一种无线通信网络中多源单中继系统的协作中继策略

摘要

本发明针对无线通信网络中的非对称多源(节点)-单中继(节点)协作系统，提供了一种基于放大再转发协议的协作中继策略。系统建模为供不应求的卖方市场，且买方之间展开非协作博弈。协作中继策略主要包括中继节点协作功率资源的价格策略和分配策略以及源节点的中继选择策略：价格策略顾及了源节点之间的公平性，同时有效刺激中继节点参与协作；分配策略基于分布式求解算法得到纳什均衡解，从而确定分配功率值，保证了各源节点效用的最优性；选择策略从系统整体性能最优角度考虑，给出了源节点是否参与中继的标准。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及放大再转发模式下的协作通信技术，提出了一 种无线通信网络中多源单中继系统的协作中继策略。

背景技术

有关无线通信系统的形态分类，从网络组网的角度出发，可归纳为目前两类应用最 广泛的拓扑形态：1、无线蜂窝网(Wireless Cellular Network，WCN)，一种基于点对多 点(Point to Multipoint，PMP)结构的移动通信网络；2、无线自组织网络(Mobile Ad hoc  Network，MANET)，一种可由独立节点分布式动态自组成网、无固定拓扑结构和基础 设施的移动通信网络。

在传统PMP网络中，基站是网络中唯一的资源分配管理和任务协调、调度设备， 而用户作为被管理设备始终处于从属和被动的地位。无线自组织网络的出现和发展，开 始将本来完全由基站控制的网络行为决策更多地放在用户站执行，网络中的用户站也逐 渐表现出更强的自治性。另外，由于无线自组织网络中用户之间的对等公平性，伴随而 来的就是用户站之间的竞争与协作问题，这一问题在对网络稀缺有效资源进行分配时表 现的更为明显。同时，由于通信系统在无线资源优化和利用方面存在着的固定局限性， 导致有限资源与迅速增长的业务需求之间的矛盾不能有效解决，由此而产生的无线通信 瓶颈问题日益突出。

针对无线通信瓶颈的出现，研究人员提出了无线协作中继通信技术，有效解决了这 些问题。协作中继(Cooperative Relay)的基本的工作思想就是设立中继节点，从而使 中继以转发信息副本的方式来协助数据源节点进行数据的传输。由于Ad hoc网络需要 处理诸如分布式控制、动态路由设计、移动性管理等一系列问题，而它本身的网络不同 于传统PMP网，并没有固定的基础设施，所以当端到端的通信距离超过了它们之间天 线的覆盖范围时，就可以通过这两个节点之间的中继节点进行协作中继转发来完成通信 传输。

发明内容

发明目的：本发明旨在解决非对称多源单中继协作系统中的节点协作与竞争问题， 兼顾系统的有效性和公平性，给出了一种基于放大再转发模式的多源单中继系统协作中 继策略。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

针对无线通信网络中的非对称多源(节点)-单中继(节点)协作系统，提供一种 基于放大再转发协议的协作中继策略。系统建模为供不应求的卖方市场，且买方之间展 开非协作博弈。协作中继策略主要包括中继节点协作功率资源的价格策略和分配策略以 及源节点的中继选择策略：价格策略顾及了源节点之间的公平性，同时有效刺激中继节 点参与协作；分配策略基于分布式求解算法得到纳什均衡解，从而确定分配功率值，保 证了各源节点效用的最优性；选择策略从系统整体性能最优角度考虑，给出了源节点是 否参与中继的标准。

一种无线通信网络中多源单中继系统的协作中继策略，为激励自私的中继节点为多 个源节点提供协作功率资源，首先确定各源节点对中继节点的资源补偿策略，然后给定 中继节点对所有源节点的协作功率资源支持，以确保每个源节点的效用达到最优，最后 为确保系统性能最优，对于系统中的某个源节点，若其与中继节点间的距离大于其与目 的节点间的距离，则此源节点选择放弃中继策略；该方法的具体实现过程为：

(1)在任意源节点S_i接受中继节点R的协助向目的节点D发送信息的协作过程， 确定源节点S_i的接收信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R=Q_i{\left|g_{\mathrm{iD}}\right|}^2+\frac{Q_i{P}_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+P_i{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2+1}$

其中，i∈{1,2,…,N}，N为源节点的个数，Q_i表示的S_i发送功率，P_i为R提供给S_i的协作功率值，g_iD、g_iR和g_RD分别为从S_i到D、从S_i到R和从R到D的三条信道传输 幅度衰减参数；信道噪声为加性高斯白噪声，相互独立且都服从正态分布；

(2)根据步骤(1)，给出任意源节点S_i对中继节点R的协作功率补偿策略，即设 定R对S_i的单位功率资源价格c_i；

(3)根据步骤(2)，确定任意源节点S_i的效用值U_i为：

$U_i={\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R)-c_i{P}_i$

(4)根据步骤(3)，确定中继节点R对各源节点S_i的最优功率分配策略值

(5)根据步骤(4)，确定所有源节点在最优功率分配策略下的效用值，发现距离 若源节点与中继节点间的距离大于其与目的节点间的距离，则该源节点的效用较低，因 此采用如下策略：计算系统中所有源节点与目的节点及中继节点间的距离，选择性放弃 中继节点对部分源节点的协作支持，即：若源节点与中继节点间的距离大于其与目的节 点间的距离，则放弃中继节点对该源节点的协作支持。

所述步骤(2)具体包括如下步骤：

(21)保持单位功率资源价格c_i的定义形式与接收信噪比的定义形式的一致 性，将改写为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R=Q_i{\left|g_{\mathrm{iD}}\right|}^2+\frac{{\delta }_i{P}_i}{{ϵ}_i{P}_i+1}$

其中，${ϵ}_i=\frac{{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+1},{\delta }_i=\frac{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+1};$

(22)根据步骤(21)，并考虑源节点的自私性，即：当其自身的资源需求上升时， 希望的应该是价格随之下降；给出单位功率资源价格c_i的设计为：

$c_i=\left(P\right)=\frac{b}{1+{ϵ}_i{P}_i}{\Sigma }_{j\ne i}{P}_j$

其中，P＝{P₁，P₂,…,P_N}表示中继节点提供给全部源节点的协作功率集合，中继节 点R自身具备的协作功率为P_R，且满足b是一个非负的价格调节参数。

所述步骤(4)中，最优功率分配策略值的求解依赖于博弈理论中的分布式求解 算法，即：

$P_i(t+1)=P_i\left(t\right)+{\theta }_i{P}_i\left(t\right)\frac{\partial U_i\left(P\right)}{\partial P_i\left(t\right)}$

其中，P_i(t)为源节点S_i在第t个博弈阶段被分配到的协作功率，θ_i是源节点S_i的策 略调整参数，用于控制算法的收敛速度；该分布式求解算法最终收敛值即为需要求得的

有益效果：本发明提供的无线通信网络中多源单中继系统的协作中继策略，不仅考 虑了中继节点的自私性，同时兼顾了多个源节点的自私性，给出了针对不同源节点的不 同价格策略，对于中继节点对源节点的协作资源分配给出了具体指导；经过仿真验证， 本策略可以合理有效地解决多源节点对协作功率的分配问题，满足节点之间的竞争公平 性需求，优化系统整体性能。

附图说明

图1为本发明针对二源单中继系统的结构示意图；

图2为本发明协作中继策略中的中继资源价格策略仿真图；

图3为本发明协作中继策略中的协作中继功率资源分配策略仿真图；

图4为本发明中各源节点的效用结果仿真图；

图5为本发明中价格调节参数b对中继资源价格策略的影响仿真图；

图6为本发明中价格调节参数b对协作中继功率资源分配策略的影响仿真图；

图7为本发明中协作功率资源分配策略的求解算法收敛过程仿真图；

图8为非对称多源(节点)-单中继(节点)协作系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1，系统中存在两个源节点S₁和S₂，分别位于(-3m,0m)和(3m,0m)处；目的节点 D被固定在(0m,8m)处；中继节点R在y＝4m上，自x＝-35m向x＝35m处移动。

第一步：针对系统中的两个源节点S_i，i∈{1,2}接受中继节点R的协助，向目的节 点D发送信息的协作过程，确定S_i的接收信噪比即：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R=Q_i{\left|g_{\mathrm{iD}}\right|}^2+\frac{Q_i{P}_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+P_i{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2+1}$

其中，Q_i表示S_i的发送功率，P_i为R提供给S_i的协作功率值，g_iD、g_iR和g_RD分别为 从S_i到D、从S_i到R和从R到D的三条信道传输幅度衰减参数。信道噪声为加性高斯 白噪声，相互独立且都服从正态分布；

第二步：根据第一步，给出两个源节点S_i对中继节点R的协作功率补偿策略，即R 对S_i设定的单位功率资源价格为c_i。

价格c_i的定义形式可与接收信噪比保持一定的形式一致性，这里对进 行改写，即：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R=Q_i{\left|g_{\mathrm{iD}}\right|}^2+\frac{{\delta }_i{P}_i}{{ϵ}_i{P}_i+1};$

其中，${ϵ}_i=\frac{{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+1},{\delta }_i=\frac{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2{\left|g_{\mathrm{RD}}\right|}^2}{Q_i{\left|g_{\mathrm{iR}}\right|}^2+1};$

考虑源节点的自私性，当其自身的资源需求上升时，希望的应该是价格随之下降。 给出价格c_i的设计，即：

$c_i=\left(P\right)=\frac{b}{1+{ϵ}_i{P}_i}{\Sigma }_{j\ne i}{P}_j$

其中，P＝{P₁，P₂}表示全部源节点向中继提交的协作策略集合，中继节点R自身 具备的协作功率为P_R，需满足：P₁+P₂≤P_R，b是一个非负的价格调节参数。

第三步：根据第二步，得出任意源节点S_i的效用值U_i，即：

$U_i={\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{iD}}^R)-c_i{P}_i$

第四步：根据第三步，求解中继节点R对各源节点S_i的最优功率分配策略值的求解依赖于博弈理论中的分布式求解算法，即：

$P_i(t+1)=P_i\left(t\right)+{\theta }_i{P}_i\left(t\right)\frac{\partial U_i\left(P\right)}{\partial P_i\left(t\right)}$

其中，P_i(t)为源节点S_i在第t个博弈阶段被分配到的协作功率，θ_i是S_i的策略调整 参数，用于控制算法的收敛速度。此算法的最终收敛值即为需要求得的

第五步：根据第四步，确定所有源节点在最优功率分配策略下的效用，计算系统 中所有源节点与目的节点及中继节点间的距离，选择性放弃中继对部分源节点的协作 支持。

图2为本发明协作中继策略中的中继资源价格策略仿真图，图3为本发明协作中继 策略中的协作中继功率资源分配策略仿真图，图4为本发明中源节点S₁和S₂的效用结 果仿真图。如图，R由左向右移动。当-25m<x<0m时，S₁比S₂更接近R，R会分出更多 的协作功率来协助S₁进行数据传输，并且设定了较低的价格以最大化其效用；当 0m<x<25m，此时S₂更接近R，它可通过购买更多的协作功率来提高其效用，同时R对 其设定的价格较低。当x＝-3m时，S₁的效用达到了最大，也即R此时处于协作S₁的最 佳位置。同理当x＝3m时，R处于帮助S₂的最佳位置。当x<-25m或者x>25m时，R的 位置对于两源节点来说都相对较远，此时两源节点所获得的效用是一样的。S₁和S₂的整 体功率分配情况和效用情况是基本一致的，说明了S₁和S₂之间协作功率资源的共享存 在一定公平性。

图5和图6给出了价格调节参数b对在R位于x＝-10m处时，对中继资源价格策略 和分配策略的影响仿真图。如图，b越大，中继的功率资源价格越高，S₁和S₂便会减小 其对中继的最优功率需求。故当总协作功率需求超过了中继所能提供的功率最大值极限 时，便可通过调整参数b来选择新的功率分配策略。即在确定了中继的位置及其所能提 供的最大中继功率值后，便可以提前选择出一个合理的b的值来确定下价格更新函数， 从而能确定出合理的纳什均衡功率分配策略。

图7给出了R位于x＝-10m处，初始策略P_i(0)＝2W时协作功率资源分配策略的求解 算法收敛过程仿真图。如图，策略调整速度参数θ(＝θ₁＝θ₂)只影响算法的收敛速度，但 对于最终的纳什均衡解的值的大小并没有影响。当θ＝10时，S₁和S₂分别在算法迭代到 第20次和第5次时达到纳什均衡状态；当θ＝5时，S₁需要更新算法35次才能达到均衡 状态，S₂需要更新算法15次才能达到所需最优购买功率值。θ的值越大，算法越快收 敛。可以找到一个合适的θ值，使得算法在有限时间内趋于稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。