协作通信网络的中继合作技术研究

摘要

在无线通信系统中，连接可靠性和数据高传输率是重要的性能指标。由于多径衰落、阴影和路径损耗等的干扰，信道质量在时间、频率和空间上将产生随机不确定性，导致无线通信质量下降。目前解决方法是通过收发分集技术，获取分集增益，进而实现可靠高速的无线信号传输。例如，在多输入多输出系统中，无线通信终端通过嵌入多个天线实现空间分集增益。然而，受无线设备大小及成本的限制，在单一终端上安置多个天线的成本很高，无法在实际系统中部署实施。因此，无线通信终端通过与网络中其他节点形成合作分布式的天线系统，通过协作通信(Cooperative Communication)，在有效控制成本的前提下实现可靠高速通信。
　　 在协作通信网络(Cooperative Communication Networks)中，节点用户通过不同的中继合作技术(Relay-Cooperation Technology)，传递转发其他用户的消息。一方面，节点传递转发过程将消耗一定的资源;而另一方面，在无线通信系统中移动设备的能量、带宽、处理能力以及存储容量等资源都是有限的，所以用户出于自身利益考虑，往往只把消息广播给其他用户传递转发，却拒绝中继其他用户的消息。针对该“搭便车”(Free Rider)现象，本文重点研究如何设计中继协议，协调系统内用户的合作行为涌现。以及在资源博弈过程中，在保证高通信质量的前提下，对中继合作过程中的延时和开销进行有效控制，设计一种用户学习更新机制。本文研究内容是未来无线通信网络中可靠性、传输率、吞吐率、通信延时以及能耗等关键指标的基础，具有重要的现实意义。
　　 本文主要完成以下几个方面的研究:
　　 首先，分析目前的协作通信网络的中继方式、多中继用户所形成的网络结构和如何激励中继合作涌现的机制。针对多中继用户对通信资源具有合作与竞争关系，分析基于复杂网络的演化博弈方法。
　　 然后，针对中继协作网络中“搭便车”问题，提出一种基于网格网络的惩罚策略模型。通过引入惩罚策略，惩罚用户将对原先持有反对策略的用户给予一定数量的惩罚值，同时自身也由于会消耗一定数量的通信资源。本文通过蒙特卡罗模拟仿真实验结果表明:当中等程度的资源消耗和超越一定惩罚阀值的情况下，协作通信网络中的中继用户出现合作行为大量涌现，并且可以演化三种策略共存的现象。
　　 最后，针对中继节点具有渴望得到一定的预期收益的特征，提出基于复杂网络的渴望学习更新机制。该模型主要强调中继用户在每轮博弈过程中，会比较是否达到确定性渴望收益值，如果超越预期渴望值，中继用户将保持原先的博弈策略;反之，节点会以一定概率选择邻居策略。通过模拟实验可以得出，中间范围的渴望值(A)会明显影响协作通信网络的中继合作率;当渴望值比较大时，中继合作率随着惩罚值增加而缓慢地增加。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景、目的以及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 当前研究存在的问题

1．4 研究内容与论文组织结构

第2章 协作通信网络中继分析

2．1 协作通信网络的发展

2．2 中继协作方式

2．2．1 中继移动性方式

2．2．2 中继转发方式

2．2．3 中继资源使用方式

2．2．4 中继分集方式

2．3 多中继通信网络

2．4 中继合作的激励机制

2．5 本章小结

第3章 基于复杂网络的演化博弈分析

3．1 博弈论简介

3．1．1 囚徒困境博弈模型

3．1．2 雪堆博弈模型

3．2 演化博弈

3．2．1 演化稳定策略

3．2．2 复制者动力学

3．3 复杂网络模型

3．3．1 规则的网格模型

3．3．2 小世界网络模型

3．3．3 无标度网络模型

3．4 基于复杂网络的演化博弈

3．5 本章小结

第4章 基于惩罚机制的中继合作策略

4．1 引言

4．2 相关研究工作

4．3 基于惩罚机制的合作策略模型

4．4 仿真实验分析

4．5 本章小结

第5章 基于渴望效应的中继学习策略

5．1 引言

5．2 相关研究工作

5．3 基于渴望效应的学习机制模型

5．4 仿真实验分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录1 攻读硕士期间发表的论文

附录2 攻读硕士期间参加的课题和项目

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