一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在無線泛在環(huán)境中多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，屬于多媒體 通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了泛在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來臨，而無線泛在環(huán)境是指廣泛 存在的、無所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，也就是人置身于無所不在的網(wǎng)絡(luò)之中，實(shí)現(xiàn)人在任何時(shí)間、 地點(diǎn)，使用任何網(wǎng)絡(luò)與任何人與物的信息交換，基于個(gè)人和社會(huì)的需求，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 和新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為個(gè)人和社會(huì)提供泛在的，無所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。它不僅可以極大 地提升單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，在支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的同時(shí)也為引入新的服務(wù)創(chuàng)造了條件；它也可以 為未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更廣的信號(hào)覆蓋范圍并支持高速率的移 動(dòng)性。不同技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)彼此相互補(bǔ)充，共同存在，構(gòu)成了多網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)融合的無線泛 在環(huán)境。然而用戶的群集特性往往導(dǎo)致某種網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)間業(yè)務(wù)流量的暴漲和相鄰的其他異構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)空閑的局面，可以利用移動(dòng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳中繼和路由轉(zhuǎn)發(fā)特性實(shí)現(xiàn)緩解擁 塞網(wǎng)絡(luò)的瓶頸效應(yīng)、平衡業(yè)務(wù)流量、提高空間復(fù)用率和增加網(wǎng)絡(luò)容量的目的。但是，在自組 織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)既是終端又是路由器，這種雙重功能決定了節(jié)點(diǎn)既要保證自身的正常通信需 求，又要為網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和選路的服務(wù)，即節(jié)點(diǎn)之間需要相互合作以補(bǔ)償 基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，否則整體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無法提供。然而考慮節(jié)點(diǎn)到自身能量、資源和帶寬有限 等因素尤其是各節(jié)點(diǎn)隸屬于不同組織的情況下節(jié)點(diǎn)間的非合作性和自私性表現(xiàn)得尤為明 顯。而中繼聯(lián)盟激勵(lì)方法作為激勵(lì)節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的研宄技術(shù)，主要的難點(diǎn)在于如何選擇節(jié) 點(diǎn)聯(lián)盟、設(shè)計(jì)聯(lián)盟收益和代價(jià)函數(shù)以及最大化合作聯(lián)盟與非合作聯(lián)盟收益差距。隨著無線 泛在環(huán)境的日益普及，針對(duì)節(jié)點(diǎn)自私性的節(jié)點(diǎn)中繼合作聯(lián)盟激勵(lì)機(jī)制的研宄也越來越受到 關(guān)注。
[0003] 現(xiàn)今在無線泛在環(huán)境下針對(duì)節(jié)點(diǎn)協(xié)作激勵(lì)機(jī)制的研宄主要有基于聲譽(yù)值的激勵(lì) 機(jī)制、基于虛擬貨幣的激勵(lì)機(jī)制和基于博弈論的分析方法。然而以上的激勵(lì)機(jī)制都有各自 的缺點(diǎn)：基于聲譽(yù)值的激勵(lì)機(jī)制聲譽(yù)值的維護(hù)和傳播機(jī)制較復(fù)雜且不可靠，容易導(dǎo)致聲譽(yù) 值的不一致問題等；基于虛擬貨幣的激勵(lì)機(jī)制需要有防止用戶篡改信息的硬件支持才能實(shí) 現(xiàn)；基于博弈論理論的激勵(lì)機(jī)制中有的模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有依賴性且大部分模型只 是證明納什均衡的存在性，而沒有提出具體的協(xié)作激勵(lì)方法等。而本發(fā)明能夠很好地解決 上面問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提出一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，該方法應(yīng)用于無線泛 在環(huán)境，解決了無線泛在環(huán)境的復(fù)雜通信問題，利用博弈論對(duì)多中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，設(shè) 立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟的效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)，針對(duì)需要數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)選擇出最優(yōu)的中 繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)聯(lián)盟，極大地促進(jìn)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的積極性。同時(shí)該方法非常簡單而易于實(shí)現(xiàn)，具 有很好的應(yīng)用前景，并且能夠很好地避免單一機(jī)制的問題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明提供了一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作 博弈的激勵(lì)方法，該方法設(shè)定兩跳多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景，該場景存在需要其他 節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)S、源節(jié)點(diǎn)周圍能夠提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)集合 R= {ri，r2，r3，…，rM}和目的節(jié)點(diǎn)d。而M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所組成的中繼聯(lián)盟有（2M-1)個(gè)。其中 繼聯(lián)盟集G=仏，r2，…r2Wl〖；例如3個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)i、j和k所能組成的轉(zhuǎn)發(fā)中繼聯(lián)盟有{{i} ，{j}，{k}，{i,j}，{i,k}，{j,k}，{i,j,k}}。其中{i}，{j}，{k}表示單中繼節(jié)點(diǎn)獨(dú)立聯(lián)盟形成 非合作博弈。
[0006] 針對(duì)上述的中繼聯(lián)盟集選擇其中的Ti，設(shè)其中包含的中繼節(jié)點(diǎn)有N(N> = 2)個(gè)， 即Ti= ;rmjGR其中j= 1，2,…N ;設(shè)定、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組消耗資源成本為 Cmj，源節(jié)點(diǎn)S成功轉(zhuǎn)發(fā)分組的收益為P，若\節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)獲得的轉(zhuǎn)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)為，源節(jié)點(diǎn)S支付&轉(zhuǎn)發(fā)價(jià)格gPnu.，且源節(jié)點(diǎn)S現(xiàn)有的虛擬貨幣V。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可以利用贏得的轉(zhuǎn)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì) 購買資源轉(zhuǎn)發(fā)自己的分組。設(shè)定Cmj、p與gpmj、grmj使用相同的衡量機(jī)制和單位。源節(jié)點(diǎn)和 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)參與此次交易需滿足一下條件：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟1:設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通信場景模型，確定源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)集R和目的節(jié)點(diǎn)d具體的位置 分布狀況，并且通過環(huán)境感知技術(shù)獲得各中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀況信息，確定候選的中繼節(jié)點(diǎn) 聯(lián)盟集6 = {~「2/"'?1}，獲得中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道增益(71^〇; )；/€/?)，中繼節(jié)點(diǎn) 發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)信號(hào)的帶寬％，目的節(jié)點(diǎn)d所受到其他節(jié)點(diǎn)的平均干擾Ω int和信道噪聲 功率譜密度Ntl參數(shù)； 步驟2 :根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和各中繼節(jié)點(diǎn)信道狀況，初始化中繼節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率ρ_、源 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收益Ρ、中繼節(jié)點(diǎn)rmj(rmje R)轉(zhuǎn)發(fā)成本Cmj以及源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)rmj協(xié)商確定轉(zhuǎn) 發(fā)補(bǔ)償gpmj、轉(zhuǎn)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)gr mj; 步驟3 :選取任意的中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟τ i且聯(lián)盟中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N(N> = 2)，根據(jù)上述步驟2 中的支付補(bǔ)償價(jià)格參數(shù)建立聯(lián)盟的效益函數(shù)〃 一采取一種以節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和接收端信干 比為因素且保障節(jié)點(diǎn)公平性和有效性的聯(lián)盟代價(jià)函數(shù)A，將聯(lián)盟效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)之 差表述為聯(lián)盟的總收益函數(shù)模型Ζ( τ J，通過最大化聯(lián)盟效益函數(shù)和最小化聯(lián)盟中繼節(jié)點(diǎn) 代價(jià)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟總收益函數(shù)的最大化； 步驟4 :當(dāng)選擇的中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟τ i確定時(shí)，其包含的中繼節(jié)點(diǎn)集{r ml, rm2,…rmN} 也確定，即當(dāng)聯(lián)盟效用函數(shù)氣取最大值時(shí)，對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟中的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率進(jìn)行控 制使得代價(jià)函數(shù)漢.(八,..心.…最小，即求解得出聯(lián)盟內(nèi)節(jié)點(diǎn)最佳的發(fā)射功率集合 步驟5:計(jì)算最優(yōu)化情況下中繼聯(lián)盟τ i的中繼總收益，即求得 Z(Ii)= argia^(r;) '再次在中繼聯(lián)盟集G中選擇不同的中繼聯(lián)盟，重復(fù)上述的步驟3 和步驟4,比較計(jì)算出不同候選中繼聯(lián)盟下聯(lián)盟的總收益，從而獲得最佳的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)聯(lián) 盟τ%滿足以下公式
〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方 法步驟3是采取以下聯(lián)盟優(yōu)化模型，包括：
其中Z(Ti)表示中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟^的總收益，氣表示中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟Ti的效用函數(shù)， 久表示中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟Ti的代價(jià)函數(shù)，N為中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟τ i的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)（N> = 2)，λ ,表 示節(jié)點(diǎn)rmk信號(hào)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)d的信干比，γ 表示目的節(jié)點(diǎn)d所能接收的最低信干比即 目標(biāo)信干比，ak和bk是非負(fù)的常值權(quán)重因子，λ k是節(jié)點(diǎn)rmk的調(diào)整因子用于滿足節(jié)點(diǎn)的信 干比SIR和服務(wù)質(zhì)量QoS ; L表示中繼節(jié)點(diǎn)rmk的發(fā)射功率，<\i(/表示中繼節(jié)點(diǎn)rmk和目的 節(jié)點(diǎn)d間的鏈路增益L表示目的節(jié)點(diǎn)d接收中繼節(jié)點(diǎn)rmk的信號(hào)帶寬，N ^表示目的節(jié)點(diǎn) d處的信道加性高斯噪聲功率譜密度，Pmax表示中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的上限，Ω int表示中繼節(jié) 點(diǎn)信號(hào)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)受到其他中繼節(jié)點(diǎn)的干擾，均值為0方差為Ω int的高斯分布噪聲。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方 法步驟4的聯(lián)盟優(yōu)化模型可簡化為：
其中久，只;":，…只?表示中繼聯(lián)盟τ i轉(zhuǎn)發(fā)分組的代價(jià)函數(shù)，而kLfL,…凡則 表示中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟τif點(diǎn)最優(yōu)的功率，此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)采用最優(yōu)發(fā)射功率使得中繼聯(lián)盟的 代價(jià)最小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述 方法包括：設(shè)定兩跳多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合中繼轉(zhuǎn)發(fā)的通信場景；所述場景存在需要其他節(jié)點(diǎn)提供 轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)s、源節(jié)點(diǎn)周圍能夠提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)集合R = {ri，r2，r3，…，rM}和目的節(jié)點(diǎn)d，而M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所組成的中繼聯(lián)盟有（2 M-1)個(gè)；其中繼 聯(lián)盟集G = 3個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)i、j和k所能組成的轉(zhuǎn)發(fā)中繼聯(lián)盟有：{{i}，{j} ，{k}，{i, j}，{i，k}，{j，k}，{i, j，k}};其中{i}，{j}，{k}表示單中繼節(jié)點(diǎn)獨(dú)立聯(lián)盟形成非 合作博弈；中繼聯(lián)盟集選擇其中的Ti，設(shè)其中包含的中繼節(jié)點(diǎn)有N(N> = 2)個(gè)，8卩Ti = kml，rnfi，R其中j = 1，2,…N ;設(shè)定&節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組消耗資源成本為Cmj，源節(jié) 點(diǎn)S成功轉(zhuǎn)發(fā)分組的收益為P，若％節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)獲得的轉(zhuǎn)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)為，源節(jié)點(diǎn)S支付％ 轉(zhuǎn)發(fā)價(jià)格SPnu，且源節(jié)點(diǎn)S現(xiàn)有的虛擬貨幣V ;轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)利用贏得的轉(zhuǎn)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)購買資源轉(zhuǎn)發(fā) 自己的分組；設(shè)定CnU、P與gP^gl^使用相同的衡量機(jī)制和單位，源節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)參與此 次交易需滿足以下條件：
O
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方 法利用博弈論對(duì)多中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，設(shè)立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟的效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)，針 對(duì)需要數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)選擇出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)聯(lián)盟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方 法在無線泛在環(huán)境中多中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟激勵(lì)總收益表示為聯(lián)盟的效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)的差， 通過最大化聯(lián)盟的效用和最小化聯(lián)盟的代價(jià)函數(shù)來取得最佳的中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，其特征在于，所述方 法應(yīng)用于無線泛在環(huán)境。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多中繼節(jié)點(diǎn)合作博弈的激勵(lì)方法，該方法應(yīng)用于無線泛在環(huán)境，解決了無線泛在環(huán)境的復(fù)雜通信問題，利用博弈論對(duì)多中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，設(shè)立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟的效用函數(shù)和代價(jià)函數(shù)，針對(duì)需要數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)選擇出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)聯(lián)盟，極大地促進(jìn)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的積極性。同時(shí)該方法非常簡單而易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景，并且能夠很好地避免單一機(jī)制的問題。
【IPC分類】H04W84-18, H04W52-04, H04W24-06
【公開號(hào)】CN104640141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510051595
【發(fā)明人】張暉, 劉風(fēng)華
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日