CN114641084A - 基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法 - Google Patents

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CN114641084A CN202210149591.3A CN202210149591A CN114641084A CN 114641084 A CN114641084 A CN 114641084A CN 202210149591 A CN202210149591 A CN 202210149591A CN 114641084 A CN114641084 A CN 114641084A
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Abstract

基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法，属无线通信技术领域。先构建系统模型，包括一用于数据传输的共享信道、多个D2D通信对和中继节点，各D2D发射机采用随机接入方式竞争信道接入机会，中继节点用半双工译码转发方式传输数据，中继节点发送功率与中继节点和D2D接收机间的社交信任强度成正比。针对该分布式协同网络，构建社交信任驱动下的信道感知接入统计学模型，设计一种网络平均吞吐量最优的信道接入方法。该方法不仅能利用移动用户间固有的社交关系促进节点间高效可靠的协作通信，且可有效地权衡通过协作通信获得的吞吐量增益和建立最优协作中继的探测成本。另提出的最优信道接入方法具有阈值结构，可离线计算获得。

Description

基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法
技术领域
本发明涉及一种基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，移动数据量呈指数级增长，相应地，对频谱资源的需求也日益增加。然而，可用频谱资源是有限的，无线网络中的用户通常需要竞争信道接入机会。由于无线信道的时变性和用户的分布式竞争特性，信道竞争成功的用户信道状态信息(Channel State Information，CSI)可能好也可能较差，在CSI较差的情况下，若获胜用户利用当前传输机会，那么网络吞吐量势必较低，也就是信道接入机会被低速率链路占用。如何为获胜用户提供较好的信道进行接入是亟待解决的问题。作为一种解决方案，机会调度通过将信道接入机会分配给具有较好CSI的用户极大地提高了网络频谱利用率，具体地，当CSI较差时，获胜用户放弃信道接入机会，以便使网络中具有较好CSI的用户接入信道；当CSI较好时，获胜用户利用当前传输机会，实现较大的吞吐量，其已广泛应用于现有无线网络中。
在集中式无线网络中，中央控制器，如基站，能够收集网络中所有用户的CSI，进而将信道接入机会调度给具有最优CSI的用户，以此获得多用户分集，从统计学角度实现网络吞吐量最优。然而，随着无线通信技术的发展，网络中用户数量不断增加，基站获得用户CSI的信道感知占用大量时间、频率资源，使得信令交互开销与信道接入时间的折衷变得非常困难。不同于集中式无线网络，分布式无线网络由于没有中央控制器，组网快速灵活、节点自治管理，受到广泛关注。然而，由于没有中央控制器进行统一感知和调度，获胜用户要想仅依赖自身CSI做出明智的信道接入决策，高效的信道接入方法变得至关重要。
作为分布式无线网络的重要研究分支，分布式协作网络不仅能够提高频谱利用率，还能扩大无线网络的覆盖范围，因此，分布式协同最优信道接入方法具有重要的研究意义。虽然已有研究工作着力于此，但是大部分研究都忽略了中继设备持有者的本来意愿，即假设用户是完全利他的或自私的。实际上，这种假设是不合理的。由于D2D设备由人携带，用户完全可以控制他所携带的设备，也就是说，决定是否参与协作通信的是用户本身，而并非他所携带的设备。考虑到人在某种程度上是自私的，人们不愿意贡献自己有价值的通信资源(如电池、流量等)来最大化陌生人的利益；然而，人在某种程度上又是无私的，人们尽其所能无偿为其亲属、朋友等提供帮助。基于上述问题，联合社交网络和无线通信的社交感知D2D通信在最近的研究中被提出。“Social-aware Relay Selection for CooperativeNetworking：An Optimal Stopping Approach，”【M.Zhang，X.Chen and J.Zhang，2014IEEE International Conference on Communications(ICC)，pp.2257-2262，2014.】一文中利用移动用户之间的社交关系结构，提出基于社交信任的协作D2D中继框架，该框架采用TDMA机制，系统中各用户最大传输功率由基站确定，同时考虑物理距离和社交距离，基于最优停止理论，推导了最优社交感知中继选择策略，使系统性能增益和中继探测成本之间达到平衡。“Social-Community-Aware Resource Allocation for D2D CommunicationsUnderlaying Cellular Networks，”【F.Wang，Y.Li，Z.Wang and Z.Yang，IEEETransactions on Vehicular Technology，vol.65，no.5，pp.3628-3640，May 2016.】一文中利用移动用户之间的社交关系促进D2D资源共享，提出一种社区感知的D2D资源分配框架，在提出的框架中蜂窝用户更愿意将频谱资源分配给同一社区中具有社交关系的D2D通信对，在此基础上，构建社区联盟建立和D2D通信对最优资源分配问题的两步联盟博弈。目前查阅到的资料中，没有在分布式协同最优信道接入方法的研究中考虑用户之间社交信任关系的先例。
发明内容
为了克服背景技术的缺陷和不足，本发明提供了一种基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法，在以下网络中运行，该网络中包括I个设备到设备即D2D通信对、J个中继节点和一个用于数据传输的共享信道，其中各D2D通信对的发射机即信源采用随机接入方式竞争信道接入机会，中继节点采用半双工译码转发即DF方式传输数据，信源、D2D通信对的接收机即信宿和中继节点集合分别表示为
Figure BDA0003510164550000021
和
Figure BDA0003510164550000022
该网络映射到两个域：物理域和社交域，其中物理域从物理角度反映D2D设备之间的物理通信行为，由无线信道的时变性和用户的移动性，不同D2D设备在不同时间具有不同的物理链路拓扑关系，社交域由日常生活中真实的人构成，反映人们之间真实、稳定的社交关系，每个人都携带一个能够接入互联网的移动设备，也就是物理域中的D2D设备或中继节点，中继节点仅为与其具有社交信任关系的用户转发数据，而且社交信任强度越强，中继节点贡献的通信资源也越多，即中继节点发送功率与中继节点和信宿之间的社交信任强度成正比；对任意信宿
Figure BDA0003510164550000023
用βji表示中继节点rj和信宿di之间的社交信任强度，βji∈[0，1]，βji的值越大，表示rj和di之间的社交信任强度越强，那么rj的转发功率也越大；若βji＝0，则rj和di之间没有社交信任关系，rj不会帮助di进行协作通信，若βji＞0，则rj和di之间具有社交信任关系，称rj是di的邻居节点，所有与di具有社交信任关系的中继节点构成di的邻居节点集合，用
Figure BDA0003510164550000031
表示，其中
Figure BDA0003510164550000032
表示定义符号、
Figure BDA0003510164550000033
表示取任意、∈表示属于；针对以上分布式协同网络，构建社交信任驱动下的信道感知接入统计学模型，设计网络平均吞吐量最优的统计决策方法，该方法具体步骤如下：
1)信道感知接入统计学建模
各信源以竞争方式感知和接入信道，每次信道竞争，所有信源s1，s2，...，sI分别以概率p1，p2，...，pI发送请求发送即RTS包，当在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包时，信道竞争成功，将发送RTS包的信源称为获胜信源，其获得信道接入机会，将获胜信源对应的信宿称为获胜信宿，由于无线信道的广播特性，每次成功信道竞争，获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿估计出获胜信源到其自身的直连信道信噪比即SNR，中继节点估计出获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿首先基于直连信道SNR做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，如果获胜信宿在第一级决策中选择接入直连信道或放弃信道接入机会，本次成功信道竞争将没有第二级决策；如果获胜信宿在第一级决策中选择探测第二跳中继信道，则获胜信宿首先决定待探测的邻居节点集合，然后发送清除发送即CTS包通知集合内邻居节点探测第二跳中继信道，集合内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此获胜信宿获得完整信道状态信息即CSI，获胜信宿基于直连和中继信道SNR做出第二级决策，即从接入最优信道和放弃信道接入机会两个选项中选择其一，这里接入最优信道指从直连信道和中继协作信道中选择具有较大传输速率的信道接入；如果信道竞争失败，即信道空闲或冲突，所有信源在下一时隙重新竞争信道；
对第t次信道接入，设信道接入前共经历了K次成功信道竞争，前K-1次成功信道竞争后获胜信宿d(k)，k＝1，2，...，K-1在第一级决策中选择放弃信道接入机会或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择放弃信道接入机会；第K次成功信道竞争的获胜信源记为
Figure BDA0003510164550000041
获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，下面针对第K次成功信道竞争后获胜信宿的两种决策进行详述：
情况1：获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道，然后发送CTS包通知sl利用直连信道在时间τd内进行数据传输，直连传输的最大可达速率定义为
Figure BDA0003510164550000042
其中，Ps表示获胜信源的传输功率，hll，N(t)表示获胜信源sl到获胜信宿dl之间的信道增益，其服从均值为0、方差为
Figure BDA0003510164550000043
的复高斯分布，
Figure BDA0003510164550000044
表示获胜信源sl通过直连信道传输时获胜信宿的接收信噪比，N表示信道接入方法；获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure BDA0003510164550000045
其中，τd表示数据传输时间，设无线信道服从块衰落模型，τd不大于无线信道的相干时间；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure BDA0003510164550000046
其中，第t次信道接入共经历了K次成功信道竞争，tk表示第k次成功信道竞争的用时，
Figure BDA0003510164550000047
表示第k次成功信道竞争获胜信宿d(k)选择探测的邻居节点构成的集合，为d(k)的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000048
的子集，
Figure BDA0003510164550000049
表示集合
Figure BDA00035101645500000410
中邻居节点的数目，
Figure BDA00035101645500000411
表示指示函数，当括号中内容为真时
Figure BDA00035101645500000412
当括号中内容为假时
Figure BDA00035101645500000413
τCTS表示获胜信宿d(k)发送CTS包通知
Figure BDA00035101645500000414
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI花费的时间，τRTS表示邻居节点发送探测RTS包花费的时间，符号
Figure BDA00035101645500000415
表示对括号中的内容从k＝1到k＝K求和；
情况2：获胜信宿dl在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，然后发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点接入最优信道在时间
Figure BDA0003510164550000051
内进行数据传输，数据传输的最大可达速率定义为
Figure BDA0003510164550000052
其中
Figure BDA0003510164550000053
表示获胜信宿dl探测的邻居节点构成的集合，其为dl的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000054
的非空子集，
Figure BDA00035101645500000521
表示第t次信道接入获胜信源sl到获胜信宿的邻居节点rj的第一跳中继信道增益，gjl，N(t)表示第t次信道接入邻居节点rj到获胜信宿dl的第二跳中继信道增益，
Figure BDA00035101645500000522
和gjl，N(t)分别服从均值为0、方差为
Figure BDA0003510164550000055
和
Figure BDA0003510164550000056
的复高斯分布，Pr表示邻居节点的最大传输功率，βjl表示rj和dl之间的社交信任强度，min表示求最小值，max表示求最大值，
Figure BDA0003510164550000057
表示获胜信源sl通过对应信宿dl的邻居节点rj转发时获胜信宿的接收信噪比，
Figure BDA0003510164550000058
表示在集合
Figure BDA0003510164550000059
中选取邻居节点使获胜信宿接收信噪比的值达到最大，记
Figure BDA00035101645500000510
表示当
Figure BDA00035101645500000511
时，获胜信宿接收信噪比达到最大值，将
Figure BDA00035101645500000512
称为最优邻居节点，获胜信源sl通过集合
Figure BDA00035101645500000513
内最优邻居节点进行协作传输时的最大可达速率表示为
Figure BDA00035101645500000514
获胜信宿的接收信噪比表示为
Figure BDA00035101645500000515
获胜信源sl通过最优信道进行数据传输时，获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure BDA00035101645500000516
其中，
Figure BDA00035101645500000517
表示集合
Figure BDA00035101645500000518
中元素的数目；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure BDA00035101645500000519
基于以上分析，网络平均吞吐量定义为
Figure BDA00035101645500000520
其中，
Figure BDA0003510164550000061
表示求数学期望，t0表示信道接入次数t的上界；设计最优信道接入方法N*，实现网络平均吞吐量最大化的目标，得出如下最优化问题
Figure BDA0003510164550000062
其中，
Figure BDA0003510164550000063
表示使目标函数取极大值时变量N的值；利用提出的最优统计决策方法网络获得的最大平均吞吐量定义为
Figure BDA0003510164550000064
其中，
Figure BDA0003510164550000065
表示通过优化信道接入方法N获得目标函数的上确界；
2)优化问题等价变换
将优化问题(8)变换为基于代价系数的目标函数问题
Figure BDA0003510164550000066
其中，λ*满足
Figure BDA0003510164550000067
3)最优信道接入策略
针对优化问题(10)，对第t次信道接入过程，设第一次信道竞争成功的获胜信源为si，获胜信宿di接收到si的RTS包后，基于直连信道
Figure BDA0003510164550000068
做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，具体分析如下
如果di选择接入直连信道，网络获得的收益为
Figure BDA0003510164550000069
如果di选择探测第二跳中继信道，网络获得的收益为
Figure BDA00035101645500000610
其中
Figure BDA00035101645500000611
表示获胜信宿获得直连信道
Figure BDA00035101645500000612
后，探测邻居节点集合
Figure BDA00035101645500000613
的中继探测阈值函数，符号
Figure BDA00035101645500000614
表示子集、符号
Figure BDA00035101645500000615
表示空集，
Figure BDA00035101645500000616
表示选取获胜信宿邻居节点集合
Figure BDA00035101645500000617
的非空子集使得括号中的值达到最大，根据
Figure BDA00035101645500000718
gji，N(t)的统计特性和表达式(4)可计算出其解析表达式
Figure BDA0003510164550000071
其中获胜信宿获得直连信道SNR条件下，获胜信源si通过对应信宿di的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000072
内最优邻居节点转发数据时di接收信噪比的分布函数表示为
Figure BDA0003510164550000073
di接收信噪比的概率密度函数表示为
Figure BDA0003510164550000074
表示对括号中内容关于变量γ从积分下限到上限求积分；
如果di选择放弃信道接入机会，网络获得的收益为
-λ*t1 (13)
基于式(11)-(13)，最大网络平均吞吐量λ*满足
Figure BDA0003510164550000075
其中，
Figure BDA0003510164550000076
τ0表示出现获胜信源所需时间的数学期望，即对
Figure BDA0003510164550000077
Figure BDA0003510164550000078
具体地，
Figure BDA0003510164550000079
符号
Figure BDA00035101645500000710
表示对括号中的内容从i＝1到i＝I求乘积；
对任意一次成功信道竞争，获胜信宿
Figure BDA00035101645500000711
获得直连信道
Figure BDA00035101645500000712
后，如果
Figure BDA00035101645500000713
且
Figure BDA00035101645500000714
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure BDA00035101645500000715
且
Figure BDA00035101645500000716
获胜信宿di选择探测第二跳中继信道，具体地，获胜信宿发送CTS包通知集合
Figure BDA00035101645500000717
内邻居节点探测第二跳中继信道，集合
Figure BDA0003510164550000081
内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，获胜信宿基于直连和中继信道SNR利用(4)式计算出
Figure BDA0003510164550000082
若
Figure BDA0003510164550000083
获胜信宿选择接入最优信道，并发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点通过最优信道进行数据传输，其中
Figure BDA0003510164550000084
若
Figure BDA0003510164550000085
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure BDA0003510164550000086
且
Figure BDA0003510164550000087
获胜信宿选择接入直连信道，并发送CTS包通知获胜信源利用直连信道进行数据传输；定义差函数
Figure BDA0003510164550000088
表示获胜信宿获得直连信道SNR后选择接入直连信道和探测第二跳中继信道获得收益的差值；定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和探测第二跳中继信道的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA0003510164550000089
即当直连信道
Figure BDA00035101645500000810
时，
Figure BDA00035101645500000811
定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA00035101645500000812
即当直连信道
Figure BDA00035101645500000813
时，
Figure BDA00035101645500000814
定义获胜信宿选择探测第二跳中继信道的收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA00035101645500000815
即当直连信道
Figure BDA00035101645500000816
时，
Figure BDA00035101645500000817
由以上综述如下：
i.构建基于社交信任的分布式协同网络，定义网络工作机制和基本参数，确定统计优化模型，并利用公式(14)离线迭代计算网络统计最优吞吐量λ*；
ii.根据步骤i中给定的网络参数和λ*，离线求解等式
Figure BDA00035101645500000818
和
Figure BDA00035101645500000819
的解，如果上述等式有解，分别为
Figure BDA00035101645500000820
和
Figure BDA00035101645500000821
并且等式的解一定满足以下条件，
Figure BDA00035101645500000822
和
Figure BDA00035101645500000823
iii.所有信源s1，s2，...，sI分别以概率p1，p2，...，pI发送RTS包竞争信道接入机会，若在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包，则信道竞争成功，进入步骤iv，否则，重复步骤iii；
iv.获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿di估计出获胜信源si到其自身的直连信道
Figure BDA0003510164550000091
中继节点rj，j＝1，2，...，J估计出si到其自身的第一跳中继信道
Figure BDA0003510164550000092
进入步骤v；
v.根据步骤ii求出的判决门限进行数值比较，具体地，如果
Figure BDA0003510164550000093
探测第二跳中继信道不会成为最优决策，进入步骤vi；如果
Figure BDA0003510164550000094
不存在(即
Figure BDA0003510164550000095
)，放弃信道接入机会不会成为最优决策，转至步骤vii；如果
Figure BDA0003510164550000096
且
Figure BDA0003510164550000097
转至步骤viii；
vi.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA0003510164550000098
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA0003510164550000099
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500000910
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；
vii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA00035101645500000911
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA00035101645500000912
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500000913
di选择探测第二跳中继信道，跳转至步骤ix；
viii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA00035101645500000914
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA00035101645500000915
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500000916
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500000917
di选择探测第二跳中继信道，进入步骤ix；
ix.获胜信宿di发送CTS包通知集合
Figure BDA00035101645500000918
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI，集合
Figure BDA00035101645500000919
内邻居节点接收到di的CTS包后依次向di发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此di获得完整CSI，根据公式(4)计算出通过最优信道传输的最大可达速率
Figure BDA00035101645500000920
将
Figure BDA00035101645500000921
与λ*进行比较做出第二级决策：
a)如果
Figure BDA00035101645500000922
di选择接入最优信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；
b)如果
Figure BDA00035101645500000923
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii，所有信源继续进行下一轮信道竞争。
所述的RTS是英文request-to-send的缩写，汉语意为请求发送，是信道感知接入协议里常用的数据包。
所述的CTS是英文clear-to-send的缩写，汉语意为清除发送，是信道感知接入协议里常用的数据包，被接收节点用于对发送节点做出回应。
所述的SNR是英文Signal-to-Noise Ratio的缩写，汉语意为信噪比。
所述的CSI是英文Channel State Information的缩写，汉语意为信道状态信息。
所述的D2D是英文Device-to-Device的缩写，汉语意为设备到设备。
本发明的有益效果是基于信宿和中继节点之间的社交信任关系，设计网络平均吞吐量最优的信道接入方法。设计的最优信道接入方法不仅能够利用移动用户间固有的社交关系促进节点之间高效可靠的协作通信，而且可以有效地权衡通过协作通信获得的吞吐量增益和建立最优协作中继的探测成本。此外，提出的最优信道接入方法具有阈值结构，可离线计算获得。
附图说明
图1为本发明基于社交信任模型的分布式协同网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例：
一种基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法，在以下网络中运行，如图1所示，该网络中包括I个设备到设备即D2D通信对、J个中继节点和一个用于数据传输的共享信道，其中各D2D通信对的发射机即信源采用随机接入方式竞争信道接入机会，中继节点采用半双工译码转发即DF方式传输数据，信源、D2D通信对的接收机即信宿和中继节点集合分别表示为
Figure BDA0003510164550000101
和
Figure BDA0003510164550000102
该网络映射到两个域：物理域和社交域，其中物理域从物理角度反映D2D设备之间的物理通信行为，由无线信道的时变性和用户的移动性，不同D2D设备在不同时间具有不同的物理链路拓扑关系，社交域由日常生活中真实的人构成，反映人们之间真实、稳定的社交关系，每个人都携带一个能够接入互联网的移动设备，也就是物理域中的D2D设备或中继节点，中继节点仅为与其具有社交信任关系的用户转发数据，而且社交信任强度越强，中继节点贡献的通信资源也越多，即中继节点发送功率与中继节点和信宿之间的社交信任强度成正比；对任意信宿
Figure BDA0003510164550000103
用βji表示中继节点rj和信宿di之间的社交信任强度，βji∈[0，1]，βji的值越大，表示rj和di之间的社交信任强度越强，那么rj的转发功率也越大；若βji＝0，则rj和di之间没有社交信任关系，rj不会帮助di进行协作通信，若βji＞0，则rj和di之间具有社交信任关系，称ri是di的邻居节点，所有与di具有社交信任关系的中继节点构成di的邻居节点集合，用
Figure BDA0003510164550000111
表示，其中
Figure BDA0003510164550000112
表示定义符号、
Figure BDA0003510164550000113
表示取任意、∈表示属于；针对以上分布式协同网络，构建社交信任驱动下的信道感知接入统计学模型，设计网络平均吞吐量最优的统计决策方法，该方法具体步骤如下：
1)信道感知接入统计学建模
各信源以竞争方式感知和接入信道，每次信道竞争，所有信源s1，s2，...，sI分别以概率p1，p2，...，pI发送请求发送即RTS包，当在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包时，信道竞争成功，将发送RTS包的信源称为获胜信源，其获得信道接入机会，将获胜信源对应的信宿称为获胜信宿，由于无线信道的广播特性，每次成功信道竞争，获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿估计出获胜信源到其自身的直连信道信噪比即SNR，中继节点估计出获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿首先基于直连信道SNR做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，如果获胜信宿在第一级决策中选择接入直连信道或放弃信道接入机会，本次成功信道竞争将没有第二级决策；如果获胜信宿在第一级决策中选择探测第二跳中继信道，则获胜信宿首先决定待探测的邻居节点集合，然后发送清除发送即CTS包通知集合内邻居节点探测第二跳中继信道，集合内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此获胜信宿获得完整信道状态信息即CSI，获胜信宿基于直连和中继信道SNR做出第二级决策，即从接入最优信道和放弃信道接入机会两个选项中选择其一，这里接入最优信道指从直连信道和中继协作信道中选择具有较大传输速率的信道接入；如果信道竞争失败，即信道空闲或冲突，所有信源在下一时隙重新竞争信道；
对第t次信道接入，设信道接入前共经历了K次成功信道竞争，前K-1次成功信道竞争后获胜信宿d(k)，k＝1，2，...，K-1在第一级决策中选择放弃信道接入机会或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择放弃信道接入机会；第K次成功信道竞争的获胜信源记为
Figure BDA0003510164550000121
获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，下面针对第K次成功信道竞争后获胜信宿的两种决策进行详述：
情况1：获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道，然后发送CTS包通知sl利用直连信道在时间τd内进行数据传输，直连传输的最大可达速率定义为
Figure BDA0003510164550000122
其中，Ps表示获胜信源的传输功率，hll，N(t)表示获胜信源sl到获胜信宿dl之间的信道增益，其服从均值为0、方差为
Figure BDA0003510164550000123
的复高斯分布，
Figure BDA0003510164550000124
表示获胜信源sl通过直连信道传输时获胜信宿的接收信噪比，N表示信道接入方法；获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure BDA0003510164550000125
其中，τd表示数据传输时间，设无线信道服从块衰落模型，τd不大于无线信道的相干时间；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure BDA0003510164550000126
其中，第t次信道接入共经历了K次成功信道竞争，tk表示第k次成功信道竞争的用时，
Figure BDA0003510164550000127
表示第k次成功信道竞争获胜信宿d(k)选择探测的邻居节点构成的集合，为d(k)的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000128
的子集，
Figure BDA0003510164550000129
表示集合
Figure BDA00035101645500001210
中邻居节点的数目，
Figure BDA00035101645500001211
表示指示函数，当括号中内容为真时
Figure BDA00035101645500001212
当括号中内容为假时
Figure BDA00035101645500001213
τCTS表示获胜信宿d(k)发送CTS包通知
Figure BDA00035101645500001214
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI花费的时间，τRTS表示邻居节点发送探测RTS包花费的时间，符号
Figure BDA00035101645500001215
表示对括号中的内容从k＝1到k＝K求和；
情况2：获胜信宿dl在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，然后发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点接入最优信道在时间
Figure BDA00035101645500001216
内进行数据传输，数据传输的最大可达速率定义为
Figure BDA0003510164550000131
其中
Figure BDA0003510164550000132
表示获胜信宿dl探测的邻居节点构成的集合，其为dl的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000133
的非空子集，
Figure BDA0003510164550000134
表示第t次信道接入获胜信源sl到获胜信宿的邻居节点rj的第一跳中继信道增益，gjl，N(t)表示第t次信道接入邻居节点rj到获胜信宿dl的第二跳中继信道增益，
Figure BDA0003510164550000135
和gjl，N(t)分别服从均值为0、方差为
Figure BDA0003510164550000136
和
Figure BDA0003510164550000137
的复高斯分布，Pr表示邻居节点的最大传输功率，βjl表示rj和dl之间的社交信任强度，min表示求最小值，max表示求最大值，
Figure BDA0003510164550000138
表示获胜信源sl通过对应信宿dl的邻居节点rj转发时获胜信宿的接收信噪比，
Figure BDA0003510164550000139
表示在集合
Figure BDA00035101645500001310
中选取邻居节点使获胜信宿接收信噪比的值达到最大，记
Figure BDA00035101645500001311
表示当
Figure BDA00035101645500001312
时，获胜信宿接收信噪比达到最大值，将
Figure BDA00035101645500001313
称为最优邻居节点，获胜信源sl通过集合
Figure BDA00035101645500001314
内最优邻居节点进行协作传输时的最大可达速率表示为
Figure BDA00035101645500001315
获胜信宿的接收信噪比表示为
Figure BDA00035101645500001316
获胜信源sl通过最优信道进行数据传输时，获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure BDA00035101645500001317
其中，
Figure BDA00035101645500001318
表示集合
Figure BDA00035101645500001319
中元素的数目；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure BDA00035101645500001320
基于以上分析，网络平均吞吐量定义为
Figure BDA00035101645500001321
其中，
Figure BDA00035101645500001322
表示求数学期望，t0表示信道接入次数t的上界；设计最优信道接入方法N*，实现网络平均吞吐量最大化的目标，得出如下最优化问题
Figure BDA0003510164550000141
其中，
Figure BDA0003510164550000142
表示使目标函数取极大值时变量N的值；利用提出的最优统计决策方法网络获得的最大平均吞吐量定义为
Figure BDA0003510164550000143
其中，
Figure BDA0003510164550000144
表示通过优化信道接入方法N获得目标函数的上确界；
2)优化问题等价变换
将优化问题(8)变换为基于代价系数的目标函数问题
Figure BDA0003510164550000145
其中，λ*满足
Figure BDA0003510164550000146
3)最优信道接入策略
针对优化问题(10)，对第t次信道接入过程，设第一次信道竞争成功的获胜信源为si，获胜信宿di接收到si的RTS包后，基于直连信道
Figure BDA0003510164550000147
做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，具体分析如下
如果di选择接入直连信道，网络获得的收益为
Figure BDA0003510164550000148
如果di选择探测第二跳中继信道，网络获得的收益为
Figure BDA0003510164550000149
其中
Figure BDA00035101645500001410
表示获胜信宿获得直连信道
Figure BDA00035101645500001411
后，探测邻居节点集合
Figure BDA00035101645500001412
的中继探测阈值函数，符号
Figure BDA00035101645500001413
表示子集、符号
Figure BDA00035101645500001414
表示空集，
Figure BDA00035101645500001415
表示选取获胜信宿邻居节点集合
Figure BDA00035101645500001416
的非空子集使得括号中的值达到最大，根据
Figure BDA00035101645500001417
gji，N(t)的统计特性和表达式(4)可计算出其解析表达式
Figure BDA0003510164550000151
其中获胜信宿获得直连信道SNR条件下，获胜信源si通过对应信宿di的邻居节点集合
Figure BDA0003510164550000152
内最优邻居节点转发数据时di接收信噪比的分布函数表示为
Figure BDA0003510164550000153
di接收信噪比的概率密度函数表示为
Figure BDA0003510164550000154
表示对括号中内容关于变量γ从积分下限到上限求积分；
如果di选择放弃信道接入机会，网络获得的收益为
-λ*t1 (13)
基于式(11)-(13)，最大网络平均吞吐量λ*满足
Figure BDA0003510164550000155
其中，
Figure BDA0003510164550000156
τ0表示出现获胜信源所需时间的数学期望，即对
Figure BDA0003510164550000157
Figure BDA0003510164550000158
具体地，
Figure BDA0003510164550000159
符号
Figure BDA00035101645500001510
表示对括号中的内容从i＝1到i＝I求乘积；
对任意一次成功信道竞争，获胜信宿
Figure BDA00035101645500001511
获得直连信道
Figure BDA00035101645500001512
后，如果
Figure BDA00035101645500001513
且
Figure BDA00035101645500001514
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure BDA00035101645500001515
且
Figure BDA00035101645500001516
获胜信宿di选择探测第二跳中继信道，具体地，获胜信宿发送CTS包通知集合
Figure BDA00035101645500001517
内邻居节点探测第二跳中继信道，集合
Figure BDA00035101645500001518
内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，获胜信宿基于直连和中继信道SNR利用(4)式计算出
Figure BDA0003510164550000161
若
Figure BDA0003510164550000162
获胜信宿选择接入最优信道，并发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点通过最优信道进行数据传输，其中
Figure BDA0003510164550000163
若
Figure BDA0003510164550000164
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure BDA0003510164550000165
且
Figure BDA0003510164550000166
获胜信宿选择接入直连信道，并发送CTS包通知获胜信源利用直连信道进行数据传输；定义差函数
Figure BDA0003510164550000167
表示获胜信宿获得直连信道SNR后选择接入直连信道和探测第二跳中继信道获得收益的差值；定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和探测第二跳中继信道的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA00035101645500001622
即当直连信道
Figure BDA0003510164550000168
时，
Figure BDA0003510164550000169
定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA00035101645500001610
即当直连信道
Figure BDA00035101645500001611
时，
Figure BDA00035101645500001612
定义获胜信宿选择探测第二跳中继信道的收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure BDA00035101645500001613
即当直连信道
Figure BDA00035101645500001614
时，
Figure BDA00035101645500001615
由以上综述如下：
i.构建基于社交信任的分布式协同网络，定义网络工作机制和基本参数，确定统计优化模型，并利用公式(14)离线迭代计算网络统计最优吞吐量λ*；
ii.根据步骤i中给定的网络参数和λ*，离线求解等式
Figure BDA00035101645500001616
和
Figure BDA00035101645500001617
的解，如果上述等式有解，分别为
Figure BDA00035101645500001618
和
Figure BDA00035101645500001619
并且等式的解一定满足以下条件，
Figure BDA00035101645500001620
和
Figure BDA00035101645500001621
iii.所有信源s1，s2，...，sI分别以概率p1，p2，...，pI发送RTS包竞争信道接入机会，若在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包，则信道竞争成功，进入步骤iv，否则，重复步骤iii；
iv.获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿di估计出获胜信源si到其自身的直连信道
Figure BDA0003510164550000171
中继节点rj，j＝1，2，...，J估计出si到其自身的第一跳中继信道
Figure BDA0003510164550000172
进入步骤v；
v.根据步骤ii求出的判决门限进行数值比较，具体地，如果
Figure BDA0003510164550000173
探测第二跳中继信道不会成为最优决策，进入步骤vi；如果
Figure BDA0003510164550000174
不存在(即
Figure BDA0003510164550000175
)，放弃信道接入机会不会成为最优决策，转至步骤vii；如果
Figure BDA0003510164550000176
且
Figure BDA0003510164550000177
转至步骤viii；
vi.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA0003510164550000178
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA0003510164550000179
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500001710
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；
vii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA00035101645500001711
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA00035101645500001712
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500001713
di选择探测第二跳中继信道，跳转至步骤ix；
viii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure BDA00035101645500001714
与判决门限进行比较，如果
Figure BDA00035101645500001715
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500001716
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；如果
Figure BDA00035101645500001717
di选择探测第二跳中继信道，进入步骤ix；
ix.获胜信宿di发送CTS包通知集合
Figure BDA00035101645500001718
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI，集合
Figure BDA00035101645500001719
内邻居节点接收到di的CTS包后依次向di发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此di获得完整CSI，根据公式(4)计算出通过最优信道传输的最大可达速率
Figure BDA00035101645500001720
将
Figure BDA00035101645500001721
与λ*进行比较做出第二级决策：
a)如果
Figure BDA00035101645500001722
di选择接入最优信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；
b)如果
Figure BDA00035101645500001723
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii，所有信源继续进行下一轮信道竞争。

Claims (1)

1.一种基于社交信任模型的分布式协同最优信道接入方法，在以下网络中运行，该网络中包括I个设备到设备即D2D通信对、J个中继节点和一个用于数据传输的共享信道，其中各D2D通信对的发射机即信源采用随机接入方式竞争信道接入机会，中继节点采用半双工译码转发即DF方式传输数据，信源、D2D通信对的接收机即信宿和中继节点集合分别表示为
Figure FDA0003510164540000011
和
Figure FDA0003510164540000012
该网络映射到两个域：物理域和社交域，其中物理域从物理角度反映D2D设备之间的物理通信行为，由于无线信道的时变性和用户的移动性，不同D2D设备在不同时间具有不同的物理链路拓扑关系，社交域由日常生活中真实的人构成，反映人们之间真实、稳定的社交关系，每个人都携带一个能够接入互联网的移动设备，也就是物理域中的D2D设备或中继节点，中继节点仅为与其具有社交信任关系的用户转发数据，而且社交信任强度越强，中继节点贡献的通信资源也越多，即中继节点发送功率与中继节点和信宿之间的社交信任强度成正比；对任意信宿
Figure FDA0003510164540000013
用βji表示中继节点rj和信宿di之间的社交信任强度，βji∈[0,1]，βji的值越大，表示rj和di之间的社交信任强度越强，那么rj的转发功率也越大；若βji＝0，则rj和di之间没有社交信任关系，rj不会帮助di进行协作通信，若βji＞0，则rj和di之间具有社交信任关系，称rj是di的邻居节点，所有与di具有社交信任关系的中继节点构成di的邻居节点集合，用
Figure FDA0003510164540000014
表示，其中
Figure FDA0003510164540000015
表示定义符号、
Figure FDA0003510164540000016
表示取任意、∈表示属于；针对以上分布式协同网络，构建社交信任驱动下的信道感知接入统计学模型，设计网络平均吞吐量最优的统计决策方法，该方法具体步骤如下：
1)信道感知接入统计学建模
各信源以竞争方式感知和接入信道，每次信道竞争，所有信源s1,s2,…,sI分别以概率p1,p2,…,pI发送请求发送即RTS包，当在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包时，信道竞争成功，将发送RTS包的信源称为获胜信源，其获得信道接入机会，将获胜信源对应的信宿称为获胜信宿，由于无线信道的广播特性，每次成功信道竞争，获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿估计出获胜信源到其自身的直连信道信噪比即SNR，中继节点估计出获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿首先基于直连信道SNR做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，如果获胜信宿在第一级决策中选择接入直连信道或放弃信道接入机会，本次成功信道竞争将没有第二级决策；如果获胜信宿在第一级决策中选择探测第二跳中继信道，则获胜信宿首先决定待探测的邻居节点集合，然后发送清除发送即CTS包通知集合内邻居节点探测第二跳中继信道，集合内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此获胜信宿获得完整信道状态信息即CSI，获胜信宿基于直连和中继信道SNR做出第二级决策，即从接入最优信道和放弃信道接入机会两个选项中选择其一，这里接入最优信道指从直连信道和中继协作信道中选择具有较大传输速率的信道接入；如果信道竞争失败，即信道空闲或冲突，所有信源在下一时隙重新竞争信道；
对第t次信道接入，设信道接入前共经历了K次成功信道竞争，前K-1次成功信道竞争后获胜信宿d(k),k＝1,2,…,K-1在第一级决策中选择放弃信道接入机会或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择放弃信道接入机会；第K次成功信道竞争的获胜信源记为
Figure FDA0003510164540000021
获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道或者在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，下面针对第K次成功信道竞争后获胜信宿的两种决策进行详述：
情况1：获胜信宿dl在第一级决策中选择接入直连信道，然后发送CTS包通知sl利用直连信道在时间τd内进行数据传输，直连传输的最大可达速率定义为
Figure FDA0003510164540000022
其中，Ps表示获胜信源的传输功率，hll,N(t)表示获胜信源sl到获胜信宿dl之间的信道增益，其服从均值为0、方差为
Figure FDA0003510164540000023
的复高斯分布，
Figure FDA0003510164540000024
表示获胜信源sl通过直连信道传输时获胜信宿的接收信噪比，N表示信道接入方法；获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure FDA0003510164540000025
其中，τd表示数据传输时间，设无线信道服从块衰落模型，τd不大于无线信道的相干时间；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure FDA0003510164540000031
其中，第t次信道接入共经历了K次成功信道竞争，tk表示第k次成功信道竞争的用时，
Figure FDA0003510164540000032
表示第k次成功信道竞争获胜信宿d(k)选择探测的邻居节点构成的集合，为d(k)的邻居节点集合
Figure FDA0003510164540000033
的子集，
Figure FDA0003510164540000034
表示集合
Figure FDA0003510164540000035
中邻居节点的数目，
Figure FDA0003510164540000036
表示指示函数，当括号中内容为真时
Figure FDA0003510164540000037
当括号中内容为假时
Figure FDA0003510164540000038
τCTS表示获胜信宿d(k)发送CTS包通知
Figure FDA0003510164540000039
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI花费的时间，τRTS表示邻居节点发送探测RTS包花费的时间，符号
Figure FDA00035101645400000310
表示对括号中的内容从k＝1到k＝K求和；
情况2：获胜信宿dl在第一级决策中选择探测第二跳中继信道、在第二级决策中选择接入最优信道，然后发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点接入最优信道在时间
Figure FDA00035101645400000311
内进行数据传输，数据传输的最大可达速率定义为
Figure FDA00035101645400000312
其中
Figure FDA00035101645400000313
表示获胜信宿dl探测的邻居节点构成的集合，其为dl的邻居节点集合
Figure FDA00035101645400000314
的非空子集，flj,N(t)表示第t次信道接入获胜信源sl到获胜信宿的邻居节点rj的第一跳中继信道增益，gjl,N(t)表示第t次信道接入邻居节点rj到获胜信宿dl的第二跳中继信道增益，flj,N(t)和gjl,N(t)分别服从均值为0、方差为
Figure FDA00035101645400000315
和
Figure FDA00035101645400000316
的复高斯分布，Pr表示邻居节点的最大传输功率，βjl表示rj和dl之间的社交信任强度，min表示求最小值，max表示求最大值，
Figure FDA00035101645400000317
表示获胜信源sl通过对应信宿dl的邻居节点rj转发时获胜信宿的接收信噪比，
Figure FDA00035101645400000318
表示在集合
Figure FDA00035101645400000319
中选取邻居节点使获胜信宿接收信噪比的值达到最大，记
Figure FDA00035101645400000320
表示当
Figure FDA00035101645400000416
时，获胜信宿接收信噪比达到最大值，将
Figure FDA00035101645400000417
称为最优邻居节点，获胜信源sl通过集合
Figure FDA0003510164540000041
内最优邻居节点进行协作传输时的最大可达速率表示为
Figure FDA0003510164540000042
获胜信宿的接收信噪比表示为
Figure FDA0003510164540000043
获胜信源sl通过最优信道进行数据传输时，获胜信宿dl接收到的数据量定义为
Figure FDA0003510164540000044
其中，
Figure FDA0003510164540000045
表示集合
Figure FDA0003510164540000046
中元素的数目；第t次信道接入花费的总时间定义为
Figure FDA0003510164540000047
基于以上分析，网络平均吞吐量定义为
Figure FDA0003510164540000048
其中，
Figure FDA0003510164540000049
表示求数学期望，t0表示信道接入次数t的上界；设计最优信道接入方法N*，实现网络平均吞吐量最大化的目标，得出如下最优化问题
Figure FDA00035101645400000410
其中，
Figure FDA00035101645400000411
表示使目标函数取极大值时变量N的值；利用提出的最优统计决策方法网络获得的最大平均吞吐量定义为
Figure FDA00035101645400000412
其中，
Figure FDA00035101645400000413
表示通过优化信道接入方法N获得目标函数的上确界；
2)优化问题等价变换
将优化问题(8)变换为基于代价系数的目标函数问题
Figure FDA00035101645400000414
其中，λ*满足
Figure FDA00035101645400000415
3)最优信道接入策略
针对优化问题(10)，对第t次信道接入过程，设第一次信道竞争成功的获胜信源为si，获胜信宿di接收到si的RTS包后，基于直连信道
Figure FDA0003510164540000051
做出第一级决策，即从接入直连信道、探测第二跳中继信道和放弃信道接入机会三个选项中选择其一，具体分析如下
如果di选择接入直连信道，网络获得的收益为
Figure FDA0003510164540000052
如果di选择探测第二跳中继信道，网络获得的收益为
Figure FDA0003510164540000053
其中
Figure FDA0003510164540000054
表示获胜信宿获得直连信道
Figure FDA0003510164540000055
后，探测邻居节点集合
Figure FDA0003510164540000056
的中继探测阈值函数，符号
Figure FDA0003510164540000057
表示子集、符号
Figure FDA0003510164540000058
表示空集，
Figure FDA0003510164540000059
表示选取获胜信宿邻居节点集合
Figure FDA00035101645400000510
的非空子集使得括号中的值达到最大，根据fij,N(t)、gji,N(t)的统计特性和表达式(4)可计算出其解析表达式
Figure FDA00035101645400000511
其中获胜信宿获得直连信道SNR条件下，获胜信源si通过对应信宿di的邻居节点集合
Figure FDA00035101645400000512
内最优邻居节点转发数据时di接收信噪比的分布函数表示为
Figure FDA00035101645400000513
di接收信噪比的概率密度函数表示为
Figure FDA00035101645400000514
Figure FDA00035101645400000515
表示对括号中内容关于变量γ从积分下限到上限求积分；
如果di选择放弃信道接入机会，网络获得的收益为
-λ*t1 (13)
基于式(11)-(13)，最大网络平均吞吐量λ*满足
Figure FDA0003510164540000061
其中，
Figure FDA0003510164540000062
τ0表示出现获胜信源所需时间的数学期望，即对
Figure FDA0003510164540000063
Figure FDA0003510164540000064
具体地，
Figure FDA0003510164540000065
符号
Figure FDA0003510164540000066
表示对括号中的内容从i＝1到i＝I求乘积；
对任意一次成功信道竞争，获胜信宿
Figure FDA0003510164540000067
获得直连信道
Figure FDA0003510164540000068
后，如果
Figure FDA0003510164540000069
且
Figure FDA00035101645400000610
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure FDA00035101645400000611
且
Figure FDA00035101645400000612
获胜信宿di选择探测第二跳中继信道，具体地，获胜信宿发送CTS包通知集合
Figure FDA00035101645400000613
内邻居节点探测第二跳中继信道，集合
Figure FDA00035101645400000614
内邻居节点接收到获胜信宿发送的CTS包后，依次向获胜信宿发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，获胜信宿基于直连和中继信道SNR利用(4)式计算出
Figure FDA00035101645400000615
若
Figure FDA00035101645400000616
获胜信宿选择接入最优信道，并发送CTS包通知获胜信源和相应邻居节点通过最优信道进行数据传输，其中
Figure FDA00035101645400000617
若
Figure FDA00035101645400000618
获胜信宿选择放弃信道接入机会，并发送CTS包通知所有信源在下一时隙重新竞争信道；如果
Figure FDA00035101645400000619
且
Figure FDA00035101645400000620
获胜信宿选择接入直连信道，并发送CTS包通知获胜信源利用直连信道进行数据传输；定义差函数
Figure FDA00035101645400000621
表示获胜信宿获得直连信道SNR后选择接入直连信道和探测第二跳中继信道获得收益的差值；定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和探测第二跳中继信道的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure FDA00035101645400000622
即当直连信道
Figure FDA00035101645400000623
时，
Figure FDA00035101645400000624
定义获胜信宿选择接入直连信道的即时收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure FDA0003510164540000071
即当直连信道
Figure FDA0003510164540000072
时，
Figure FDA0003510164540000073
定义获胜信宿选择探测第二跳中继信道的收益和放弃信道接入机会的收益相同时直连信道SNR的值为
Figure FDA0003510164540000074
即当直连信道
Figure FDA0003510164540000075
时，
Figure FDA0003510164540000076
由以上综述如下：
i.构建基于社交信任的分布式协同网络，定义网络工作机制和基本参数，确定统计优化模型，并利用公式(14)离线迭代计算网络统计最优吞吐量λ*；
ii.根据步骤i中给定的网络参数和λ*，离线求解等式
Figure FDA0003510164540000077
和
Figure FDA0003510164540000078
的解，如果上述等式有解，分别为
Figure FDA0003510164540000079
和
Figure FDA00035101645400000710
并且等式的解一定满足以下条件，
Figure FDA00035101645400000711
和
Figure FDA00035101645400000712
iii.所有信源s1,s2,...,sI分别以概率p1,p2,...,pI发送RTS包竞争信道接入机会，若在一个微小时隙δ内有且仅有一个信源发送RTS包，则信道竞争成功，进入步骤iv，否则，重复步骤iii；
iv.获胜信宿和所有中继节点均接收到获胜信源发送的RTS包，根据接收到的RTS包，获胜信宿di估计出获胜信源si到其自身的直连信道
Figure FDA00035101645400000713
中继节点rj,j＝1,2,...,J估计出si到其自身的第一跳中继信道
Figure FDA00035101645400000714
进入步骤v；
v.根据步骤ii求出的判决门限进行数值比较，具体地，如果
Figure FDA00035101645400000715
探测第二跳中继信道不会成为最优决策，进入步骤vi；如果
Figure FDA00035101645400000716
不存在即
Figure FDA00035101645400000717
放弃信道接入机会不会成为最优决策，转至步骤vii；如果
Figure FDA00035101645400000718
且
Figure FDA00035101645400000719
转至步骤viii；
vi.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure FDA00035101645400000720
与判决门限进行比较，如果
Figure FDA00035101645400000721
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure FDA00035101645400000722
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；
vii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure FDA00035101645400000723
与判决门限进行比较，如果
Figure FDA00035101645400000724
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure FDA00035101645400000725
di选择探测第二跳中继信道，跳转至步骤ix；
viii.获胜信宿di利用步骤iv估计出的直连信道
Figure FDA0003510164540000081
与判决门限进行比较，如果
Figure FDA0003510164540000082
di选择接入直连信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；如果
Figure FDA0003510164540000083
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii；如果
Figure FDA0003510164540000084
di选择探测第二跳中继信道，进入步骤ix；
ix.获胜信宿di发送CTS包通知集合
Figure FDA0003510164540000085
内邻居节点探测第二跳中继信道CSI，集合
Figure FDA0003510164540000086
内邻居节点接收到di的CTS包后依次向di发送RTS包，其中包含获胜信源到其自身的第一跳中继信道SNR，获胜信宿通过接收邻居节点发送的RTS包估计出邻居节点到其自身的第二跳中继信道SNR，至此di获得完整CSI，根据公式(4)计算出通过最优信道传输的最大可达速率
Figure FDA0003510164540000087
将
Figure FDA0003510164540000088
与λ*进行比较做出第二级决策：
a)如果
Figure FDA0003510164540000089
di选择接入最优信道，单次数据传输结束后返回步骤iii；
b)如果
Figure FDA00035101645400000810
di选择放弃信道接入机会，跳转至步骤iii，所有信源继续进行下一轮信道竞争。
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