说明书基于纳什谈判解的不同谈判能力节点间协作通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于博弈论的协作通信方法。
背景技术
通过对协作通信方案的研究和分析，知道由于无线网络中的终端体积过小，这使得在 单一终端上采用多天线来实现空间分集具有很大困难，而协作通信可以利用无线信道的广 播特性(Wireless Broadcast Advantage,WBA)来解决这个问题。通过使用协作通信技术，无 线网络中的节点利用协作伙伴中继的数据可以形成虚拟多天线来减少衰落的影响。迄今为 止，研究人员提出了很多协作模式，如放大转发模式(Amplify and Forward,AF)，解码转 发模式(Decode and Forward,DF)，估计转发(Estimate and Forward,EF)模式等。
在物理层进行协作通信的优点已经由众多研究人员详尽的研究，但是，在高层进行协 作通信带来的改善效果还没有被完全发掘。特别是多层之间的问题：物理层，以优化系统 容量为目标，最小化误码率(Bit Error Rate,BER)，通过功率控制改善链路质量；介质访 问控制(Medium Access Control,MAC)层的中继选择和信道分配，例如在所有可能的中 继和信道中进行优化选择，可以改善信息源节点到目的节点的链路；路由层，最主要的问 题是路由的选择，通过进行协作通信可以通过使用中继来改善链路环境，所以路由最优化 不仅取决于通信节点上还包括在中继上的路由选择；应用层，为了进行多媒体传输，中继 节点可以发送部分编码和处理过的信息而不仅仅是中继原始信息，而目的节点可以通过多 媒体数据的性质来改善重构的语音/图片/视频的质量。在这些考虑中，资源的分配问题是 一个需要面临的重要挑战。因为，本地节点中继其他节点的信息意味着必然有自己的某些 资源被占用，而功率和带宽多被认为是这种资源。但是对于任意一个理性的无线通信网络 中的节点来说，它总是倾向于占用所有资源来使自己的效益最大化的。
发明内容
本发明为了解决传统的通信方法中存在的本地节点能量的利用率低的问题。进而提出 了基于纳什谈判解的不同谈判能力节点间协作通信方法。
基于纳什谈判解的不同谈判能力节点间协作通信方法，包括下述步骤：
步骤1：建立一个三节点无线协作通信系统模型，包含两个用户节点和一个目的节点 AP(基站AP)，两个用户节点记为节点1和节点2，节点1和节点2分别用WHz的带宽 传送信息，并且节点1、节点2均采用TDMA的方式分享信道；由于无线信道具有广播 特性，节点1发送的信息可以被节点2接收，反之亦然；节点1与节点2选择对方作为协 作伙伴，节点1、节点2都根据自己的决定，来分享一部分TDMA时隙来中继一部分协 作伙伴的信息；由于节点的内在谈判要求或该节点发送信息的重要程度，使节点1与节点 2可能具有不同的谈判能力，而谈判能力的不同会直接影响资源的分享程度；发送时隙的 帧结构如图2所示，三节点无线协作通信系统模型如图1所示；
步骤2：根据效用函数的定义，得到节点1和节点2进行协作通信最终获得的效用 表达式；
步骤3：将无线协作通信系统规划为一个二人谈判的博弈问题，根据二人谈判问题的 纳什谈判解，得到唯一的TDMA时隙分享比例(m,n)的值；求解得到(m,n)值，使节点1 和节点2对应的二人谈判问题其效用最大化，从而使节点1和节点2分享相应比例的 TDMA时隙来进行协作通信。
本发明中的节点既可以作为数据发送者也可以中继信息，中继节点中继协作伙伴的信 息，根据一个二人谈判博弈问题，得到TDMA时隙分享比例(m,n)后，分享TDMA时隙 进行协作，当节点相互协作时，对比直接传输的效用，本发明能够使本地节点的通信收益 提高10倍以上，即本地节点能量的利用率可以达到3.84×106(bit/J)。
附图说明
图1为三节点无线协作通信系统模型；
图2为无线协作通信网络系统协作中继的帧结构；
图3为三节点无线协作通信模型仿真的设置；
图4为不同分享资源效用函数乘积值随节点2位置变化的比较；
图5为效用函数乘积值随节点2自西向东运动时的仿真曲线；
图6为TDMA时隙分享量m和n随节点2自西向东移动时的仿真曲线；
图7为节点协作传输和直接传输效用随节点2自西向东移动时的仿真曲线；
图8为不同谈判能力效用函数乘积值随节点1谈判能力变化的曲线；
图9为协作传输和直接传输效用随节点1谈判能力变化的曲线；
图10为协作传输和直接传输效用和随节点1谈判能力变化的曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：
基于纳什谈判解的不同谈判能力节点间协作通信方法，包括下述步骤：
步骤1：建立一个三节点无线协作通信系统模型，包含两个用户节点和一个目的节点 AP(基站AP)，两个用户节点记为节点1和节点2，节点1和节点2分别用WHz的带宽 传送信息，并且节点1、节点2均采用TDMA的方式分享信道；由于无线信道具有广播 特性，节点1发送的信息可以被节点2接收，反之亦然；节点1与节点2选择对方作为协 作伙伴，节点1、节点2都根据自己的决定，来分享一部分TDMA时隙来中继一部分协 作伙伴的信息；由于节点的内在谈判要求或该节点发送信息的重要程度，使节点1与节点 2可能具有不同的谈判能力，而谈判能力的不同会直接影响资源的分享程度；发送时隙的 帧结构如图2所示，三节点无线协作通信系统模型如图1所示；
步骤2：根据效用函数的定义，得到节点1和节点2进行协作通信最终获得的效用 表达式；
步骤3：将无线协作通信系统规划为一个二人谈判的博弈问题，根据二人谈判问题的 纳什谈判解，得到唯一的TDMA时隙分享比例(m,n)的值；求解得到(m,n)值，使节点1 和节点2对应的二人谈判问题其效用最大化，从而使节点1和节点2分享相应比例的 TDMA时隙来进行协作通信。
具体实施方式二：本实施方式所述的步骤1的实现过程为：
节点1、节点2采取AF协作模式并且采用时长为T秒的传输时隙，每一个传输时隙 由一帧构成；假设与信道相干时间相比，一帧的持续时间是很短的，定义TDMA时隙的 长度为T0秒；如图2所示，在一帧中可以传送的TDMA时隙数量为N＝T/T0；
节点1作为一个中继节点时，节点1愿意分享自己一帧中m比例的TDMA时隙来用 于中继从节点2发来的信号，0≤m<1；因此，节点1只能使用N(1-m)个TDMA时隙 来发送自己的数据；节点2愿意分享自己n比例的TDMA时隙用于中继节点1的信息， 0≤n<1，同时使用N(1-n)个TDMA时隙来发送自己产生的信息；
对于节点1来说，只有nN个TDMA时隙的信息会被节点2协作中继，在目的节点 AP处利用最大比合并(Maximal Ratio Combining)，即MRC，与自己直接发送的那部分 信息合并，获得协作分集；而其余的N(1-m-n)个TDMA时隙的信息只会被直接发送， 从而无法获得协作分集；节点2产生的信息所经历的过程与节点1相同；
假设节点1和节点2进行中继的时候是“非作弊”的；这意味着，一个用户节点产生 的信息只能被它的协作伙伴中继，而该用户节点自己不会重复自己产生的信息；由此得到， 每一个用户节点作为中继时，最多只能中继协作伙伴产生的所有信息数量；即对于节点1 有mN≤N(1-n)，对于节点2有nN≤N(1-m)；为了使节点间的协作是有意义的，m和 n必须为非负的，因此，得到
m ≥ 0 n ≥ 0 m + n ≤ 1 - - - ( 1 ) . ]]>
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式步骤2的实现过程为：
定义无线通信系统效用函数Ui(i)，如(2)
U i ( p i ) = Lf ( γ i ) p i T 0 · N ( bit / J ) - - - ( 2 ) ]]>
其中，假设在该系统中传送的每一TDMA时隙中数据含有L比特的信息，而经过信 道编码的每一TDMA时隙中数据的总大小为M(M>L)；当节点i∈(1，2)作为信号发送 者时，如果此时的信号发送节点i到相应的信号接收节点的距离为d；定义信噪比为 γi＝hpi/N0W，其中h为节点间信道增益，pi为节点i的发射功率，N0W为噪声功率值；
相应的正确接收概率为
f(γi)＝(1-2BERi)M (3)
其中，BERi是发射机与接收机间的误比特率，BERi＝0.5exp(-γi/2)；在TDMA时 隙中数据的总大小M固定时，f(γi)是信噪比γi的函数；
首先，假设节点1的发射功率为p1瓦特，则节点1的在整个三节点无线协作通信系 统过程中总体效用函数为
U1(p1)＝U1,D(p1)+U1,AF(p1) (4)
其中，U1,D(p1)表示节点1与目的节点AP间直接传输的效用函数，U1,AF(p1)表示采 用协作方式经由节点2中继传输的效用函数；直接传输和协作传输的效用函数表示为
U 1 , D ( p 1 ) = L p 1 T 0 f ( γ 1 , d ) ( 1 - m - n ) N U 1 , AF ( p 1 ) = L p 1 T 0 f ( γ 1 , AF ) nN - - - ( 5 ) ]]>
γ1,d,γ2,d和γ1,2分别为节点1直接传输到目的节点AP、节点2直接传输到目的节点AP 和节点1到节点2的等效信噪比；γ1,AF是采用AF协作模式节点1利用节点2进行中继到 目的节点AP的等效信噪比；
γ 1 , AF = γ 1 , d + γ 1,2 γ 2 , d 1 + γ 1,2 + γ 2 , d - - - ( 6 ) ]]>
根据(4)(5)得到节点1的效用函数表达式：
U 1 ( p 1 ) = LN p 1 T 0 [ f ( γ 1 , d ) ( 1 - m - n ) + f ( γ 1 , AF ) n ] - - - ( 7 ) ]]>
由于三节点无线协作通信系统为对称无线通信系统，因此通过相似的方式，得到节点 2的效用函数表达式为
U 2 ( p 2 ) = LN p 2 T 0 [ f ( γ 2 , d ) ( 1 - m - n ) + f ( γ 2 , AF ) n ] - - - ( 8 ) ]]>
其中
γ 2 , AF = γ 2 , d + γ 2,1 γ 1 , d 1 + γ 2,1 + γ 1 , d - - - ( 9 ) . ]]>
其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式所述步骤3的实现过程为：
步骤3.1：在协作博弈论中，当分析K人谈判问题时，协作解需要满足4个公理：不 变性、有效性、集合选取的独立性和对称性；具体对于一个2人谈判博弈，假设协作解为 其中U*是用户合作可行收益分配集S和用户不进行合作点U＝(U1,U2)的 函数，则对四个公理的具体解释可以如下表示：
(1)不变性：对任意单调增加的线性函数F，一直存在
U*[F(Ui),F(S)]＝F[U*(Ui,S)]
(2)有效性：协作解是帕累托最优的(Pareto Optimality)，这意味着不可能同时改 善两个参与者的效用；数学表达式为
( U 1 , U 2 ) > U * ⇒ ( U 1 , U 2 ) ∉ S ]]>
(3)集合选取的独立性：从S中取出一些效用组合，形成一个更小的集合S′；如果 U*在S′中，则S′的协作解与S的协作解相同；数学表示为
U * ( U ‾ i , S ) ∈ S ′ ⊆ S ⇒ U * ( U ‾ i , S ′ ) = U * ( U ‾ i , S ) ]]>
(4)对称性：协作解与参与者的序号或者位置无关；如果交换两个参与者的位置， 对协作解没有影响；
纳什(Nash)证明了对于一个满足上述四个公理的K人谈判问题有唯一的解函数， 即纳什谈判解(Nash Bargaining Solution,NBS)，NBS函数满足下式
U * = Arg max U i ( p ) > U ‾ i ( p ) Π i = 1 K ( U i ( p ) - U ‾ i ( p ) ) - - - ( 10 ) ]]>
其中，Ui(i)是节点i不参与协作通信的收益；K是谈判人数，即节点个数；
当节点1和节点2具有相同谈判能力时，具有一个唯一的NBS，其满足的NBS函数 表示为
U * = Arg max U i ( p i , m , n ) > U ‾ i ( p i ) ( U 1 ( p 1 , m , n ) - U ‾ 1 ( p 1 ) ) ( U 2 ( p 2 , m , n ) - U ‾ 2 ( p 2 ) ) - - - ( 11 ) ]]>
其中U1(p1)＝LNf(γ1,d)/p1T0和U2(p2)＝LNf(γ2,d)/p2T0分别是当谈判破裂时节点1 和节点2的收益；U1(p1)是关于p1,m,n的函数，记为U1(p1,m,n)；U2(p2)是关于p2,m,n 的函数，记为U2(p2,m,n)；
当节点i的效用达不到Ui(pi)时会退出协作；因此通过上述NBS可以认为，只有在 节点i参与协作所获得的性能比直接传输的性能高时才会进行协作，这点保证了它能够从 参与协作通信的过程中获得收益；
根据效用函数公式，可以得到
U 1 - U ‾ 1 = LN p 1 T 0 [ f ( γ 1 , d ) ( 1 - m - n ) + f ( γ 1 , AF ) n - f ( γ 1 , d ) n ] = LN p 1 T 0 { [ f ( γ 1 , AF ) - f ( γ 1 , d ) ] n - f ( γ 1 , d ) m } - - - ( 12 ) ]]>
同理有
U 2 - U ‾ 2 = LN p 2 T 0 { [ f ( γ 2 , AF ) - f ( γ 2 , d ) ] m - f ( γ 2 , d ) n } - - - ( 13 ) ]]>
通过求解该二人谈判的纳什谈判解最大值，可以得到
m = 1 2 ( 1 - f ( γ 1 , d ) f ( γ 1 , AF ) + f ( γ 2 , d ) f ( γ 2 , AF ) ) n = 1 2 ( 1 - f ( γ 2 , d ) f ( γ 2 , AF ) + f ( γ 1 , d ) f ( γ 1 , AF ) ) - - - ( 14 ) ]]>
得到该结果的边界条件为f(γ1,AF)f(γ2,AF)>f(γ1,AF)f(γ2,d)+f(γ2,AF)f(γ1,d)；
步骤3.2：根据节点1和节点2具有相同谈判能力时的二人谈判的纳什谈判解最大值 的求解过程，假设节点1的谈判能力为α，节点2的谈判能力为β，且α+β＝1；NBS 函数满足
U * = Arg max U i ( p ) > U ‾ i ( p ) , i = 1,2 ( U 1 ( p ) - U ‾ 1 ( p ) ) α ( U 2 ( p ) - U ‾ 2 ( p ) ) β - - - ( 15 ) ]]>
进行与上述相似的分析过程，可以相应得到当节点1和节点2具有不同谈判能力时， 参与协作的两个用户节点最佳时间信号分配表达式为
m = β ( 1 - f ( γ 1 , d ) f ( γ 1 , AF ) ) + α f ( γ 2 , d ) f ( γ 2 , AF ) n = β f ( γ 1 , d ) f ( γ 1 , AF ) + α ( 1 - f ( γ 2 , d ) f ( γ 2 , AF ) ) - - - ( 16 ) ]]>
(m,n)的取值为当两个节点具有不同谈判能力的时候约束下的最佳协作TDMA时隙 分配；很容易看出，该取值与两个节点各自的谈判能力α和β相关；由于节点的谈判能力 是在进行谈判博弈前就具有的性质，即在(m,n)的取值中可以视作常数，因此两个协作节 点具有不同谈判能力时最佳协作TDMA时隙分配是唯一的；求解得到(m,n)值使节点1 和节点2对应的二人谈判问题其效用最大化，使节点1和节点2分享相应比例的TDMA 时隙来进行协作通信。
具体实施例
如图3所示，组件一个三节点无线协作通信系统模型，它包含一个固定的目的节点 AP和一个固定的用户节点(节点1)，同时另一用户节点(节点2)自西向东运动。目的 节点AP固定于原点处，节点1固定于目的节点东侧距离原点800m的X轴上。节点2沿 着直线y＝1自西向东移动，其坐标为(d2,1)，其中d2从0m到1800m变化。由于仿真中 令信道增益表示为h＝(7.75×10-3)/d3.6，其中d表示节点间的距离，当d2＝0和d2＝800时 d不能为0，因此节点2不能设置在X轴上移动。设L＝16且M＝20，并假设 N0W＝5×10-15W且每个节点有T＝5ms的发送时隙和W＝1MHz的带宽。为了简便起见， 假设两个节点具有相同的发射功率，即p1＝p2＝p＝64mW，并设一帧的TDMA时隙个 数为N＝16。
基于纳什议价解的采用不同分享资源协作通信方案，如图4所示在节点2自西向东移 动时效用函数乘积的仿真曲线比较。其中X轴表示信号发送节点2自西向东移动的横坐 标，近似为节点2到目的节点的距离d≈d2。图中曲线的仿真条件是不考虑参与协作节点 的议价能力时，得到的效用函数的乘积，即为NBS函数值为
U*＝(U1-U1)(U2-U2)(bit/J)2 (17)
图中所示曲线“NBS，带宽”和“NBS，TDMA时隙”分别表示基于纳什谈判解的 带宽分享方案和基于纳什谈判解的TDMA时隙分享方案，两种方案的仿真采用上述相同 的条件。其中TDMA时隙分享方案为本发明所提出的协作方案。从图中可以看出，将 TDMA时隙作为协作通信中的分享资源，提高了效用。
效用函数乘积值随节点2自西向东运动时的仿真曲线，如图5所示，其中X轴表示 信号发送节点2自西向东移动的横坐标，近似为节点2到目的节点的距离d≈d2；而Y轴 表示效用函数乘积值，即前文中NBS函数的取值U*＝(U1-U1)α(U2-U2)β(bit/J)2。仿 真中假设两个节点具有相同的谈判能力，即α＝β＝0.5。图中虚线绘制的仿真曲线表示节 点1和节点2具有相同功率，即p1＝p2＝p＝64mW。从中可以看到，随着节点2自西向 东的运动，它与目的节点的距离d随着d2的增加而增加。当节点2位于d2<555的区域时， (U1-U1)α(U2-U2)β的值是一直为0的，这说明当节点2在该区域运动时进行协作的效用 函数取值几乎等于甚至小于直接传输的取值。亦即是说，当节点2位于该区域的时候两个 节点由于没有达到协作边界条件，因此是没有必要进行协作的。然而，当节点2位于区域 556≤d2≤1516时，(U1-U1)α(U2-U2)β的值为正值。显然，这意味着当节点2在此区域 中时，节点间的合作为两个节点的效用带来了的收益。而当d2>1516时， (U1-U1)α(U2-U2)β的值重新减小到接近于0。这说明，当节点2位于该区域时由两个节 点合作带来的效用改善已经非常微小，很难激励节点进行合作。短划线绘制的仿真曲线和 实线绘制的仿真曲线分别表示当两个节点具有相同谈判能力但具有不同发射功率时的情 况，分别为p1＝64mW，p2＝128mW和p1＝128mW，p2＝64mW。短划线表示当p1<p2时，对于节点1来说，由于节点2的低功率为节点1带来的效用改善变小，当节点2位于 d2<672区域时，节点1不参与协作。实线表示的p1>p2，也得到相似的仿真结果，即在 节点2位于d2<678区域时，节点1无法提供足够的效用改善来激励节点2分享它的 TDMA时隙。
如图6所示的是本发明提出的方案中，当两个节点具有相同的谈判能力时，分别提供 的TDMA时隙分享量m和n随节点2自西向东移动时的变化。从图中可以观察到，当 d2<555时，两节点都不与对方进行合作，因此TDMA时隙分享量均为0。这是由于，节 点2在该区域拥有极佳的信道条件，而不需要与信道条件更差的节点1进行合作；对于节 点1来说，在该区域它与目的节点的信道条件和它与节点2之间的信道条件都相对较差， 与节点2进行合作无法带来明显的效益。因此，当节点2位于该区域时有m＝n＝0。两 个用户节点的协作开始于d2＝555，从图中可以看出m和n的值在协作点上有跳变，原因 已将在之前分析过。而此时分享量值的取定m>n，这是由于当协作开始时节点2具有比 节点1更好的信道条件。因此，节点2仅愿意分享很少的一部分TDMA时隙给节点1， 相反节点1则愿意分享更多的TDMA时隙给节点2来换取协作获得的效益，此时分享量 为m>n。当d2＝800时，两个节点具有相同的信道条件，此时各自愿意分享的TDMA时 隙分享量也相等，即m＝n。当d2>800时，随着节点2的移动，与节点1相比节点2的 信道条件开始逐渐变差，此时节点2愿意分享更多的TDMA时隙给节点1以换取协作收 益，即m<n。可以预测，当节点2运动到距离目的节点足够远时，它所能提供的协作收 益将非常小，此时两个用户节点的协作关系就会结束。
图7为节点协作传输和直接传输效用随节点2自西向东移动时的仿真曲线，仿真的条 件为两个节点具有相同的发射功率，相同的谈判能力。图中曲线分别表示两个节点的协作 传输效用和直接传输效用，随着节点2自西向东的运动而变化的仿真。从图中可以看到， 由于节点1的位置一直保持不变，其直接传输效用也保持恒定。而对于节点2，当节点2 位与距离AP较近的区域内时，由于其具有良好的信道条件而不必参加协作，因此节点2 的协作传输效用与直接传输效用是相等的。同时，没有节点2的协作收益，节点1的协作 传输效用也与它的直接传输效用相等，保持较低的取值。当节点2运动到距离节点1较近 的区域内时，即556≤d2≤1516，由于节点间的相互协作，使节点1协作传输的效用明显 提高，而且节点2的协作传输效用也比直接传输效用下降得缓慢。随着节点2的继续运动， 当节点2与目的节点的距离大于1516时，两个节点各自的协作传输效用与直接传输效用 几乎相等，这与在分析图6时的预测相一致。在本发明的方案中，协作传输可以带来更大 的优势。进一步证明了，本文提出的方案能够通过进行适当的协作来提高系统的性能。
图8和图9分别表示两个节点具有不同的谈判能力时，随节点1的谈判能力α不同取 值的变化，即乘积(U1-U1)α(U2-U2)β值的仿真曲线和两个节点协作传输与直接传输效用 及效用和的仿真曲线。此时，取节点2与目的节点间的距离为固定值，即d2＝746，这是 由于在图5所示的仿真中，当d2＝746且两个节点具有相同谈判能力时 (U1-U1)α(U2-U2)β的取值为最大。
从图8的仿真中可以得到，随着节点1的谈判能力α由0变化至0.5的过程中， (U1-U1)α(U2-U2)β的值是从大变小的。当节点1的谈判能力α＝0.5时，亦即节点2的 谈判能力β＝1-α＝0.5时，(U1-U1)α(U2-b2)β取得最小值。而随着α从0.5变化至1， (U1-U1)α(U2-U2)β的取值又逐渐增大，图9中对两个节点协作传输效用和直接传输效用 的仿真也证明了这种变化。而图9中不同传输模式的效用和显示，在节点1的谈判能力变 化时，由于两个节点都处于固定的位置，因此参与协作而获得的收益不变，也说明在信道 条件不变的前提下，谈判能力的不同只会改变谁在该协作中获得更多收益，而不会改变整 体效用和的量。相比于直接传输的效用和，在该位置协作传输能获得高得多的效用收益。 本文分析认为，由于当α较小时，在节点2与节点1的谈判中，节点1处于弱势，此时的 谈判结果会使节点2获得更多收益，即节点1拿出更多的TDMA时隙帮助节点2进行协 作。而节点各自协作传输效用与直接传输效用的差，又被α和β进行乘方后相乘，使结果 (U1-U1)α(U2-U2)β的值出现上述的变化。可以认为，该结果反映了协作公平性的问题。 当两个节点具有不同的谈判能力，谈判能力较强的节点会获得更多的资源，使得 (U1-U1)α(U2-U2)β的值更大，然而这对谈判能力较弱的节点是不公平的。进一步，认为 (U1-U1)α(U2-U2)β的值越小，协作的资源分配越趋于公平。