一种基于Stackelberg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机网络应用和无线网络资源管理技术，特别设及一种无线蜂窝网 络环境下的基于Stacke化erg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 随着大量无线多媒体应用的出现，无线终端的流量也在迅猛增长。诸如社交网的 通告信息、智能交通网的流量信息发布、电子地图信息的更新、新闻推送等内容更新与分发 应用，W及即拍即传等大容量视频文件的上传，导致无线终端需要处理和传输海量数据。
[0003] 借助于多跳中继，传统蜂窝网能够改善覆盖区的通信质量和增加系统容量。伴随 无线多媒体应用的出现，低功率的接入点，例如微微基站（picobasestation)、毫微微基 站（femtobasestations)、中继站（relay)等，被引入到蜂窝系统来改善覆盖能力和提高 系统容量。下一代蜂窝网络标准工作也在考虑接纳运种方案。多跳异构蜂窝网络也将成为 未来无线网络的发展趋势。在运种网络中，无线终端既能通过单跳接入基站，也能通过预先 部署的中继站W多跳的形式接入基站。
[0004] 上述方案在带来益处的同时，也要求网络营运商投入巨资来部署和维护低功率基 站和中继站。为了分担宏基站（macrobasestation)的流量，微微基站和毫微微基站通常 通过独立的高速有线或无线链路连接到核屯、网络。因此，网络运营商需要投资建设和维护 运些链路。由网络营运商部署的中继站需要有比较确切的位置信息的支持，W便于准确地 部署运些中继站到实际需要的区域。运对网络营运商来说，该任务既十分关键又非常难W 处理。
[0005] 在一些户外场景（例如，大型体育运动会、大型商品交易会、大型节日庆典活动）， 由于人流密度大，考虑选择密集人群中的合适无线终端来临时充当中继站的功能，不失为 一种经济且有效的增加人群密集区域通信容量W及改善其边缘地带节点接入基站能力的 方法。通信容量的提升来源于空间复用率的提高和单跳距离的减少。只要合理选择中继， 可采用更小的发射功率来减少对邻近区域干扰W及减少能耗，同时，边缘地带节点接入基 站能力可W做到不降反升。然而，运样的益处是消耗充当中继站功能的无线终端的有限资 源为代价换来的。潜在的候选无线终端节点通常是自私的，因为它们可能分属于不同网络 实体或运营组织，没有额外的激励机制，很难参与运样的通信协作。因此，足够诱人的货币 激励或者其它任何形式的奖励机制的设立很有必要。
[0006] -种可行的选择是，发射源节点通过出让一部分自己的授权频段的使用权来激发 其它无线终端节点在它们力所能及的范围内积极提供中继服务。出让的频段资源将在所 有参与中继服务的无线终端之间，依据各自为提供中继服务而消耗的资源量进行分配。从 发射源节点的角度看，该类节点在增加数据发送率的同时也提高了能量效率。原因在于，通 过中继节点的帮助，发射源节点在适当减小发射功率的同时也能确保平均信噪比至少不下 降，并能弥补出让部分频段的损失。从中继节点的角度看，该类节点能够免费使用发射源节 点出让频段的某些份额来发射自己的数据，节省了网费开支，因而，存在参与通信协作的动 机。从运营商的角度看，更多的节点，特别是蜂窝边缘地带的节点能高质量地将数据传输到 基站，有利于提升基站的接入服务量、改善服务质量、增加营运收入，因而，存在为运种通信 协作的建立提供帮助的动机。
[0007] 尽管通过出让部分授权频段作为报酬的激励方式已经被应用于协作通信网络W 及协作认知无线电网络中，但是在运些网络中的中继服务的特点是，一个或多个中继站并 发地将源节点直接发送给它们的数据，再直接转发给目的节点。在源-目的节点之间距离 很长的情况下，运种通信模式无法改善通信链路的传输质量。将多个中继站串联成中继路 径，会有效缩短传输路径上通信链路的平均距离，在节省能量的同时也能达到减少节点之 间相互干扰的目的。但现有方案并未考虑运种情况。除此之外，现有基于出让授权频段使 用权的激励方案还存在如下问题：（1)中继站的选择要么采取基站负责的集中式方式，要 么采用终端节点协同的分布式模式，无法充分利用两者的优势，而且也没有给出如何实现 的具体解决方法。（2)对中继站的要求过高。例如，要求中继站在中继数据的同时，利用被 出让的授权频段来同时发送自己的数据，而在实际应用中，也存在两者无法同时进行处理 的情况，因而，中继站实际上就得不到报酬。要求终端能侦测到与其它终端之间信道增益的 异构性，也并非每个终端都有能力做到。要求基站能准确跟踪所有用户在所有频段上的信 道状态信息（化annelStateIn化rmation,CSI)也将为基站增加极大的工作量。因此，急 需提出一种应对上述问题的新方法。
【发明内容】
[0008] 本发明给出了一种选择通信策略、确定中继节点、进行无线资源分配的整体解决 方案。鉴于集中式实现模式会加重基站负担，而分布式实现模式会导致无线终端之间过高 的通信负载，因而本发明结合两种实现模式的优点设计了一种混合式实现模式，并达到了 将负载在基站、发射源、中继站之间进行合理分担的目的。
[0009]关于通信策略选择，接近基站的无线终端，应该选择直接传输策略（即直接将数 据发送给基站）。若相距较远，则协作中继策略是一个可考虑的选择。更一步，若相距很远， 则必须考虑多跳中继。后两种通信策略都需要确定中继节点。
[0010] 关于中继节点确定，在协作通信模式下，被选择的中继节点都只需将数据直接转 发给基站即可，因而，该类中继的选择相对容易，但在文献中也极少提及具体算法。在多跳 中继通信模式下，不仅需要关注中继的服务能力，而且需要确定中继节点在中继路径上的 位置是否适合（例如，中继的选择应尽量兼顾路径上各相邻节点间距离的相对均匀性和该 路径上各通信链路的可视性（即通信双方在对方的视距范围内））。实现该功能的算法设计 相对复杂，因而，需要提出一种具体设计方案。
[0011] 关于无线资源分配，由于无线终端的自私性，必须要有足够诱惑力的激励机制 来激励潜在中继节点参与资源分配的协作活动。一方面，发送源节点需要提供报酬给中 继节点，另一方面，它需要选择能给它带来最大收益的无线节点充当中继。本发明基于 Stacke化erg博弈模型设id种S方协作的无线资源分配方案。
[0012] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
[0013]一种基于Stacke化erg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，包括W下 步骤：
[0014] 步骤一：源节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，计算最优发射功率 和数据发送速率，数据发送速率较优则选择直接通信策略，否则请求基站构建一条从该源 节点到基站的中继路径，并测试中继路径后根据结果决定是否更新；
[0015] 步骤二：中继节点向基站报告自身信息并接收来自基站的信息，如果接收到候选 中继节点的信息并同意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确认 包，否则维持现状不变，如果接收到来自基站的初步中继路径，则测试中继路径并根据结果 决定是否更新，更新后对自身发射功率进行调整；
[0016] 步骤S:基站若接收到任一潜在中继节点的信息，则查找确认中继信息后进行更 新，若接收到某源节点的信息，则查找确认源节点信息后进行更新，若接收到构建中继路径 的信息，则构建初步中继路径并广播到请求者和路径上所有的中继节点，并在预设时间内 等待是否有在该初步中继路径上增加中继的请求，收到请求话则更新初步中继路径并进行 广播。
[0017] 所述的一种基于Stacke化erg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所 述的步骤一的具体执行过程包括，
[0018] 步骤1 :源节点向基站报告自身身份标识和坐标，并接收来自基站的信息，包括坐 标和噪声功率；
[001引步骤2 :若源节点与基站之间距离屯,d小于交叉距离d。"_胃，则根据 [0020]
[0021] 计算源节点直接向基站发送数据的最优功率/:，并根据
[0022]
[002引计算源节点直接向基站发送数据的速率C,,);否则，则根据 [0024]
[00 巧]
[002引来计算最优发射功率托和数据发送速率);其中P:*,,表示源节点向 中继路径上第1个中继节点发射时采用的被优化的发射功率、％）表示当被采 用时，源节点向中继路径上第1个中继节点发射数据的速率、％n表示当源节点向中继路径 上第1个中继节点发射时该中继节点周围的环境噪声功率、货而表示源节点向基站发射时 采用的被优化的发射功率、表示当被采用时源节点向基站发射数据的速率、 屯,康示源节点与基站之间的距离、n,康示当源节点向基站发射时该基站周围的环境噪声 功率、C,..)表示中继节点转发源节点数据包的速率、C,..,,.(；4,.)表示中继节点发送自 己数据包的速率、r/；^fe表示第i个中继节点与基站之间的距离、山,^,表示第i个中继节点与 其在中继路径上的下一跳节点之间的距离；
[0027] 步骤3:若数据发送速率至少高于明显优于源节点期望的速率下限两 倍，则首选直接通信策略，即源节点直接将数据发送给基站，然后返回步骤1 ;否则，请求基 站构建一条从该源节点到基站的中继路径；
[0028] 步骤4 :若在预设时间内收到基站返回的初步中继路径，则执行步骤5 ;否则，直接 执行步骤8
[0029] 步骤5 :发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设 时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤8;否则，在源节 点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤6;
[0030] 步骤6 :若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤7 ;否则直 接执行步骤8执行；
[0031] 步骤7:若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源 节点将运个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
[003引步骤8 :若在预设时间内收到来自基站的[Pd。?，0UP]，贝帷该取值范围内为0赋 一个具体值；
[0033] 步骤9 :若在预设时间内收到来自基站的更新的中继路径，则将0的值广播到该 中继路径上的所有中继节点，然后返回步骤1
[0034] 所述的一种基于Stacke化erg博弈的无线终端通信策略选择与资源分配方法，所 述的步骤二的具体执行过程包括，
[0035] 步骤1 :中继节点向基站报告自身身份标识和坐标、最大发射功率、噪声功率，并 接收来自基站的信息，包括坐标、噪声功率；
[0036] 步骤2:若收到来自基站的关于某个虚拟接入点的候选者信息，并在其中发现自 身序号，则执行步骤3;否则，直接跳到步骤4;所述的候选者信息包括候选者的序号、频段 的使用条件、W及虚拟接入点的坐标；当基站选中某节点作为候选者时，将其序号加入消息 包中，
[0037] 步骤3:若愿意接受施加于自身的源节点出让频段的使用条件，则向基站发送确 认包并执行步骤4;否则，返回步骤1;
[0038] 步骤4 :若在预设时间内收到来自基站的初步中继路径，则执行步骤5 ;否则返回 步骤1 ;
[0039] 步骤5 :发送测试包来获得初步中继路径上源节点的邻接链路的质量；若在预设 时间内成功收到对测试包的响应包，则向基站发送确认包后直接执行步骤8;否则，在源节 点的1跳邻域范围内广播中继请求包，然后继续执行步骤6;
[0040] 步骤6 :若在预设时间内成功收到对中继请求包的响应包，则执行步骤7 ;否则直 接执行步骤8执行；
[0041]步骤7:若源节点决定在它与初步中继路径上的邻居之间插入一个新中继，则源 节点将运个新中继的信息发送给基站；否则，源节点仅需向基站发送确认包；
[0042] 步骤8 :若收到更新后的中继路径和该路径上所有中继节点的发射功率对组成的 集合即{(/4,，/?；；,,、.，或现有中继路径仍在使用，则执行步骤9~11 ;否则，直接执 行步骤12;
[0043] 步骤9:若发现中继源节点数据的链路帖成功率至少减少10%而发射自己数据的 链路帖成功率几乎不变，则将扔增加e而将成。.减少e，然后将更新后的心。和知 广播到同一中继路径上其它所有中继节点