一種基于Stackelberg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機網(wǎng)絡應用和無線網(wǎng)絡資源管理技術，特別設及一種無線蜂窩網(wǎng) 絡環(huán)境下的基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法。
【背景技術】
[0002] 隨著大量無線多媒體應用的出現(xiàn)，無線終端的流量也在迅猛增長。諸如社交網(wǎng)的 通告信息、智能交通網(wǎng)的流量信息發(fā)布、電子地圖信息的更新、新聞推送等內(nèi)容更新與分發(fā) 應用，W及即拍即傳等大容量視頻文件的上傳，導致無線終端需要處理和傳輸海量數(shù)據(jù)。
[0003] 借助于多跳中繼，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)能夠改善覆蓋區(qū)的通信質(zhì)量和增加系統(tǒng)容量。伴隨 無線多媒體應用的出現(xiàn)，低功率的接入點，例如微微基站（picobasestation)、毫微微基 站（femtobasestations)、中繼站（relay)等，被引入到蜂窩系統(tǒng)來改善覆蓋能力和提高 系統(tǒng)容量。下一代蜂窩網(wǎng)絡標準工作也在考慮接納運種方案。多跳異構蜂窩網(wǎng)絡也將成為 未來無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。在運種網(wǎng)絡中，無線終端既能通過單跳接入基站，也能通過預先 部署的中繼站W(wǎng)多跳的形式接入基站。
[0004] 上述方案在帶來益處的同時，也要求網(wǎng)絡營運商投入巨資來部署和維護低功率基 站和中繼站。為了分擔宏基站（macrobasestation)的流量，微微基站和毫微微基站通常 通過獨立的高速有線或無線鏈路連接到核屯、網(wǎng)絡。因此，網(wǎng)絡運營商需要投資建設和維護 運些鏈路。由網(wǎng)絡營運商部署的中繼站需要有比較確切的位置信息的支持，W便于準確地 部署運些中繼站到實際需要的區(qū)域。運對網(wǎng)絡營運商來說，該任務既十分關鍵又非常難W 處理。
[0005] 在一些戶外場景（例如，大型體育運動會、大型商品交易會、大型節(jié)日慶典活動）， 由于人流密度大，考慮選擇密集人群中的合適無線終端來臨時充當中繼站的功能，不失為 一種經(jīng)濟且有效的增加人群密集區(qū)域通信容量W及改善其邊緣地帶節(jié)點接入基站能力的 方法。通信容量的提升來源于空間復用率的提高和單跳距離的減少。只要合理選擇中繼， 可采用更小的發(fā)射功率來減少對鄰近區(qū)域干擾W及減少能耗，同時，邊緣地帶節(jié)點接入基 站能力可W做到不降反升。然而，運樣的益處是消耗充當中繼站功能的無線終端的有限資 源為代價換來的。潛在的候選無線終端節(jié)點通常是自私的，因為它們可能分屬于不同網(wǎng)絡 實體或運營組織，沒有額外的激勵機制，很難參與運樣的通信協(xié)作。因此，足夠誘人的貨幣 激勵或者其它任何形式的獎勵機制的設立很有必要。
[0006] -種可行的選擇是，發(fā)射源節(jié)點通過出讓一部分自己的授權頻段的使用權來激發(fā) 其它無線終端節(jié)點在它們力所能及的范圍內(nèi)積極提供中繼服務。出讓的頻段資源將在所 有參與中繼服務的無線終端之間，依據(jù)各自為提供中繼服務而消耗的資源量進行分配。從 發(fā)射源節(jié)點的角度看，該類節(jié)點在增加數(shù)據(jù)發(fā)送率的同時也提高了能量效率。原因在于，通 過中繼節(jié)點的幫助，發(fā)射源節(jié)點在適當減小發(fā)射功率的同時也能確保平均信噪比至少不下 降，并能彌補出讓部分頻段的損失。從中繼節(jié)點的角度看，該類節(jié)點能夠免費使用發(fā)射源節(jié) 點出讓頻段的某些份額來發(fā)射自己的數(shù)據(jù)，節(jié)省了網(wǎng)費開支，因而，存在參與通信協(xié)作的動 機。從運營商的角度看，更多的節(jié)點，特別是蜂窩邊緣地帶的節(jié)點能高質(zhì)量地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?基站，有利于提升基站的接入服務量、改善服務質(zhì)量、增加營運收入，因而，存在為運種通信 協(xié)作的建立提供幫助的動機。
[0007] 盡管通過出讓部分授權頻段作為報酬的激勵方式已經(jīng)被應用于協(xié)作通信網(wǎng)絡W 及協(xié)作認知無線電網(wǎng)絡中，但是在運些網(wǎng)絡中的中繼服務的特點是，一個或多個中繼站并 發(fā)地將源節(jié)點直接發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)，再直接轉發(fā)給目的節(jié)點。在源-目的節(jié)點之間距離 很長的情況下，運種通信模式無法改善通信鏈路的傳輸質(zhì)量。將多個中繼站串聯(lián)成中繼路 徑，會有效縮短傳輸路徑上通信鏈路的平均距離，在節(jié)省能量的同時也能達到減少節(jié)點之 間相互干擾的目的。但現(xiàn)有方案并未考慮運種情況。除此之外，現(xiàn)有基于出讓授權頻段使 用權的激勵方案還存在如下問題：（1)中繼站的選擇要么采取基站負責的集中式方式，要 么采用終端節(jié)點協(xié)同的分布式模式，無法充分利用兩者的優(yōu)勢，而且也沒有給出如何實現(xiàn) 的具體解決方法。（2)對中繼站的要求過高。例如，要求中繼站在中繼數(shù)據(jù)的同時，利用被 出讓的授權頻段來同時發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而在實際應用中，也存在兩者無法同時進行處理 的情況，因而，中繼站實際上就得不到報酬。要求終端能偵測到與其它終端之間信道增益的 異構性，也并非每個終端都有能力做到。要求基站能準確跟蹤所有用戶在所有頻段上的信 道狀態(tài)信息（化annelStateIn化rmation,CSI)也將為基站增加極大的工作量。因此，急 需提出一種應對上述問題的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明給出了一種選擇通信策略、確定中繼節(jié)點、進行無線資源分配的整體解決 方案。鑒于集中式實現(xiàn)模式會加重基站負擔，而分布式實現(xiàn)模式會導致無線終端之間過高 的通信負載，因而本發(fā)明結合兩種實現(xiàn)模式的優(yōu)點設計了一種混合式實現(xiàn)模式，并達到了 將負載在基站、發(fā)射源、中繼站之間進行合理分擔的目的。
[0009]關于通信策略選擇，接近基站的無線終端，應該選擇直接傳輸策略（即直接將數(shù) 據(jù)發(fā)送給基站）。若相距較遠，則協(xié)作中繼策略是一個可考慮的選擇。更一步，若相距很遠， 則必須考慮多跳中繼。后兩種通信策略都需要確定中繼節(jié)點。
[0010] 關于中繼節(jié)點確定，在協(xié)作通信模式下，被選擇的中繼節(jié)點都只需將數(shù)據(jù)直接轉 發(fā)給基站即可，因而，該類中繼的選擇相對容易，但在文獻中也極少提及具體算法。在多跳 中繼通信模式下，不僅需要關注中繼的服務能力，而且需要確定中繼節(jié)點在中繼路徑上的 位置是否適合（例如，中繼的選擇應盡量兼顧路徑上各相鄰節(jié)點間距離的相對均勻性和該 路徑上各通信鏈路的可視性（即通信雙方在對方的視距范圍內(nèi)））。實現(xiàn)該功能的算法設計 相對復雜，因而，需要提出一種具體設計方案。
[0011] 關于無線資源分配，由于無線終端的自私性，必須要有足夠誘惑力的激勵機制 來激勵潛在中繼節(jié)點參與資源分配的協(xié)作活動。一方面，發(fā)送源節(jié)點需要提供報酬給中 繼節(jié)點，另一方面，它需要選擇能給它帶來最大收益的無線節(jié)點充當中繼。本發(fā)明基于 Stacke化erg博弈模型設id種S方協(xié)作的無線資源分配方案。
[0012] 為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明的技術方案是，
[0013]一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，包括W下 步驟：
[0014] 步驟一：源節(jié)點向基站報告自身信息并接收來自基站的信息，計算最優(yōu)發(fā)射功率 和數(shù)據(jù)發(fā)送速率，數(shù)據(jù)發(fā)送速率較優(yōu)則選擇直接通信策略，否則請求基站構建一條從該源 節(jié)點到基站的中繼路徑，并測試中繼路徑后根據(jù)結果決定是否更新；
[0015] 步驟二：中繼節(jié)點向基站報告自身信息并接收來自基站的信息，如果接收到候選 中繼節(jié)點的信息并同意接受施加于自身的源節(jié)點出讓頻段的使用條件，則向基站發(fā)送確認 包，否則維持現(xiàn)狀不變，如果接收到來自基站的初步中繼路徑，則測試中繼路徑并根據(jù)結果 決定是否更新，更新后對自身發(fā)射功率進行調(diào)整；
[0016] 步驟S:基站若接收到任一潛在中繼節(jié)點的信息，則查找確認中繼信息后進行更 新，若接收到某源節(jié)點的信息，則查找確認源節(jié)點信息后進行更新，若接收到構建中繼路徑 的信息，則構建初步中繼路徑并廣播到請求者和路徑上所有的中繼節(jié)點，并在預設時間內(nèi) 等待是否有在該初步中繼路徑上增加中繼的請求，收到請求話則更新初步中繼路徑并進行 廣播。
[0017] 所述的一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，所 述的步驟一的具體執(zhí)行過程包括，
[0018] 步驟1 :源節(jié)點向基站報告自身身份標識和坐標，并接收來自基站的信息，包括坐 標和噪聲功率；
[001引步驟2 :若源節(jié)點與基站之間距離屯,d小于交叉距離d。"_胃，則根據(jù) [0020]
[0021] 計算源節(jié)點直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的最優(yōu)功率/:，并根據(jù)
[0022]

[002引計算源節(jié)點直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的速率C,,);否則，則根據(jù) [0024]
[00 巧]
[002引來計算最優(yōu)發(fā)射功率托和數(shù)據(jù)發(fā)送速率);其中P:*,,表示源節(jié)點向 中繼路徑上第1個中繼節(jié)點發(fā)射時采用的被優(yōu)化的發(fā)射功率、％）表示當被采 用時，源節(jié)點向中繼路徑上第1個中繼節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)的速率、％n表示當源節(jié)點向中繼路徑 上第1個中繼節(jié)點發(fā)射時該中繼節(jié)點周圍的環(huán)境噪聲功率、貨而表示源節(jié)點向基站發(fā)射時 采用的被優(yōu)化的發(fā)射功率、表示當被采用時源節(jié)點向基站發(fā)射數(shù)據(jù)的速率、 屯,康示源節(jié)點與基站之間的距離、n,康示當源節(jié)點向基站發(fā)射時該基站周圍的環(huán)境噪聲 功率、C,..)表示中繼節(jié)點轉發(fā)源節(jié)點數(shù)據(jù)包的速率、C,..,,.(；4,.)表示中繼節(jié)點發(fā)送自 己數(shù)據(jù)包的速率、r/；^fe表示第i個中繼節(jié)點與基站之間的距離、山,^,表示第i個中繼節(jié)點與 其在中繼路徑上的下一跳節(jié)點之間的距離；
[0027] 步驟3:若數(shù)據(jù)發(fā)送速率至少高于明顯優(yōu)于源節(jié)點期望的速率下限兩 倍，則首選直接通信策略，即源節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，然后返回步驟1 ;否則，請求基 站構建一條從該源節(jié)點到基站的中繼路徑；
[0028] 步驟4 :若在預設時間內(nèi)收到基站返回的初步中繼路徑，則執(zhí)行步驟5 ;否則，直接 執(zhí)行步驟8
[0029] 步驟5 :發(fā)送測試包來獲得初步中繼路徑上源節(jié)點的鄰接鏈路的質(zhì)量；若在預設 時間內(nèi)成功收到對測試包的響應包，則向基站發(fā)送確認包后直接執(zhí)行步驟8;否則，在源節(jié) 點的1跳鄰域范圍內(nèi)廣播中繼請求包，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟6;
[0030] 步驟6 :若在預設時間內(nèi)成功收到對中繼請求包的響應包，則執(zhí)行步驟7 ;否則直 接執(zhí)行步驟8執(zhí)行；
[0031] 步驟7:若源節(jié)點決定在它與初步中繼路徑上的鄰居之間插入一個新中繼，則源 節(jié)點將運個新中繼的信息發(fā)送給基站；否則，源節(jié)點僅需向基站發(fā)送確認包；
[003引步驟8 :若在預設時間內(nèi)收到來自基站的[Pd。?，0UP]，貝帷該取值范圍內(nèi)為0賦 一個具體值；
[0033] 步驟9 :若在預設時間內(nèi)收到來自基站的更新的中繼路徑，則將0的值廣播到該 中繼路徑上的所有中繼節(jié)點，然后返回步驟1
[0034] 所述的一種基于Stacke化erg博弈的無線終端通信策略選擇與資源分配方法，所 述的步驟二的具體執(zhí)行過程包括，
[0035] 步驟1 :中繼節(jié)點向基站報告自身身份標識和坐標、最大發(fā)射功率、噪聲功率，并 接收來自基站的信息，包括坐標、噪聲功率；
[0036] 步驟2:若收到來自基站的關于某個虛擬接入點的候選者信息，并在其中發(fā)現(xiàn)自 身序號，則執(zhí)行步驟3;否則，直接跳到步驟4;所述的候選者信息包括候選者的序號、頻段 的使用條件、W及虛擬接入點的坐標；當基站選中某節(jié)點作為候選者時，將其序號加入消息 包中，
[0037] 步驟3:若愿意接受施加于自身的源節(jié)點出讓頻段的使用條件，則向基站發(fā)送確 認包并執(zhí)行步驟4;否則，返回步驟1;
[0038] 步驟4 :若在預設時間內(nèi)收到來自基站的初步中繼路徑，則執(zhí)行步驟5 ;否則返回 步驟1 ;
[0039] 步驟5 :發(fā)送測試包來獲得初步中繼路徑上源節(jié)點的鄰接鏈路的質(zhì)量；若在預設 時間內(nèi)成功收到對測試包的響應包，則向基站發(fā)送確認包后直接執(zhí)行步驟8;否則，在源節(jié) 點的1跳鄰域范圍內(nèi)廣播中繼請求包，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟6;
[0040] 步驟6 :若在預設時間內(nèi)成功收到對中繼請求包的響應包，則執(zhí)行步驟7 ;否則直 接執(zhí)行步驟8執(zhí)行；
[0041]步驟7:若源節(jié)點決定在它與初步中繼路徑上的鄰居之間插入一個新中繼，則源 節(jié)點將運個新中繼的信息發(fā)送給基站；否則，源節(jié)點僅需向基站發(fā)送確認包；
[0042] 步驟8 :若收到更新后的中繼路徑和該路徑上所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率對組成的 集合即{(/4,，/?；；,,、.，或現(xiàn)有中繼路徑仍在使用，則執(zhí)行步驟9~11 ;否則，直接執(zhí) 行步驟12;
[0043] 步驟9:若發(fā)現(xiàn)中繼源節(jié)點數(shù)據(jù)的鏈路帖成功率至少減少10%而發(fā)射自己數(shù)據(jù)的 鏈路帖成功率幾乎不變，則將扔增加e而將成。.減少e，然后將更新后的心。和知 廣播到同一中繼路徑上其它所有中繼節(jié)點