一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法与流程

本发明属于无线网络性能优化技术领域，涉及一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，特别涉及如何结合免费频谱供应与射频能量补偿构建激励架构，以促进无线终端之间的合作，实现提升蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的目标。

背景技术：

根据文献[1]报道，随着互联网的爆炸性发展，互联网流量峰值增速快于平均增速，且两者之间的差距呈现日益增大的趋势。平板与便携式电脑、智能手机、机器间通信、消费型物联网应用的流量将会超过固定ip流量。除了增强型移动宽带应用外，这一增长的主要驱动力将来自于消费者可穿戴设备市场日益增长的需求。2017年，全球可穿戴医疗设备市场价值达到约52亿美元，预计到2022年将增长到135亿美元。

对于移动运营商来说，应对爆炸性流量需求的一种有效的方法是超密集部署异构蜂窝网络。比如，在每个宏蜂窝中重叠部署微蜂窝，而在每个微蜂窝中又重叠部署微微蜂窝和毫微微蜂窝。事实上，移动运营商尽管会在其认为的重点区域建设这样的超密集异构蜂窝网，但很难做到普适无缝的超密集覆盖。例如，针对体育馆、世博中心和郊区工业园区等区域，移动运营商认为其多数时间内流量需求并不高，通常不会按峰值流量需求建设蜂窝网。然而，诸如民间体育赛事、节日庆典活动、大型商品交易会、工业设备博览会等活动可能会不时地在这些地方举行，从而导致短期的超高流量需求，这时，一种蜂窝弱覆盖区域必然会形成。在这样的区域内，若处于蜂窝覆盖区边缘的无线终端申请到了频谱资源，则其很难充分利用它，究其原因：一方面，在这样的蜂窝弱覆盖区域内，边缘无线终端通常远离基站，且与基站之间的通信链路也可能受到障碍物的遮挡，因此，通信信道质量通常很差，即使边缘无线终端使用最大发射功率，也可能难以克服很差的信道带来的信号衰减，导致很难达到应用体验所要求的数据率；另一方面，更高的发射功率不仅更快地消耗完自身的电池能量，而且也会对相邻蜂窝覆盖区同频信道用户造成更大干扰，影响其应用体验。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，通过构建基于免费频谱供应与无线射频能量补偿的激励架构，用以提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率。

本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，包括以下步骤：

(1)在蜂窝弱覆盖区域中规划若干个参考点，根据事先制定的标准，为每个参考点选举一个具有储能优势和地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点(small-cellvirtualaccesspoint，svap)；

(2)每个svap将负责招募具有储能优势和地理位置优势的无线终端来充当小蜂窝能量提供者角色(small-cellenergyproviders，seps)，每个svap都将独自选取一组seps为其提供充电服务，这组seps也将获得免费接入基站的频谱作为提供充电服务的回报；

(3)每个svap关联一组边缘无线终端，以方便为边缘无线终端提供中继转发服务，并依据转发数据的贡献来换取边缘无线终端的频谱资源的一部分，作为免费接入基站之用；

(4)小蜂窝基站(smallbasestation，sbs)给定初始频谱资源的划分比例，并启动博弈过程，将每个边缘无线终端获得的单位频谱资源分成三个部分，一部分用于发送边缘无线终端的数据，其余两部分分别用于奖励帮助边缘无线终端转发数据的svap，以及为svap充电的一组seps；

(5)每组seps内部各个sep通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有seps的充电功率后，每个svap通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率，sbs基于svaps和seps的反馈结果来更新频谱资源的划分比例；

(6)重复步骤(5)，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，获得stackelberg博弈的纳什均衡点，得到sep和svap效用最大化的频谱资源配比方案。

本发明步骤(1)～(3)部分涉及激励架构的角色构建，包括sbs选举svaps，以及被选举出来的每个svap选举一组seps和关联一组边缘无线终端。

在一个具体实施方式中，步骤(1)中，sbs选举svaps的算法过程如下：

1、sbss执行的选举操作：

步骤1.0：初始化集合ss为空，以备存储被选出的svaps，然后进入步骤1.1；

步骤1.1：确定需要被选举的svaps的数量，并根据该数量和需要加强覆盖的区域分布情况确定参考点位置，参考点数量与svaps的数量相同(例如8)，然后进入步骤1.2；

步骤1.2：若参考点未遍历完，则针对一个未处理的参考点，以最大发射功率(例如，1000毫瓦)广播一个svap选举包，然后设置一个时间间隔(例如δ1＝100毫秒)以等待响应包返回，进入步骤1.3；否则，sbss执行的操作结束；

步骤1.3：若时间间隔δ1未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个svap选举条件，将前一轮满足5个svap选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个svap选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送svap确认包，同时将其确定为当前考察的参考点的svap，并保存在集合ss中，然后返回步骤1.2；

2、参与svap选举的无线终端执行的操作：

步骤2.0：若收到针对某参考点的svap选举包，且满足svap选举条件的前4个，则向sbss发送响应包，并进入步骤2.1；否则，退出；

步骤2.1：若收到来自sbss的svap确认包，则标记自己的身份为某参考点的svap，然后结束该操作；否则，等待针对其它参考点的svap选举包，或超时退出。

在一个具体实施方式中，步骤(2)中，svap选举sep的算法过程如下：

3、svapv执行的选举操作：

步骤3.0：初始化集合rv为空，以备存储被选出的seps，然后进入步骤3.1；

步骤3.1若集合rv的成员数量未达到预设值(例如6)，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)广播一个sep选举包，然后设置一个时间间隔(例如δ2＝100毫秒)以等待响应包返回，然后进入步骤3.2；否则，svapv执行的选举操作结束；

步骤3.2：若时间间隔δ2未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个sep选举条件，将前一轮满足5个sep选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个sep选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送sep确认包，并将其保存在集合rv中，然后返回步骤3.1。

4、参与sep选举的无线终端执行的操作：

步骤4.0：若收到某svap(例如，v)的sep选举包，且满足sep选举条件的前4个，则向svapv发送响应包，并进入步骤4.1；否则，退出；

步骤4.1：若收到来自某svap(例如，v)的sep确认包，则标记自己的身份为svapv的sep，然后结束该操作；否则，等待svap的sep选举包，或超时退出。

在一个具体实施方式中，步骤(3)中，svap关联一组边缘无线终端的算法过程如下：

5、svapv执行的响应关联操作：

步骤5.0：初始化集合uv为空，以备存储被关联的边缘无线终端，进入步骤5.1；

步骤5.1：若收到某边缘无线终端的关联请求包，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)反馈一个关联响应包，然后设置一个时间间隔(例如δ3＝100毫秒)以等待关联确认包返回，然后进入步骤5.2；

步骤5.2：若时间间隔δ3未消耗完，则针对收到的关联确认包，将其发送者保存在集合uv中，并继续等待下一个关联确认包；否则，svapv执行的响应关联操作结束。

6、执行关联的边缘无线终端的操作：

步骤6.0：以最大发射功率(例如，200毫瓦)广播一个关联请求包，然后设置一个时间间隔(例如δ4＝100毫秒)，以等待关联响应包返回，然后进入步骤6.1；

步骤6.1：若时间间隔δ4未消耗完，则针对每个反馈的关联响应包，将当前接收信号最强的关联响应包的发送者保留，并继续等待下一个关联响应包；否则，向保留的svap发送关联确认包，并结束关联操作。

被选中作为svap的无线终端必须符合如下条件：1)配备常见的无线接口(如lte、wifi、蓝牙)；2)保证在给定的时间内不会移动；3)有与基站通信的需求然而目前没有获得所需的频谱资源；4)具有捕获射频能量的能力；5)在满足前四个条件的所有无线终端中，最接近某个参考点。

被选中作为sep的无线终端必须符合如下条件：1)保证在给定的时间内不会移动；2)有与基站通信的需求然而目前没有获得所需的频谱资源；3)能量储备不少于给定的阈值；4)具有和某个svap的直接通信链路；5)在满足前四个条件的所有无线终端中，最接近某个svap。

本发明步骤(4)～(6)部分涉及激励机制的形成过程，包括每组seps内部的非合作博弈过程、svaps之间非合作博弈过程，以及sbs与svap和sep等不同角色的交互而形成的stackelberg博弈过程。

在一个具体实施方式中，基于折半搜索思想算法[binarysearch(min,max)]，完成sbs、sep和svap之间激励机制的构建，具体过程为：sbs给定初始频谱资源分配比并启动博弈过程、每组sep内部通过非合作博弈过程决定功率划分比、svap之间通过非合作博弈过程决定功率划分比，以及sbs根据svap和sep反馈结果决定是否进行下一轮stackelberg博弈过程。

在一个具体实施方式中，算法binarysearch(min,max)的具体过程为：

步骤7.0：设置两个变量max和min，分别用于保存折半搜索范围的上下边界值，并使用该算法调用者指定的值初始max和min，然后进入步骤7.1；

步骤7.1：判断max和min的差值的绝对值是否大于阈值ε，若成立，则用一个变量p保存(max+min)/2的值，进入步骤7.2；否则，本算法结束，这里ε取初始搜索范围上下边界值之差的0.1％；

步骤7.2：判断以p-ε为自变量的效用函数值是否大于以p为自变量的效用函数值；若成立，则将p的值赋给max；否则，将p的值赋给min；然后返回步骤7.1，这里效用函数根据公式(18)估算。

在以下算法中，sbss给定一个单位资源块w的初始划分比例，然后每组seps内部各个sep通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有seps的充电功率后，每个svap通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率；最后，sbss基于svaps和seps的反馈结果来更新单位资源块w的划分比例；重复上述步骤，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，若该预设阈值足够小，则能够确保获得stackelberg博弈的纳什均衡点。

在一个具体实施方式中，步骤(4)中，sbss启动stackelberg博弈过程的具体操作为：

步骤8.0：将ξe和ξv均初始化为0.2，进入步骤8.1，这里，ξe表示频谱资源w的一个划分比值，该部分资源被用于激励一组seps，该组seps为某个svap提供充电服务，而该svap则为这个频谱资源w的所有者(即某个边缘无线终端)提供数据转发服务；ξv表示频谱资源w的一个划分比值，该部分资源理论上可被用来奖励为这个频谱资源w的所有者提供数据转发服务的svap，但实际上由sbss统一管理用于激励它选举出来一组svaps，即形成竞争关系，贡献更大者将获得更多该部分资源的免费使用权；

步骤8.1：将变量ce和cv均初始化为0，已备分别存储seps和svaps的数量，进入步骤8.2；

步骤8.2：针对每个sep(例如e)，初始化给其关联的svap(例如v)充电的功率(例如)为初始化其向sbss发送自己数据的功率(例如)为累加sep的个数并保存在ce中，进入步骤8.3，这里，为sepe的最大发射功率，取值为200毫瓦；

步骤8.3：针对每个svap(例如v)，初始化给其关联的边缘无线终端转发数据的功率(例如)为初始化其向sbss发送自己数据的功率(例如)为累加svap的个数并保存在cv中，进入步骤8.4，这里，为svapv的最大发射功率，取值为200毫瓦；

步骤8.4：根据公式(14)计算效用函数值并保存在变量μ表示中，进入步骤8.5；

步骤8.5：初始化变量为cv/ce，初始化为1/cv，进入步骤8.6，这里，表示sepe为svapv充电的贡献比，表示svapv为其关联的边缘无线终端转发数据到sbss的贡献比；

步骤8.6：sbss向服务的小蜂窝区域内所有seps和svaps广播ξe，ξv，四个参数的消息。

在一个具体实施方式中，步骤(5)中，具体步骤如下：

(a)每组seps内部的非合作博弈过程：

9、充当sep的无线终端e执行的操作：

步骤9.0：若接收到来自sbss发送的包含ξe和的消息，则将min的值赋为0，将max的值赋为进入步骤9.1；

步骤9.1：调用算法binarysearch(min,max)来获得功率将赋值为和之差，将和的值发送给sbss，进入步骤9.2；

步骤9.2：若未收到来自sbss发送的结束包，则反复执行如下操作：若收到来自sbss发送的则调用算法binarysearch(min,max)来获得功率将更新为和之差，将和的值发送给sbss，然后返回步骤9.2；否则，进入步骤9.3；

步骤9.3：若收到来自sbss发送的结束包，则该sepe将和的值发送给其关联的svapv后结束该算法；否则，返回步骤9.2。

10、sbss对每个sep(例如e)执行的响应：

步骤10.0：若收到来自任一sep(例如e)的包含和的消息，则判断新接收的值与原来保留的该sepe的相应值是否相同，若不同，则用新接收的值替换原来的值；否则，累加未改变功率划分值的sep的个数，进入步骤10.1；

步骤10.1：若收到的来自seps的消息中至少有一个sep更新了功率划分值，则根据公式(7)计算并广播一个包含的更新包给所有seps。进入步骤10.2；

步骤10.2：若统计未改变功率划分值的sep的个数已达到系统最大值(这说明没有任何一个sep更新功率划分值)，则广播一个结束包给所有seps；否则，返回步骤10.0。

(b)svaps之间的非合作博弈过程：

11、充当svap的无线终端v执行的操作：

步骤11.0：若接收到sbss发来的包含ξv和的消息以及其关联的所有seps发来的包含及的消息，则将min的值赋为0，将max的值赋为进入步骤11.1；

步骤11.1：调用算法binarysearch(min,max)来获得功率将赋值为和之差，将和的值发送给sbss，进入步骤11.2；

步骤11.2：若未收到来自sbss发送的结束包，则反复执行如下操作：若收到来自sbss发送的则调用算法binarysearch(min,max)来获得功率将更新为和之差，将和的值发送给sbss，然后返回步骤11.2；否则，进入步骤11.3；

步骤11.3：若收到来自sbss发送的结束包，则结束该算法；否则，返回步骤11.2。

12、sbss对每个svap(例如v)执行的响应：

步骤12.0：若收到来自任一svap(例如v)的包含及的消息，则判断新接收的值与原来保留的该svapv的相应值是否相同，若不同，则用新接收的值替换原来的值；否则，累加未改变功率划分值的svap的个数，进入步骤12.1；

步骤12.1：若收到的来自svaps的消息中至少有一个svap更新了功率划分值，则根据公式(12)计算并广播一个包含的更新包给所有svaps。进入步骤12.2；

步骤12.2：若统计未改变功率划分值的svap的个数已达到系统最大值(这说明没有任何一个svap更新功率划分值)，则广播一个结束包给所有svaps；否则，返回步骤12.0。

在一个具体实施方式中，步骤(5)中，sbs启动stackelberg博弈过程，具体步骤如下：

(c)sbs基于svaps和seps的反馈结果更新频谱资源的划分比例：

13、sbss执行stackelberg博弈操作：

步骤13.0：若已向所有svaps发送结束包，则将min的值赋为0，将max的值赋为1，进入步骤13.1；

步骤13.1：让ξe保持当前值不变，调用算法binarysearch(min,max)来获得新的ξv值，进入步骤13.2；

步骤13.2：让ξv保持步骤13.1求出的值不变，调用算法binarysearch(min,max)来获得新的ξe值，进入步骤13.3；

步骤13.3：以当前最新的ξe和ξv的值为输入参数，通过公式(14)计算效用函数值并保存在变量μ′表示中，进入步骤13.4；

步骤13.4：判断μ′﹥μ是否成立，若成立，则将μ赋值为μ′，返回步骤8.5；否则，结束该算法，其中，μ的初始值由步骤8.4得到。

本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，通过选举具备能量储备与地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点svap，则可避免边缘无线终端与基站的长距离通信，由边缘无线终端到svap以及svap到基站的两段短距离链路组成的路径来替代。这样能大大降低边缘无线终端所发射的信号到达基站时的衰减程度，从而使得边缘无线终端可以用更低的发射功率和更少的频谱资源来满足其用户应用体验所需的数据率要求。节省的频谱资源可以用来奖励充当虚拟接入点的无线终端所做出的贡献。若无线终端希望通过基站接入因特网，但暂时未申请到通信所需的频谱资源，则会有充当虚拟接入点的动机。同时其能量储备充分与地理位置优越也会使其更有条件充当虚拟接入点。对虚拟接入点来说，既要负责转发边缘无线终端的数据，又要发送自己的数据，因此，即使充沛的能量储备也将很快被消耗殆尽。存在一些与虚拟接入点类似动机但未能成为虚拟节点的无线终端，则可考虑招募这些无线终端担任小蜂窝能量提供者(sep)的角色为虚拟接入点提供能量补充服务以换取免费接入基站的通信频谱资源。本发明构建了一种激励架构，以实现边缘无线终端、虚拟接入点(svap)、提供充电服务的无线终端(sep)等角色的设备能够有效协作、互利共赢，以使得边缘无线终端频谱资源得到高效利用。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

1)本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，在确保蜂窝边缘设备用户的应用体验质量的前提下，单位资源块的剩余部分可以作为奖励资源由sbs进行协调，解决了覆盖薄弱区域的蜂窝边缘无线终端频谱资源利用率较低的问题，提高了边缘无线终端单位资源块的频谱效率。

2)本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，wifi和蓝牙等无线接口已经成为无线通信设备的常规配置，将其与蜂窝接口结合，整合到解决方案设计中以充分利用资源块的非重叠部分。

3)本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，通过招募具有储能优势和地理位置优势的设备作为充电节点而不是依靠sbs来提供射频能量，大量的能量将可以被svap获取而不是浪费在传输路径上。

4)本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，提出了一种基于动态充电的激励架构，并将蜂窝网络边缘设备的资源块划分问题建模成一个stackelberg博弈问题，全部参与者的响应策略(即stackelberg纳什均衡)可以通过运行提出的算法集获得，本发明引入折半搜索的算法思想，加快了达到纳什均衡的收敛速度。

附图说明

图1为本发明提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法的流程图。

图2为蜂窝弱覆盖区的边缘无线终端的平均频谱效率随固定区域中节点数量的变化趋势。

图3为蜂窝弱覆盖区的边缘无线终端的平均频谱效率随固定区域中信道噪声功率的变化趋势。

图4为小蜂窝虚拟接入点和小蜂窝能量提供者的平均频谱效率随固定区域中节点数量的变化趋势。

图5为小蜂窝虚拟接入点和小蜂窝能量提供者的平均频谱效率随固定区域中信道噪声功率的变化趋势。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：

本发明提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)在蜂窝弱覆盖区域中规划若干个参考点，根据事先制定的标准，为每个参考点选举一个具有储能优势和地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点(small-cellvirtualaccesspoints，svaps)；

(2)每个svap将负责招募具有储能优势和地理位置优势的无线终端来充当小蜂窝能量提供者角色(small-cellenergyproviders，seps)，每个svap都将独自选取一组seps为其提供充电服务，这组seps也将获得免费接入基站的频谱作为提供充电服务的回报；

(3)每个svap关联一组边缘无线终端，以方便为边缘无线终端提供中继转发服务，并依据转发数据的贡献来换取边缘无线终端的频谱资源的一部分，作为免费接入基站之用，边缘无线终端可以使用蓝牙技术将数据转发给svaps，剩余出的部分频谱资源可由svaps使用来向基站转发边缘无线终端的数据；

(4)sbs给定初始频谱资源的划分比例，并启动博弈过程，将每个边缘无线终端获得的单位频谱资源分成三个部分，一部分用于发送边缘无线终端的数据，其余两部分分别用于奖励帮助边缘无线终端转发数据的svap，以及为svap充电的一组seps；

(5)每组seps内部各个sep通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有seps的充电功率后，每个svap通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率，sbs基于svaps和seps的反馈结果来更新频谱资源的划分比例；

(6)重复步骤(5)，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，若该预设阈值足够小，则能够确保获得stackelberg博弈的纳什均衡点，得到sep和svap效用最大化的频谱资源配比方案。

针对为某个特定svap充电的每个sep，它能分配到的免费频谱份额取决于它对这个svap充电的贡献。若sep采取更大的功率为svap充电，则其因贡献更大而分得更多的免费频段份额，从而有利于提高sep效用(如数据率)。然而，通常每个sep的最大发射功率会被限定。若用于充电的功率更大，则sep用于发送自己数据的功率会更小，这又不利于提高sep效用。因此，需要找到一种能最大化其效用的功率划分。上述关系适合建模为一种非合作博弈模型，为同一个svap提供充电服务的一组seps为该博弈模型的参与者，其中每一个参与者以最大化自己效用为目标进行自身发射功率的划分。

每个svap的最大发射功率也是一定的，同样需要找到一个最大化其效用的功率划分，即多少用于为与其关联的一个边缘无线终端转发数据，多少用于发送自己的数据。因此，sbs将它选举出来的每个svap的一个关联边缘无线终端的一部分频谱资源收集起来作为这组svaps转发数据贡献的奖励，并依据每个svap为其关联的边缘无线终端转发数据的贡献来确定奖励份额的分配。

因此，若某个svap为其关联的边缘无线终端转发的数据特别多，则理论上除了获得其关联的边缘无线终端贡献的免费频谱资源外，还将获得其它svap关联的边缘无线终端贡献的免费频谱资源的一部分或全部。然而，实际上，由于为了获得更多频谱资源，必须要付出自身更多的发射功率，因而，留给自己发送数据的功率将更少。也许得到的过多频谱资源未必会为自己带来更多效用。基于类似前述的非合作博弈模型，每个svap能够找到一个最大化自身效用的功率划分。

当每个sep和svap将自身的功率划分结果反馈到sbs后，sbs将评估边缘无线终端的单位频段资源的使用效率，即前述三个部分的划分是否合理。初始状态下，sbs并不知道什么样的频谱资源划分比例会使单位频谱资源的收益最大化，于是设置一个初始的频谱资源划分比例，并发送给每个sep和svap。因此，前述每个sep和svap反馈的功率划分都是基于初始单位频谱资源划分比例得出的结果。在sbs得到功率划分的反馈后，对单位频谱资源划分是否能进一步优化进行评估。若能进一步优化，则更新单位频谱资源划分结果。尽管基于更新的单位频谱资源划分结果，每个sep和svap的功率划分结果的改变并不明显，但是，每个sep和svap的效用会发生较明显的变化。若任一sep或svap不满意自身的效用，则都可能考虑不再参与，从而可能导致参与者数量不够而协作架构无法构建。因此，sbs必须考虑尽量避免这种情况的发生。这可以在sbs构建效用函数时充分考虑每个sep和svap的效用。上述关系构成了一种典型的stackelberg博弈关系。这里sbs是stackelberg博弈理论中的领导者，而每个sep和svap都是跟随者。在领导者做出一个决策后，跟随者会基于领导者的决策，形成自己的决策，最后会形成一种stackelberg博弈的纳什均衡状态，即每一方都不会改变自己的决策。

在详细阐述本发明方法的算法描述前，必要的计算公式与参数被说明如下：当接收节点j工作在能量接收模式时，它从发送节点i接收到的能量可以通过公式(1)估算：

在公式(1)中，和分别表示发射节点i的发射功率和接收节点j的接收功率；ηi,j是发送节点i和接收节点j之间的能量转换效率因子，在本发明中，采用经验值0.56；ɡi,j代表发送节点i和接收节点j之间的信道增益，可由公式(2)估算：

在公式(2)中，gt、gr分别是发射天线、接收天线的增益；ht和hr分别表示发送天线和接收天线距离地面的高度；λ是载波信号的波长；di,j是发送端i和接收端j之间的直线距离；l是与传播无关的系统损耗因子；dcrossover是一种被定义在文献[2]中的交叉距离。

当接收节点j工作在信息解码模式时，从发送节点i到接收节点j的信息解码速率bi,j根据香农定理可通过公式(3)估算：

在公式(3)中，w和σ²分别表示传输带宽和无线节点j周围的信道噪声功率。fj是无线节点j感知到的干扰功率，主要由与节点j相邻蜂窝内使用相同频带的节点发送数据时产生的干扰组成，可通过公式(4)估算：

在公式(4)中，ɡk,j是从干扰节点k到被干扰节点j的链路上的信道增益，可采用公式(2)估算；pk是干扰节点k的发送功率；ij是节点j的干扰源节点的集合。

对于任意sep(如e)，若最大发射功率用表示，用于给svapv充电的充电功率用表示，用于向sbss发送自己的数据的传输功率用表示，则三者之间需满足以下关系：

当sepe的总发射功率为电池储能为ee时，其连续工作时间(即)可以由公式(6)估算：

在期间，sepe需保证不会移动，其净收益可由公式(7)估算，其含义是sepe使用获得的免费频谱资源可向sbs发送自己数据的总数据量。

在公式(7)中，φe被视为一个虚构的无私贡献节点，通常被设置为一个常数(如10-⁶)，其目的是防止每轮博弈中博弈参与者串通作弊；表示sepe向其关联的svap充电时的贡献比；rv是为svapv充电的充电节点集合。sepe的最佳响应策略是解决以下优化问题(8)。在理论上，sepe需要找到最优的发射功率为svapv充电，使其自身收益最大化，可以通过求解(8)得到。实际上，由于涉及解超越方程，无法直接通过公式变换得到结果，因此，在后面我们阐述一种基于折半搜索思想的算法来求解。

对于任意svap(如v)，它从|rv|个seps接收到的能量可以通过下面的公式估算，其中|rv|表示集合rv中成员的个数。

对于任意svap(如v)，若最大发射功率用表示，用于接收其关联的边缘无线终端的数据并将数据转发给sbss的转发功率用表示，用于向sbss发送自己的数据的传输功率用表示，则三者之间需满足以下关系：

当svapv的总发射功率为且其电池储能、接收到的能量分别为ee、ev时，其连续工作时间(即)可以由以下公式估算：

在期间，svapv需保证不会移动，其净收益可由公式(12)计算得出，其含义是svapv使用获取的免费频谱资源可向sbs发送自己数据的总数据量。

在公式(12)中，|ss|表示sbs所选举出来的svap的数量；在本发明中，不失一般性，仅考虑一个svap为一个边缘无线终端提供中继服务的情况，因此，|ss|也表示sbs可以统筹协调其频段资源调度的边缘无线终端的数量；在后文的实施方案阐述中，|ss|被设置为8；与设置φe的目的相同，参数φv的设置也是为了防止每轮博弈中博弈参与者串通作弊，但被设置为一个不同的常数(如2)。svapv的最佳响应策略是求解以下优化问题(13)。在理论上，svapv需要找到最优的传输功率来为与其关联的边缘无线终端提供数据转发服务，从而使自身收益最大化，可以通过求解(13)得到。实际上，由于涉及解超越方程，无法直接通过公式变换得到结果，因此，在后面我们阐述一种基于折半搜索思想的算法来求解。

对于sbss来说，一方面，它希望接收由svaps转发的更多边缘无线终端数据，另一方面，它需要合理调度一部分边缘无线终端的频谱资源为提供转发服务的svaps和提供充电服务的seps所用，以激励与维持它们的服务动机。因此，本发明设置了两个激励系数，即svap的激励系数ψv和sep的激励系数ψe。这两个激励系数的取值均大于0且小于1。当一个边缘无线终端从sbs获得的频段资源总量为w，sbs希望ξv·w能够被它统筹安排用于奖励svaps的转发贡献，而ξe·w能够被它统筹安排用于奖励为这个边缘无线终端转发数据的svap提供充电服务的seps。频段资源划分比例系数ξe和ξv的取值均大于0且小于1，同时1-ξe-ξv>0。

sbss关注的边缘无线终端资源块w的利用率可由公式(14)来估算，其含义是sbss希望接收的边缘无线终端的总数据量。这里，若在期间的数据量越大，则表明资源块w的利用率越高。

在公式(14)中，u表示边缘无线终端，正如前述，本发明仅考虑一个svap为一个边缘无线终端提供转发服务的情况，因此每个边缘无线终端集合(例如uv)的成员仅有1个。svap的激励系数ψv和sep的激励系数ψe可由公式(15)估算：

在公式(15)中，表示所有seps向sbs发送自己数据的总数据量；表示所有svaps向sbs发送自己数据的总数据量。和可由公式(16)估算：

公式(15)中的和分别是和在理论上的最大值。令ξe＝1，通过公式(16-1)可以估算的值；令ξv＝1，通过公式(16-2)可以估算的值。在理论上，sbss的最佳响应策略可以通过解优化问题(17)得到：

实际上，优化问题(17)可以转换成一个关于ξe和ξv的二元超越方程。根据文献[3]的理论，一个二元优化问题可以近似分解为两个一元优化问题进行求解。然而，分解后的两个一元优化问题仍属于超越方程，无法通过代数运算直接求解。基于前述同样的思路，本发明采用一种基于折半搜索思想的算法来求解。为简化下面的基于折半搜索思想的算法描述，统一采用了抽象的效用函数μ(x)，其实际效用函数对应如下。

本发明的算法描述分为两个部分。前一部分涉及激励架构的角色构建，包括sbs选举svaps，以及被选举出来的每个svap选举一组seps和关联一组边缘无线终端。后一部分是激励机制的形成过程，包括每组seps内部的非合作博弈过程、svaps之间非合作博弈过程，以及sbs与svaps和seps等不同角色的交互而形成的stackelberg博弈过程，最终得到sep和svap效用最大化的频谱资源配比方案。

本发明的算法过程前面已经详细描述，这里就不再赘述。

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明进行具体的阐述。

微蜂窝网络的半径为300米，包括一个位于区域中心的sbs和若干随机分布的节点，节点数量为300。在本实施例中，我们设置8个参考点辅助基站选举svaps，8个参考点在半径为rth的圆上均匀分布，其中rth的值取为60米。每个svap选举6个seps来为其提供充电服务。seps和svaps的选择条件在发明内容中已做详细描述。与每个svap关联的无线终端位于微蜂窝网络边缘附近，这是因为它们更需要svaps的帮助。在不失一般性的前提下，我们只关注每个svap只服务于一个网络边缘无线终端的情况。仿真参数如表1所示。

表1:仿真参数

采用omnet++4.6网络仿真器得到图2至图5所示结果。从图2可以发现，有svap辅助的边缘无线终端的频谱效率明显好于无svap辅助的情况，这说明svap的设置非常必要。另外，我们也观察到微蜂窝网络内的节点密度对sbs的频谱效率影响具有随机性，随着节点密度的增加，svap的选择会更趋向于离参考点更近的无线终端，但是距离参考点更近并不意味着距离sbs的距离更近，所以结果具有随机性，而随着节点密度增加，与svap相关联的边缘无线终端会发生随机变化，因此频谱效率也会相应发生变化。

从图3可以发现，随着信道噪声功率的增加，有svap帮助中转数据时边缘无线终端的平均频谱效率和没有svap帮忙中转数据时边缘无线终端的平均频谱效率均曾下降趋势，然而，平均频谱效率的增长率却呈递增的趋势，这说明，随着信道噪声功率的增加，svap在提高单位资源块频谱效率上的作用越来越明显。当信道噪声功率比较小时，没有svap帮忙中转数据时边缘无线终端的平均频谱效率甚至比有svap帮忙中转数据时边缘无线终端的频谱效率更高，原因是：当信道噪声功率很少时，边缘无线终端直接向sbs发送数据即可以满足自己的流量需求且有较高的频谱效率，而借助svap帮忙时需要将自己的频谱资源分出一部分作为激励供svap和sep免费使用，然而并没有获取更大的收益。随着信道噪声功率的继续增加，没有svap帮忙中转数据时边缘无线终端的频谱效率和有svap帮忙中转数据时边缘无线终端的频谱效率均会继续降低直至无限接近0，但是信道噪声功率过大的情况并不常见。

从图4可以发现，微蜂窝网络内的节点密度对所有seps的平均频谱效率、所有svaps的平均频谱效率的影响具有随机性，随着节点密度的增加，svap的选择会更趋向于离参考点更近的节点，从而导致sep和svap的预选发生变化，但是距离参考点更近或距离svap更近并不意味着距离sbs的距离更近。此外，sep和svap位置的变化意味着最终稳定功率的变化，而这种变化和位置一样具有随机性。

从图5可以发现，随着信道噪声功率的增加，sep和svap利用免费频谱资源的平均频谱效率均曾递减趋势，原因是：信道噪声功率的增大使得信噪比呈递减趋势，从而导致整体的频谱效率下降。另外，我们也观察到seps和svaps在帮助边缘无线节点提升效率的同时，自身也到了可观的收益，因此，seps和svaps帮边缘无线节点提升效率的动机是存在的。

参考文献

[1]ciscovisualnetworkingindex:forecastandmethodology,2016–2021,ciscowhitepaper,2017.

[2]wbheinzelman,application-specificprotocolarchitecturesforwirelessnetworks,ph.d.thesis,massachusettsinstituteoftechnology(2000).

[3]s.boyd,l.vandenberghe,convexoptimization,cambridge,u.k.:cambridgeuniv.press,2004.