協(xié)作通信中基于博弈論的自私節(jié)點(diǎn)激勵(lì)策略研究.pdf

1、協(xié)作通信技術(shù)通過(guò)允許鄰近節(jié)點(diǎn)共享彼此的天線發(fā)送信號(hào)，不僅能夠形成虛擬的多天線陣列獲得空間分集增益，改善接收端的信號(hào)質(zhì)量，還能夠形成中繼傳輸模式，擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍。因此，協(xié)作通信技術(shù)成為了未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)抗多徑衰落、提供高質(zhì)量及高速率服務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的協(xié)作通信方面的研究大多是在節(jié)點(diǎn)自愿合作的假設(shè)上進(jìn)行的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)屬于不同的利益主體（用戶或者服務(wù)提供商）時(shí)，節(jié)點(diǎn)為了節(jié)約自身的資源表現(xiàn)出“自私”的特性而不參與合作，因此

2、，基于節(jié)點(diǎn)自愿合作的假設(shè)在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中往往是不現(xiàn)實(shí)的。為了使網(wǎng)絡(luò)中的“自私”節(jié)點(diǎn)通過(guò)合作來(lái)提高工作效率，完成同一通信任務(wù)，以期達(dá)到“整體大于部分之和”的效應(yīng)，有必要對(duì)激勵(lì)合作的策略進(jìn)行研究，進(jìn)而解決合作的必要性和前提條件、合作伙伴的選取、合作的實(shí)施策略及通過(guò)合作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)或整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)得到何種好處等問(wèn)題。因此，本文針對(duì)如何建立一套有效的激勵(lì)策略來(lái)促使網(wǎng)絡(luò)中的“自私”節(jié)點(diǎn)參與合作的研究，以使協(xié)作通信技術(shù)能夠應(yīng)用于具體的無(wú)線通信場(chǎng)景是

3、十分必要和有意義的。
　　針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的“自私”節(jié)點(diǎn)為了節(jié)約自身資源不愿合作這一問(wèn)題，提出了基于交換帶寬資源的激勵(lì)合作方法。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分享彼此的帶寬資源達(dá)到建立合作并提高彼此收益的目的。首先，將節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作帶寬分配建模為合作博弈中的談判問(wèn)題，通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法得到兩個(gè)用戶基于納什談判解（Nash Bargaining Solution，NBS）的協(xié)作帶寬分配；其次，提出了一種新的基于Kalai-Smorodinsky談判解

4、（Kalai-Smorodinsky Bargaining Solution，KSBS）協(xié)作帶寬分配方法；并提出了兩種評(píng)價(jià)效用公平性的公平指數(shù)，對(duì)基于NBS策略和KSBS策略的協(xié)作帶寬分配的公平性進(jìn)行了研究；最后，在分析了采用不同調(diào)制階數(shù)的M-QAM對(duì)合作性能的影響的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)調(diào)制KSBS（Adaptive Modulation KSBS，AM-KSBS）合作策略，該策略與非自適應(yīng)合作策略相比，能夠增加節(jié)點(diǎn)的合作范圍，并保

5、證節(jié)點(diǎn)在合作時(shí)始終能夠獲得最佳的合作效用增益。
　　提出了一種基于納什談判解的最優(yōu)價(jià)格激勵(lì)和基于粒子群發(fā)射功率優(yōu)化（Optimal Price Incentive Algorithm based on NBS and Optimal Transmit Power Algorithm based on Particle Swarm Optimization，OPINBS-OTPPSO）的協(xié)作算法，解決了激勵(lì)“自私”節(jié)點(diǎn)合作機(jī)制中如何

6、激勵(lì)合作及何時(shí)合作的問(wèn)題。針對(duì)第一問(wèn)題，通過(guò)源節(jié)點(diǎn)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行價(jià)格補(bǔ)償，從而達(dá)到促使網(wǎng)絡(luò)中的“自私”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合作的目的。同時(shí)，將源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)商價(jià)格的過(guò)程建模為談判問(wèn)題，通過(guò)求解得到具有帕累托最優(yōu)性的激勵(lì)價(jià)格，從而保證源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在合作中獲得最佳收益；針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)合作獲得的收益大于非合作的收益時(shí)，雙方達(dá)成合作；進(jìn)一步，為了提高源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的收益，采用粒子群優(yōu)化算法得到了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)

7、發(fā)射功率。最后，由仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，所提OPINBS-OTPPSO算法，與隨機(jī)價(jià)格激勵(lì)相比，能使源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在合作中獲得的收益達(dá)到最優(yōu)；與源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)采用固定發(fā)射功率策略相比，能明顯提高中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)的收益，并保證系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。
　　針對(duì)鮮有同時(shí)采用合作博弈與非合作博弈理論對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)模型中的激勵(lì)問(wèn)題進(jìn)行研究這一問(wèn)題，將博弈論中的非合作博弈與合作博弈方法應(yīng)用到同一網(wǎng)絡(luò)模型中，通過(guò)價(jià)格激勵(lì)機(jī)制激勵(lì)網(wǎng)絡(luò)中的“自私”節(jié)點(diǎn)進(jìn)

8、行合作。首先，采用合作與非合作博弈理論對(duì)合作發(fā)起節(jié)點(diǎn)（Initiating Cooperation Node，ICN）和合作參與節(jié)點(diǎn)（Participating Cooperation Node，PCN）在合作達(dá)成時(shí)，ICN以多大帶寬通過(guò)PCN傳輸數(shù)據(jù)，PCN以多大帶寬幫助ICN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題進(jìn)行了分析。盡管采用非合作博弈和合作博弈理論能夠達(dá)成相同的合作結(jié)果，但通過(guò)分析可以得出，合作博弈理論更適用于帶有中心控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而針對(duì)