自私性無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼的博弈策略研究.pdf

1、無線節(jié)點(diǎn)之間通過協(xié)作中繼相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，可以有效提高無線通信質(zhì)量，擴(kuò)大無線通信覆蓋區(qū)域，因此作為一種很有潛力的無線傳輸機(jī)制，協(xié)作中繼已經(jīng)成為近年來學(xué)術(shù)界的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼的基本原理是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將自身作為鄰節(jié)點(diǎn)的中繼，協(xié)助鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)副本到其目的節(jié)點(diǎn)，這樣就從整體上構(gòu)成一個(gè)虛擬多輸入多輸出的伙伴通信系統(tǒng)，從而可以獲取多用戶無線通信系統(tǒng)潛在的協(xié)作分集。
　　目前業(yè)界對(duì)協(xié)作中繼的研究時(shí)間較短，研究?jī)?nèi)容尚不夠深入，研究領(lǐng)

2、域也相對(duì)較狹窄，其中一個(gè)重要的表現(xiàn)就是大多數(shù)研究都是基于無線節(jié)點(diǎn)的無私性。所謂無私性是指無線節(jié)點(diǎn)不要求任何報(bào)答、完全無私地貢獻(xiàn)自身資源去參與協(xié)作中繼，在由無私的無線節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)模型、算法及實(shí)現(xiàn)效果都是比較理想的。但對(duì)于現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)普通無線網(wǎng)絡(luò)而言，組成它們的節(jié)點(diǎn)都是自私的（或者說是個(gè)體理性的），這些節(jié)點(diǎn)只希望使用自身資源為己謀利而不是為其它節(jié)點(diǎn)做貢獻(xiàn)，因此對(duì)無私性無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼的研究顯然不適于這種網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種自私

3、性無線協(xié)作中繼系統(tǒng)，我們既要關(guān)注如何通過協(xié)作中繼提高系統(tǒng)整體性能，同時(shí)又要充分考慮到節(jié)點(diǎn)的自私性，在協(xié)作中繼的過程中滿足節(jié)點(diǎn)的個(gè)體理性需求，因此必須設(shè)計(jì)良好的激勵(lì)/回報(bào)機(jī)制以使自私節(jié)點(diǎn)能積極自愿的參與協(xié)作中繼。
　　利用博弈論解決自私性無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼的資源分配問題，從而促使自私節(jié)點(diǎn)積極主動(dòng)參與協(xié)作，這已被證明是個(gè)行之有效的途徑，也是本論文研究的核心工作。論文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、針對(duì)協(xié)作中繼基礎(chǔ)模型的研究。

4、　　單用戶-單中繼，對(duì)等式協(xié)作，放大再轉(zhuǎn)發(fā)+解碼再轉(zhuǎn)發(fā)雙協(xié)議聯(lián)合研究。針對(duì)放大再轉(zhuǎn)發(fā)和解碼再轉(zhuǎn)發(fā)兩種協(xié)議模型，給出單用戶-單中繼網(wǎng)絡(luò)基于合作博弈的功率分配方案，并求解它們的納什議價(jià)解，仿真結(jié)果表明方案既提高了系統(tǒng)整體性能，又保證了個(gè)體用戶公平性。同時(shí)，建模及求解的過程也回答了協(xié)作中繼的三個(gè)本源問題，即源節(jié)點(diǎn)何時(shí)能利用協(xié)作中繼獲益，中繼節(jié)點(diǎn)需貢獻(xiàn)多少資源參與協(xié)作，以及源節(jié)點(diǎn)如何回報(bào)中繼節(jié)點(diǎn)。
　　單用戶-多中繼，對(duì)等式協(xié)作，基于放大

5、再轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的符號(hào)時(shí)資源分配研究。首先給出了一個(gè)基于對(duì)等協(xié)作中繼的單用戶-多中繼系統(tǒng)模型，物理層采用多進(jìn)制正交幅度調(diào)制，鏈路層采用時(shí)分多址接入，定義協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)作策略為在一個(gè)發(fā)送幀中，節(jié)點(diǎn)愿意為其合作伙伴貢獻(xiàn)的符號(hào)時(shí)數(shù)目。然后將此問題建模為一個(gè)單用戶-多中繼資源分配納什議價(jià)問題，并證明此問題存在唯一的納什議價(jià)解。接著采用粒子群優(yōu)化算法去求解納什議價(jià)解。仿真結(jié)果證明，方案在源節(jié)點(diǎn)和多中繼節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成了一個(gè)系統(tǒng)有效且個(gè)體公平的結(jié)果。
　

6、　多用戶-多中繼，非對(duì)等協(xié)作，基于放大再轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇+頻譜資源聯(lián)合分配研究。在多用戶-多中繼網(wǎng)絡(luò)中，某中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)該為哪個(gè)用戶、貢獻(xiàn)多少頻譜資源作為協(xié)作中繼策略，這本身是個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問題，因此可以通過合作博弈論對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模來求解。首先將此問題建模為多用戶-多中繼納什議價(jià)博弈問題，然后證明了納什議價(jià)解的唯一存在性，接著為了降低求解復(fù)雜度設(shè)計(jì)了基于拉格朗日松弛的迭代搜尋算法，最后的仿真結(jié)果表明，本方案在用戶速率分布的公平性和有效性方面

7、達(dá)到了一個(gè)很好的平衡。
　　2、針對(duì)協(xié)作中繼在應(yīng)用領(lǐng)域的研究。
　　自私性正交頻分多址接入?yún)f(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)子載波+功率聯(lián)合分配問題研究。針對(duì)正交頻分多址接入網(wǎng)絡(luò)的子載波和功率兩種通信資源，提出一種基于議價(jià)博弈的多用戶子載波+功率資源聯(lián)合分配方案。首先定義了用戶基于比特傳輸速率的效用函數(shù)，然后建立中繼資源聯(lián)合分配的合作博弈模型，接著提出一種能有效降低求解復(fù)雜度的快速子載波與功率聯(lián)合分配算法，最后的仿真結(jié)果表明，本算法在提高正交頻分

8、多址接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源利用率和滿足個(gè)體用戶公平性之間取得了一個(gè)比較理想的折中。
　　協(xié)作中繼在提高自私性認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率方面的研究。利用協(xié)作中繼思想，設(shè)定認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中非授權(quán)用戶從授權(quán)用戶處分享到的頻譜資源用作兩個(gè)目的：
　　1、非授權(quán)用戶拿出部分頻譜給授權(quán)用戶提供協(xié)作中繼使之性能改善，以補(bǔ)償其在分享頻譜資源方面的損失；
　　2、非授權(quán)用戶利用剩余的頻譜發(fā)送自身信息以達(dá)到更高的QoS預(yù)期指標(biāo)。首先給出了一個(gè)基于

9、非合作博弈的頻譜分配方案，其次給出該博弈方案的納什均衡解，仿真結(jié)果表明，本方案所給出的符合納什均衡的最佳頻譜分配比例，可以在保障授權(quán)用戶最低速率需求的前提下有效提高非授權(quán)用戶的QoS指標(biāo)，從而達(dá)到了提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率的目標(biāo)。
　　針對(duì)自私性無線網(wǎng)絡(luò)有效開展協(xié)作中繼的問題，本文在自私性無線節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼的博弈策略研究方面做了些工作，主要是利用博弈論、最優(yōu)化理論等數(shù)學(xué)知識(shí)，研究了不同系統(tǒng)模型及應(yīng)用環(huán)境下的多種通信資源在協(xié)作節(jié)點(diǎn)