CN110035467B - 选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法 - Google Patents

选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，属于协作通信的技术领域。在中继选择策略中，在需要协作的源节点和候选中继节点间实施拍卖理论来挑选最佳中继，通过竞拍方式，以货币补偿的形式，激励资源富裕的节点更多地协助资源匮乏的节点，以实现激励式协作传输，共享网络资源。在功率分配方法中，各候选中继根据能量和信道质量来分配自身传输功率和协作传输功率，通过密封式竞拍方法来竞争最合适的协作传输功率，使得单个节点在保证自身数据传输可靠性的同时能最大限度地协助其他节点，从而提升网络传输性能。本发明能促进源节点间的协作，在提高数据传输可靠性的同时实现资源的合理配置。

Description

选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法
技术领域
本发明属于协作通信的技术领域，具体涉及在能量和资源受限的选择协作网络中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法。
背景技术
选择协作技术由于只需要单个中继协作就可以达到与分布式空时码相同的传输性能，具有简单、高效的特点，因此，非常适合应用于无线网络中。在选择协作中，最佳中继的选择直接关系到系统和节点传输性能的好坏。目前，绝大部分研究均假设网络中的中继节点能量充足，任何时候，只要有需要，中继节点均会全力协助其他源节点进行数据转发，以便在总体上达到较好的传输可靠性。但在实际网络中，尤其是互助型无线传感器网络中，不存在专门的中继节点，最佳中继节点由源节点临时兼任，源节点除了要完成协作转发外，还有自身的数据监测和传输任务。且在大部分无线传感器网络中，节点都是由电池供电，能量配置有限，如果它频繁的为其他需要协助的节点转发数据，则会消耗自身大量的电量，导致能量快速耗尽，过早退出网络，无法继续完成自身任务。因此，从单个节点角度考虑，如何在尽量好的完成自身任务的同时协助更多源节点完成数据传输，合理分配自身传输和协助传输功率，实现各节点的互惠互利，是值得研究的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，在提高整个网络传输可靠性的同时能够有效地解决多源选择协作网络中节点对资源的竞争和共享问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，该方法包括以下步骤：
在m个源节点、一个目的节点的选择协作网络中，将拍卖机制引入到中继选择和功率分配中来解决节点对资源的竞争和共享；
传输过程分为两阶段：
第一阶段：直接传输；源节点按顺序依次发送数据到目标节点，其他源节点和目标节点均尝试接收并解码收到的数据，解码成功的源节点加入解码集，目的节点若解码成功，则返回确认帧ACK，此轮数据传输结束；若目标节点解码失败，则反馈否决帧NACK，传输进入第二阶段；
第二阶段：协作传输；解码集中能够成功接收NACK帧的源节点进一步加入有效集，有效集中的源节点通过拍卖方式竞争协作机会和分配协作功率，竞争成功的源节点当选为最佳中继，帮助当前源节点完成数据的转发，该源节点此次数据传输结束，轮到下一个源节点传输数据。
进一步，在所述第二阶段中，拍卖式中继选择策略时，在需要协作的源节点和候选中继节点间实施拍卖理论来挑选最佳中继；
拍卖前，各候选中继节点根据自身情况分配协作功率，并采用密封式竞拍方式，向源节点提交出价，源节点根据自身货币量按照一定原则选出最佳中继，并向最佳中继支付相应的货币量作为补偿；
通过竞拍方式，激励资源富裕的节点更多地协助资源匮乏的节点，实现激励式协作传输。
进一步，在所述拍卖前，各候选中继向源节点提交的出价等于各中继节点的底价乘以各中继节点分配给源节点的协作传输功率；
当该源节点竞拍成功成为最佳中继进行数据转发后，源节点需按此出价支付给最佳中继同等数量的货币作为报酬。
进一步，所述最佳中继的选择策略是：在支付完最佳中继的酬劳后，所剩余的货币量最多；
即：源节点会选择出价最低的中继节点来充当最佳中继，以便留存更多的货币用于购买后续的协作传输；若源节点剩余货币量不足以支付最低出价，则此次传输失败，系统产生中断。
进一步，在所述拍卖方式竞争协作机会和分配协作功率中，各候选中继根据自身任务量、剩余能量和到目标节点的信道质量来确定各自的功率保留比例，在保证自身可靠传输的前提下，多余的功率用于拍卖，以此换取货币量，所获得的货币量用于在其后续传输失败时用来支付给最佳中继节点，协作其进行传输。
进一步，通过对所述各候选中继的收益进行计算，获得各候选中继节点的最佳功率保留比例，按照此比例为自身传输和协助传输分配相应功率。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明考虑基于拍卖的中继选择策略：在源节点和候选中继节点之间实施拍卖来选出最佳中继，在拍卖过程中将节点的剩余能量、传输功率、信道质量考虑进去，最大程度地保证了数据的可靠传输。在拍卖过程中实施货币激励，直接传输失败的源节点需要其他源节点的协助，因此他们愿意为数据的可靠传输支付不同数量的货币。而潜在的帮助者愿意接受货币补偿以分享资源和进行协作传输，并且累积的收入可以在未来不利的信道条件下用于他们自己的协作投标。因此，所提出的基于拍卖的中继选择策略是对优势源节点参与网络协作的一种激励和对劣势源节点传输失败的一种帮助，能够促进网络中节点间的互助互惠，实现激励式协作传输，从而提升节点和网络的传输可靠性。
(2)本发明考虑基于拍卖的功率分配方法：对候选中继节点的功率进行合理地分配，在保证自身数据可靠传输的同时尽可能的为其他节点提供帮助。一方面避免了候选中继节点分配给待协作源节点较大的协作传输功率，导致自身能量消耗较快、自身数据传输周期变短、传输任务难以完成、节点过早退出网络；另一方面避免了候选中继节点分配给待协作源节点较少的功率，导致协作效果较差，自身收益较少，在下次需要协作时，得到协作的机会较少，传输可靠性降低。因此，所提出的基于拍卖的功率分配方法通过对自身传输功率和协作传输功率的合理分配，能够有效地解决节点资源的配置，降低节点和网络的中断概率，保证数据可靠传输。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的多源-单目标选择协作网络模型。
图2为本发明的源节点数据传输流程图；图2(a)为直接传输；图2(b)为协作传输。
图3为本发明的基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，为本发明的多源单目标选择协作网络模型。
在能量和资源有限的多源互助型选择协作网络中，设定该协作网络中有m个源节点si(i＝1,2,...m)，一个目的节点d。网络中不存在专门的中继节点，每个源节点都可能充当其它源节点的中继。每个源节点由容量有限的电池供电。源节点si和目的节点d之间的数据传输采用反馈方式。si将信息数据发送到d，当信息传输成功时，d反馈确认帧ACK，此次数据传输完成；当信息传输出现失败时，d反馈否决帧NACK，意味着si需要网络中的其它源节点进行协作传输。
如图2所示，为本发明的源节点数据传输流程图；图2(a)为直接传输；图2(b)为协作传输。源节点数据传输过程描述如下：
直接传输：源节点si依次在各自的时隙发送数据到目的节点d，能够成功解码si信息的源节点构成解码集D(si)，d成功接收到信息后，向si反馈ACK帧，表示本次信息传输成功。此时si的数据传输只有直接传输，并不需要协作传输，因此在这种情况下不需要考虑中继选择和功率分配问题。
协作传输：若d未能成功接收到信息，则反馈NACK帧，此时si需要其它源节点的协助，数据传输转入协作传输阶段。在D(si)中，成功解码NACK帧的源节点进一步构成一个新的集合，称之为有效集A(si)。为方便说明，D(si)中的源节点，以下统称为候选中继节点。在信道方面，候选中继节点与si之间的信息传输是可行的，同时与d之间的信息传输也是可行的。因此从有效集A(si)中根据一定的策略选择一个最佳中继sb转发si信息到d，完成本次数据的传输。
如图3所示，为本发明的基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法流程图。基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法具体描述如下。
1)基于拍卖的中继选择策略
(1)出价：各候选中继节点(即卖家)sk根据自身情况向源节点(即买家)si提交出价
Figure BDA0002034378190000051
各卖家之间的出价是相互保密的。卖家的出价与卖家分配给买家的协作传输功率以及卖家与目的节点间的信道质量有关。简单来说，卖家在分配功率时，分配给买家的协作功率越多，与目的节点之间的信道质量越好，在进行协作传输时，占有更大的协作转发优势，因此数据传输的可靠性越高。但在有效集中的卖家均能在源节点和目的节点之间进行可靠的通信，因此为了简单，在出价时省略了信道质量因素，只与卖家分配给买家的协作传输功率有关。卖家的出价由下式表示：
Figure BDA0002034378190000052
式中
Figure BDA0002034378190000053
是候选中继节点sk分配给源节点si的协作传输功率，πk是sk向si宣布的一个底价，πk＞0。
(2)交易：各买家提交自己的出价后，等待买家进行选择。已有文献证明有效集中的任意一个中继都可以实现全分集增益，能够成功地将数据协作转发到目的节点。故站在买家的角度，在能保证数据可靠转发的前提下，买家不想支付多余的货币。买家选择合适卖家的交易规则为：买家在支付了卖家出价的货币量之后，剩余的货币量最多，即：出价最小原则。这一原则，在保证数据可靠传输的基础上最大程度地减少了买家支付的货币量，使得卖家的留存货币量最多，为后续不利传输条件下购买协作服务提供了更多可能。买家挑选卖家的策略表示如下：
Figure BDA0002034378190000054
式中
Figure BDA0002034378190000055
表示买家购买前的货币量，
Figure BDA0002034378190000056
为卖家出价，上述规则可以等效于买家选择出价最低的卖家来充当最佳中继，即：
Figure BDA0002034378190000057
需要说明的是，买家在支付之前需要根据自己的货币量来衡量是否有足够的购买力，即买家在支付了卖家出价的货币量后剩余货币量为
Figure BDA0002034378190000058
若
Figure BDA0002034378190000059
交易正常进行；若剩余货币量小于0，买家反馈给卖家无充足货币帧(No Enough Monetary，NEM)，意味着买家此时货币量不够，此次交易失败，协作传输无法进行，系统产生中断。
(3)支付：买方通过最小出价原则选出最佳中继之后，买方需向卖方，即最佳中继sb支付对应的货币量
Figure BDA0002034378190000061
最佳中继为买方提供了协作转发服务，得到了对应的报酬
Figure BDA0002034378190000062
支付完成后更新源节点和最佳中继的货币量。源节点通过货币补偿方式获得优势节点的帮助，而选出的最佳中继通过交易得到了一些货币补偿，通过这种方式完成了一次激励式的数据协作传输。
在拍卖中，源节点si通过支付给中继节点sk货币量
Figure BDA0002034378190000063
后获得了传输协助，提高了数据传输的可靠性，si通过拍卖得到的收益表示为：
Figure BDA0002034378190000064
一个拍卖的理想收入是纳什均衡，从源节点的角度考虑是最大化其收益函数U(si)。从公式(4)可以看出，sk分配给源节点的协作传输功率
Figure BDA0002034378190000065
越大，通过协作传输达到的速率就越大，但源节点需要支付的酬劳就越多。源节点si的收益函数U(si)存在极值点，极值点求法如下：
对
Figure BDA0002034378190000066
求导可得：
Figure BDA0002034378190000067
令
Figure BDA0002034378190000068
时，故可得：
Figure BDA0002034378190000069
显然sk分配给si的协作传输功率的范围为
Figure BDA00020343781900000610
因此根据公式(6)可知sk给定的底价πk有两个阈值，分别为
Figure BDA00020343781900000611
和
Figure BDA00020343781900000612
Figure BDA00020343781900000613
Figure BDA00020343781900000614
故由以上分析可知，根据候选中继节点给出的不同的底价，源节点的收益达到不同的纳什均衡，并且在不同情况下，源节点希望得到的协作传输功率表示为：
Figure BDA0002034378190000071
其中，各候选中继节点在出价时分配给需要协助的源节点的协作传输功率，由以下基于拍卖的功率分配方法具体给出。
2)基于拍卖的功率分配方法
基于拍卖的功率分配方法具体描述为：
1)各个候选中继节点sk给出各自的功率保留比例βk，显然βk∈[0,1]。
2)sk留给自身的数据传输功率为
Figure BDA0002034378190000072
其中
Figure BDA0002034378190000073
为sk的传输功率。sk为自身的数据传输分配好功率之后，其余的
Figure BDA0002034378190000074
为分配给源节点的协作传输功率。
3)源节点在获得sk分配的协作传输功率后，双方约定好支付的代价为：
Figure BDA0002034378190000075
式中
Figure BDA0002034378190000076
就等价于公式(1)中的
Figure BDA0002034378190000077
一旦该候选节点被选为最佳中继，则该节点按给定的传输功率进行协作传输，并从源节点处获得对应的货币量。
通过基于拍卖的功率分配方法，候选中继节点sk获得的收益函数如下所示：
Figure BDA0002034378190000078
从式(11)可以看出，若候选中继的功率保留比例βk越小，则意味着该节点留给自身的数据传输功率越小，则分配给源节点的协作传输功率越大。βk越大，则意味着该节点留给自身的数据传输功率越大，分配给源节点的协作传输功率就越小。因此自身传输功率与协作传输功率是对立的关系，也就是说该函数存在一个极值，极值处即为最佳的功率保留比例。
候选中继节点sk的收益函数U(sk)对βk求导，可得：
Figure BDA0002034378190000079
令
Figure BDA00020343781900000710
可得：
Figure BDA00020343781900000711
其中候选中继节点给定的功率保留比例0≤βk≤1，因此候选中继节点给出的最低底价如公式(14)所示，此时所有候选中继节点给出的功率保留比例均为1。
Figure BDA0002034378190000081
候选中继节点给出的最高底价如公式(15)所示，此时所有候选中继节点给出的功率保留比例均为0。
Figure BDA0002034378190000082
由以上分析可知，候选中继节点给出的最佳功率保留比例为：
Figure BDA0002034378190000083
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
在m个源节点、一个目的节点的选择协作网络中，将拍卖机制引入到中继选择和功率分配中来解决节点对资源的竞争和共享；
传输过程分为两阶段：
第一阶段：直接传输；源节点按顺序依次发送数据到目标节点，其他源节点和目标节点均尝试接收并解码收到的数据，解码成功的源节点加入解码集，目的节点若解码成功，则返回确认帧ACK，此轮数据传输结束；若目标节点解码失败，则反馈否决帧NACK，传输进入第二阶段；
第二阶段：协作传输；解码集中能够成功接收NACK帧的源节点进一步加入有效集，有效集中的源节点通过拍卖方式竞争协作机会和分配协作功率，竞争成功的源节点当选为最佳中继，帮助当前源节点完成数据的转发，该源节点此次数据传输结束，轮到下一个源节点传输数据；
在所述第二阶段中，拍卖式中继选择策略时，在需要协作的源节点和候选中继节点间实施拍卖理论来挑选最佳中继；
拍卖前，各候选中继节点根据自身情况分配协作功率，并采用密封式竞拍方式，向源节点提交出价，源节点根据自身货币量按照一定原则选出最佳中继，并向最佳中继支付相应的货币量作为补偿；
通过竞拍方式，激励资源富裕的节点更多地协助资源匮乏的节点，实现激励式协作传输；
在所述拍卖前，各候选中继向源节点提交的出价等于各中继节点的底价乘以各中继节点分配给源节点的协作传输功率；
当该源节点竞拍成功成为最佳中继进行数据转发后，源节点需按此出价支付给最佳中继同等数量的货币作为报酬。
2.根据权利要求1所述的选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，其特征在于：所述最佳中继的选择策略是：在支付完最佳中继的酬劳后，所剩余的货币量最多；
即：源节点会选择出价最低的中继节点来充当最佳中继，以便留存更多的货币用于购买后续的协作传输；若源节点剩余货币量不足以支付最低出价，则此次传输失败，系统产生中断。
3.根据权利要求1所述的选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，其特征在于：在所述拍卖方式竞争协作机会和分配协作功率中，各候选中继根据自身任务量、剩余能量和到目标节点的信道质量来确定各自的功率保留比例，在保证自身可靠传输的前提下，多余的功率用于拍卖，以此换取货币量，所获得的货币量用于在其后续传输失败时用来支付给最佳中继节点，协作其进行传输。
4.根据权利要求3所述的选择协作中基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，其特征在于：通过对所述各候选中继的收益进行计算，获得各候选中继节点的最佳功率保留比例，按照此比例为自身传输和协助传输分配相应功率。
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