BDA0001438425600000098
由于ithRN对于阶段2的预期持续效用是
Figure BDA0001438425600000099
跨时间IC约束写为
Figure BDA00014384256000000910
由于阶段2中的RN的效用
Figure BDA00014384256000000911
独立于
Figure BDA00014384256000000912
也就是
Figure BDA00014384256000000913
则上述IC约束可以简化为
Figure BDA00014384256000000914
那么，鉴于阶段2的ithRN预期的延续效用是在RN获悉其第二阶段类型之前提供契约，ithRN的跨期IR约束最终写为
Figure BDA00014384256000000915
这确保了RN的跨期效用保持非负。
因此，在保证上述两阶段IR和IC条件的前提下，SU的最大预期效用问题可表示为
Figure BDA00014384256000000916
s.t.(8)-(9),(12)-(13)
其中，
Figure BDA00014384256000000917
和
Figure BDA00014384256000000918
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过将无线协作通信网络映射成劳动力市场，将基于市场驱动的契约理论引入到独立非对称协作通信机制中去，建立源节点SU模型和中继节点RN模型；
步骤2，考虑到独立非对称协作通信网络中节点的自私性以及网络信息的非对称性，对于节点位置和信道条件因素的动态特性，通过建立两阶段协作通信的动态契约模型，源节点SU向中继节点RN提供契约，并结合步骤1中源节点SU、中继节点RN模型而总结出的激励相容和个人理性的约束条件，实现对中继节点RN个人私有信息的甄别，以激励其积极参与到无线数据的传输中，同时避免重新选择中继节点而产生额外的成本，从而达到无线频谱资源的高效利用，最后通过建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型，得到最优解；
步骤1中，所述建立源节点SU模型实现过程包括：
源节点SU在雇佣中继节点RN为其进行无线数据传输的条件下，中继节点RN的中继服务使得源节点SU所增加的收益为：
Figure FDA0002645940670000011
其中，pi为中继节点RN在源节点SU接收端的协作功率，n0表示噪声功率，为了简化，将n0的归一化设置为1，并且所有中继节点RN具有相同的利润系数ρ>0；
于是，源节点SU所获得的传输效用为其获得的总收益减去支付给中继节点RN的报酬wi，表示为：
Figure FDA0002645940670000012
步骤1中，所述建立中继节点RN模型实现过程包括：
假设中继节点RN能够成功解码源节点SU的数据，令
Figure FDA0002645940670000013
表示ithRN的发送器RTi和目标D之间的信道增益，鉴于ithRN的传输功率是pti，则目的节点将获得接收的功率为pi，所以，将ithRN的协作成本表示为
Figure FDA0002645940670000021
其中，γi为每单位协作功率的协作成本；
为了简化，定义每单位协作功率的成本系数为
Figure FDA0002645940670000022
成本系数θi是ithRN的私人信息，当θi增加时，ithRN的信道增益
Figure FDA0002645940670000023
减少，其中继成本增加，当θi降低时，则表示中继节点RN可能具有较差的中继信道或者更高的中继成本；
ithRN的效用
Figure FDA0002645940670000024
表示为其获得的报酬wi减去协作成本Ci(pi)，写成：
Figure FDA0002645940670000025
步骤2中，所述建立两阶段协作通信的动态契约模型，所采取的实现过程包括：
假设每个中继节点RN具有不同的协作类型，其表示为Θ＝{θ1,θ2,...,θN}与0≤θ1<θ2<...<θN，为了反映中继节点RN的实际类型，契约由N个项目组成，每种类型一项，因此，将契约表示为
Figure FDA0002645940670000026
其中Ω＝1,2,...,N，此外，假设源节点SU获得关于中继节点RN类型的某些具体信息，中继节点RN类型为θi的先验概率分布表示为qi，则
Figure FDA0002645940670000027
源节点SU在协作通信初始阶段向中继节点RN提供长期契约；
中继激励机制的整个过程包括三个阶段：契约确认阶段，契约中继阶段和契约实现阶段；
契约确认阶段：源节点SU向附近的潜在移动节点提供一组契约
Figure FDA0002645940670000028
当收到契约时，如果愿意接受某种契约，RNs会评估并通知源节点SU他们的选择；
契约中继阶段：在通知RNs合作指令之后，源节点SU将数据广播到合作的RNs的发射机，然后，RNs将收到的数据中继给目的节点；
契约实现阶段：目的节点在检查接收到的数据后，将通过反馈信道，通知源节点RNs的协作性能，当协作成功时，源节点SU根据契约向被雇用的RNs提供报酬，但是，如果协作不成功，RNs将无法获得报酬；
假设ithRN类型在阶段
Figure FDA0002645940670000031
和阶段
Figure FDA0002645940670000032
独立来自于相同的集合Θ＝{θ1,θ2,...,θN}，具有相同的概率qi，为了简化分析过程，假设在t＝1,2期间
Figure FDA0002645940670000033
考虑到要进行两期契约设计，因此源节点SU的总预期效用写为
Figure FDA0002645940670000034
其中，
Figure FDA0002645940670000035
是t＝1,2期间ithRN的传输功率，折现因子δ>0，δ>1表示第2阶段持续时间比第1阶段长；
假设中继节点RN具有与源节点SU相同的折现因子，那么，这两个阶段的ithRN的效用由下式给出
Figure FDA0002645940670000036
在这里需要注意的是，当确认与源节点SU的长期契约时，ithRN只知道其第一阶段类型
Figure FDA0002645940670000037
在实现协作通信的第一阶段之后，通过契约获悉其第二阶段类型
Figure FDA0002645940670000038
2.根据权利要求1所述的独立非对称信息下协作通信动态契约激励方法，其特征在于，步骤2中，所述建立独立非对称信息下协作通信动态契约激励机制优化模型实现过程包括：
基于逆向归纳法思想，先考虑第2阶段的契约设计，在第二阶段中，为了确保中继节点RN的
Figure FDA0002645940670000039
通过选择
Figure FDA00026459406700000310
获得非负值效用，应满足以下个人理性约束条件：
Figure FDA00026459406700000311
其中，
Figure FDA00026459406700000312
是关于ithRN的第一阶段契约类型；
然后，为了确保在选择
Figure FDA00026459406700000313
时，中继节点RN的
Figure FDA00026459406700000314
获得最大效用，应满足以下激励相容约束条件，
Figure FDA00026459406700000315
根据上述激励相容约束条件，契约激励每个中继节点RN通过选择契约项目来反映其实际类型；
由于ithRN类型在阶段
Figure FDA0002645940670000041
和阶段
Figure FDA0002645940670000042
中是独立的，当确立与源节点SU的长期契约时，中继节点RN只知道其第一阶段类型
Figure FDA0002645940670000043
第一阶段契约类型
Figure FDA0002645940670000044
在第2期的源节点SU处应该是无成本的，因此，第二阶段序号为k的中继节点RN的报酬
Figure FDA0002645940670000045
和中继功率
Figure FDA0002645940670000046
独立于
Figure FDA0002645940670000047
然后考虑第1阶段的契约设计，假设在阶段1的ithRN的效用写成
Figure FDA0002645940670000048
由于ithRN对于阶段2的预期持续效用是
Figure FDA0002645940670000049
跨时间激励相容约束条件写为：
Figure FDA00026459406700000410
由于阶段2中的中继节点RN的效用
Figure FDA00026459406700000411
独立于
Figure FDA00026459406700000412
也就是
Figure FDA00026459406700000413
则上述激励相容约束条件简化为：
Figure FDA00026459406700000414
那么，鉴于阶段2的ithRN预期的延续效用是在中继节点RN获悉其第二阶段类型之前提供契约，ithRN的跨期个人理性约束条件最终写为
Figure FDA00026459406700000415
这确保了中继节点RN的跨期效用保持非负；
因此，在保证上述两阶段激励相容和个人理性条件的前提下，源节点SU的最大预期效用问题表示为
Figure FDA00026459406700000416
s.t.(8)-(9),(12)-(13)
其中，
Figure FDA00026459406700000417
和
Figure FDA00026459406700000418
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