一种多中继节点非合作博弈的激励方法
【技术领域】
[0001] 本发明特别涉及一种在无线泛在环境中多中继节点非合作博弈的激励方法，属于 通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 无线通信技术的飞速发展促进了泛在网络时代的来临，而无线泛在环境是指广泛 存在的，无所不在的网络环境，也就是人置身于无所不在的网络之中，实现人在任何时间、 地点，使用任何网络与任何人与物的信息交换，基于个人和社会的需求，利用现有网络技术 和新的网络技术，为个人和社会提供泛在的，无所不含的信息服务和应用。它不仅可以极大 地提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件；它也可以 为未来的移动通信系统提供更高的数据传输速率、更广的信号覆盖范围并支持高速率的移 动性。不同技术构建的网络彼此相互补充，共同存在，构成了多网络多业务融合的无线泛 在环境。然而用户的群集特性往往导致某种网络瞬时间业务流量的暴涨和相邻的其他异构 网络业务空闲的局面，可以利用移动Ad-h〇C网络的多跳中继和路由转发特性实现缓解拥 塞网络的瓶颈效应、平衡业务流量、提高空间复用率和增加网络容量的目的。但是，在自组 织网络中节点既是终端又是路由器，这种双重功能决定了节点既要保证自身的正常通信需 求，又要为网络的其它节点提供转发数据和选路的服务，即节点之间需要相互合作以补偿 基础设施的缺乏，否则整体网络服务无法提供。然而考虑到节点自身能量、资源和带宽有限 等因素尤其是各节点隶属于不同组织的情况下节点间的非合作性和自私性表现得尤为明 显，这会造成整体网络性能急剧下降。因此随着无线泛在环境的日益普及，针对改善节点自 私性的节点激励机制的研究也越来越受到关注。
[0003] 现今在无线泛在环境下针对节点协作激励机制的研究主要有基于声誉值的激励 机制、基于虚拟货币的激励机制和基于博弈论的分析方法。非合作博弈是基于博弈论的节 点激励机制的重要研究方面，其主要的难点在于如何构建通信的博弈模型和最大化博弈各 方的效益等。本发明基于非合作博弈和虚拟货币机制针对无线泛在环境下的节点激励建立 博弈模型并通过最大化博弈各方的效益实现促进节点间协同转发的目的。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提出了一种在无线泛在环境中多中继节点非合作博弈的激励方 法，该方法考虑到无线泛在环境的复杂通信因素，利用博弈论对源节点和多中继转发节点 进行建模，根据通信质量的指标如信干比、信道容量等因素和虚拟货币机制设立源节点和 中继节点的效益函数和代价函数，并通过求解源节点和中继节点的最优效益模型获得纳什 均衡解。该模型是以源节点和中继节点总收益最大化建立起来的，能够极大地促进节点间 的合作转发，同时该方案非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。
[0005] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明针对上述现有技术的问题， 特别是针对无线泛在环境下的多中继节点非合作博弈的激励问题，提出了一种多中继节点 非合作博弈的激励方法，该方法设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，该场景存在需 要其他节点提供转发服务的源节点S、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点，其节 点集合R={rpr2,r3,…，rN}和目的节点d，本发明设定中继节点放大并转发源节点信号到 目的节点d。
[0006] 方法流程：
[0007] 步骤1 :设定网络两跳多中继节点联合转发的通信场景模型，确定源节点s、中继 节点集R和目的节点d具体的位置分布状况，并且通过环境感知技术获得各中继节点的信 道状况信息，如获得源节点S和中继节点ri间的信道增益//q(rieR)、中继节点与目的 节点d的信道增益、信系统带宽W、设定目的节点d所受到其他节点的平均干扰Qint和 信道噪声功率Qn()ise，目的节点d端的目的信干比y参数；
[0008] 步骤2 :根据通信质量的指标如信干比、信道容量等因素和虚拟货币机制针对源 节点s建立效用函数和代价函数。源节点的数据由多中继节点联合转发会得到比源节点直 接发送到目的节点更高的信干比和信道容量，本发明考虑将由多中继节点转发所获得的信 道容量的增量作为源节点s的效用函数。而由于多中继节点转发源节点的数据浪费自身的 能量和资源，源节点需要向多中继节点支付补偿。本发明设定源节点s根据中继节点提出 的单位功率补偿和其发射功率来确定对该节点的支付补偿。整体的源节点s的总体收益函 数即为获得的效用函数和支付的代价函数之差。源节点s的最优化收益模型是在确定各中 继节点提出的单位功率补偿价格的基础上调整源节点需求各中继节点的发射功率使得源 节点s的总收益函数模型达到最大。源节点s的总收益函数模型如下：
【主权项】
1. 一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤1 :设定网络两跳多中继节点联合转发的通信场景模型，确定源节点S、中继节点 集R和目的节点d具体的位置分布状况，并且通过环境感知技术获得各中继节点的信道状 况信息，获得源节点S和中继节点A间的信道增益//、，（/:. e W )、中继节点与目的节点d的 信道增益〃信系统带宽W、设定目的节点d所受到其他节点的平均干扰Ω int和信道噪 声功率Qmise，目的节点d端的目的信干比Y 参数； 步骤2 :由上述步骤1获取的信道信息和参数信息分别建立源节点s和各中继节点的 总收益函数模型；首先根据通信质量的指标如信干比、信道容量因素和虚拟货币机制针对 源节点s建立效用函数和代价函数，将由多中继节点转发所获得的信道容量增量作为源节 点s的效用函数，源节点向多中继节点支付的货币补偿作为源节点s的代价函数，设定源节 点 S根据中继节点提出的单位功率补偿和其发射功率来确定对该节点的支付补偿，整体的 源节点s的总体收益函数即为获得的效用函数和支付的代价函数之差；同理对任意的单中 继节点A构建效用函数和代价函数，其中，中继节点r i的效用函数即源节点s对该节点的 功率补偿；根据网络通信实际环境采取一种兼具公平和有效性的代价函数，中继节点^的 总收益函数模型，即：表示为其效用函数和代价函数之差； 步骤3 :求解上述步骤2中的源节点s总收益函数模型，即：根据最大化源节点s总收 益函数的原则在多中继节点提出的单位功率补偿价格集合InwmymriJ固定的情况下求 解得出源节点s需求各中继节点最优的发射功率集合{<,<，···<}; 步骤4 :由上述步骤3得出的源节点s对中继节点ri需求的最优发射功率t代入 到上述步骤2中的中继节点^总收益函数模型，求解出中继节点最佳的单位功率补偿 价格》<，更换中继节点不断代入求解，得出各中继节点最佳的单位功率补偿价格集合 步骤5 :采用非合作博弈理论证明源节点s最优需求功率集合功率集合 和中继节点的单位功率补偿价格集合即为非合作博弈模型的纳什均衡解， 源节点s和各中继节点均采取纳什均衡策略时双方的总收益函数模型都达到最大值。
2. 根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述 方法步骤2的源节点s的总收益函数模型包括：
其中a表示源节点s获得单位信道容量增量的收益，Cs^d表示源节点s由多中继节点 联合转发所获的信道容量，Cs，d表示源节点s直接向目的节点d发送数据时的信道容量，％ 表示中继节点A CriG R)提出的单位功率的补偿价格，SNR s，d表示源节点s信号直接发送 到目的节点d的信干比，表示经过中继节点ri转发的信道容量，P s表示源节点s的发 送功率，Ii表示中继节点r i的发射功率，H s;d和分别表示源节点s与目的节点 d、源节点s和中继节点ri、中继节点&和目的节点d之间的信道增益，W表示通信系统的 带宽，Ωη_和Ω int分别表示目的节点d端的噪声和其他节点造成的干扰，'表示中继节 点^保证信号发送到目的节点d端时满足目标信干比的最低发送功率，p max表示中继节点 最大的发射功率，Y 表示目的节点d端的目标信干比；同理对单中继节点r i分别建立效 用函数和代价函数，中继节点A的效用函数即源节点s对其的功率补偿％采取一种由 节点的发射功率、信号信干比因素组成且兼具公平性和有效性的中继节点代价函数，中继 节点1^总收益函数包括：
其中^表示中继节点A的发射功率，'表示中继节点!Ti CriE R)提出的单位功率的补 偿价格，Qjf丨.厂）表示中继节点A的代价函数，β 1表示权重因子，P η表示中继节点!Ti的发 射功率，^表示中继节点!Ti的信号到达目的节点d的信干比表示中继节点!Ti到目的 节点d的信道增益，Ytm表示目的节点所能接受的最小信干比即目的信干比，Ω Mise和Ω int 分别表示目的节点d端的噪声和其他节点造成的干扰。
3. 根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所 述方法包括：设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，所述场景存在需要其他节点提 供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点，其节点集合R = Ir1, r2, r3,…，rN}和目的节点d，中继节点放大并转发源节点信号到目的节点d。
4. 根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述 方法利用博弈论对源节点和多中继转发节点进行建模，根据通信质量的指标如信干比、信 道容量因素和虚拟货币机制设立源节点和中继节点的效益函数和代价函数，并通过求解源 节点和中继节点的最优效益模型获得纳什均衡解。
5.根据权利要求1所述的一种多中继节点非合作博弈的激励方法，其特征在于，所述 方法应用于无线泛在环境。
【专利摘要】本发明公开了一种多中继节点非合作博弈的激励方法，该方法设定两跳多节点联合中继转发的通信场景，该场景存在需要其他节点提供转发服务的源节点s、源节点周围能够提供转发服务的N个中继节点，其节点集合R＝{r1,r2,r3,…,rN}和目的节点d，设定中继节点放大并转发源节点信号到目的节点d。首先设定多中继节点转发的假设场景，分别利用通信质量指标信干比、信道容量等因素和虚拟货币机制建立源节点的效用函数和代价函数，并采用兼具公平性和有效性的代价函数来建立中继节点的总收益函数模型，通过完备的数学推导求解优化模型，取得源节点最佳的需求中继节点发射功率和中继节点最佳的单位功率补偿价格并证明了纳什均衡的存在性。本发明具有良好的应用前景。
【IPC分类】H04W16-22
【公开号】CN104640123
【申请号】CN201510050045
【发明人】张晖, 刘风华
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月30日