自私性無線節(jié)點協(xié)作中繼的博弈策略研究.pdf

1、無線節(jié)點之間通過協(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制，協(xié)作中繼已經(jīng)成為近年來學術(shù)界的一個新的研究熱點。無線節(jié)點協(xié)作中繼的基本原理是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將自身作為鄰節(jié)點的中繼，協(xié)助鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)副本到其目的節(jié)點，這樣就從整體上構(gòu)成一個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)界對協(xié)作中繼的研究時間較短，研究內(nèi)容尚不夠深入，研究領(lǐng)

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

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，同時又要充分考慮到節(jié)點的自私性，在協(xié)作中繼的過程中滿足節(jié)點的個體理性需求，因此必須設(shè)計良好的激勵/回報機制以使自私節(jié)點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)點協(xié)作中繼的資源分配問題，從而促使自私節(jié)點積極主動參與協(xié)作，這已被證明是個行之有效的途徑，也是本論文研究的核心工作。論文的具體研究內(nèi)容如下：
　　1、針對協(xié)作中繼基礎(chǔ)模型的研究。

4、　　單用戶-單中繼，對等式協(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，又保證了個體用戶公平性。同時，建模及求解的過程也回答了協(xié)作中繼的三個本源問題，即源節(jié)點何時能利用協(xié)作中繼獲益，中繼節(jié)點需貢獻多少資源參與協(xié)作，以及源節(jié)點如何回報中繼節(jié)點。
　　單用戶-多中繼，對等式協(xié)作，基于放大

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

6、　多用戶-多中繼，非對等協(xié)作，基于放大再轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點選擇+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)點應(yīng)該為哪個用戶、貢獻多少頻譜資源作為協(xié)作中繼策略，這本身是個聯(lián)合優(yōu)化問題，因此可以通過合作博弈論對其進行數(shù)學建模來求解。首先將此問題建模為多用戶-多中繼納什議價博弈問題，然后證明了納什議價解的唯一存在性，接著為了降低求解復(fù)雜度設(shè)計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、達到了一個很好的平衡。
　　2、針對協(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體用戶公平性之間取得了一個比較理想的折中。
　　協(xié)作中繼在提高自私性認知無線電網(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)送自身信息以達到更高的QoS預(yù)期指標。首先給出了一個基于

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，從而達到了提高認知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率的目標。
　　針對自私性無線網(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)學知識，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