CN101868030A - 一种分布式无线网络无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式无线网络无线资源分配方法，该方法根据分布式无线网络终端体积与资源的有限性和信道状况的优劣情况进行资源分配的分配方法，本发明建立在源节点与协作中继节点的Stackelberg博弈模型之上，分别在源节点与协作中继节点提出了各自的网络效用函数，根据信道状况的优劣情况进行资源的分配行为博弈，本发明方法适合自组网中能量有限的移动终端***。本发明减少了信道条件差的协作节点的功率协作，节约了能耗的同时，并不会影响到***的有效性，而且采用传输的有效业务量作为源节点的收益，也比采用可达速率作为收益更符合实际意义，更适应变化的信道状态。

Description

一种分布式无线网络无线资源分配方法

技术领域

本发明属于无线网络通信技术领域，具体涉及一分布式无线网络无线资源分配方法。

背景技术

协作分集作为一种有效地抵抗无线信道多径衰落与提升网络覆盖范围的方法，近几年来受到业界广泛的关注。多个独立的终端设备通过相互协作形成一个虚拟的天线阵列，从而提升***的整体性能。因此，协作中继节点的位置、选择标准以及功率控制等资源分配方式均影响着天线的排列及***的性能。

经过对现有的文献检索发现，协作中继节点的选择与功率分配大都基于某一个性能参数，例如源节点、协作中继节点与目的节点之间的中断概率，数据包的接收误码率等。这些中继的资源分配方案大都是为单中继分集而设计的，而且往往是用在集中式控制的网络环境中。这种分配机制需要用到完全准确的全部信道状态信息(channelstate information，CSI)，但是实际上，这种即时信道状态信息的错误信道估计对***的更新与稳定性有很大的影响，除非反馈信道是完全即时的、理想的，然而这在实际网络中是很困难的。

也就是说，传统的协作资源分配方案大都集中在有中心控制点的集中式管理问题上。未来的无线通信网络是一种集各种网络为一体的综合性***，其中分布式网络作为一种重要的分布形式可以提升蜂窝网络的信道容量，扩展小区边缘的信号质量，增加小区的覆盖面积。因此，有必要寻找一种适用于分布式***的协作资源分配方法，使得在没有中心控制点，不知道信道全部状态信息的情况下，只利用部分信道状态信息来实现对源节点和协作节点的无线资源分配。

博弈论作为一种有效的数学分析工具现在已经逐渐地应用在分布式无线网络***中，《国际电子与电气工程师协会-移动计算汇刊》(IEEE Transactions on Mobile Computing，vol.8，pp.975-990，2009)提出了一种应用于协作通信网络的分布式中继节点选择与功率控制方法，具体方法为：将中继节点的功率作为商品来买卖，作为买家的源节点将根据付出的成本与获得的收益博弈来权衡对中继节点的选择标准，作为卖家的中继节点也是利用这种收益差博弈来决定其卖出功率的价格。该方法不足在于：首先，该方法的效用函数只是根据可达速率而设，并没有考虑到节点的实际信道状况，而出现了效用函数的收益与实际不符的情形；其次，终端节点因体积及能量约束等条件限制，应该尽量放弃那些到目的节点信道条件不太好的中继节点，尽管那些节点开出的功率价格很低，但是从能量效率角度考虑，还是应该弃用，然而文中并没有考虑到这一点。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术的不足，提供了一种能根据分布式无线网络终端体积与资源的有限性和信道状况的优劣情况进行资源分配的分配方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明分布式无线网络无线资源分配方法，包括步骤：

步骤1：网络中源节点发送广播信息；

步骤2：网络中目的节点收到源节点的广播信息后，进行CRC校验，如果校验成功，则广播返回ACK确认帧，否则广播返回NACK帧；

步骤3：网络中收到源节点的广播信息，并且能成功地经过CRC校验的中继节点为候选中继节点，候选中继节点如果收到目的节点的ACK确认帧，则丢弃其缓存中的接收信息，如果收到目的节点的NACK帧，则该候选中继节点作为源节点的协作中继节点，协作中继节点通过反馈信道返回给源节点信道状态信息；

步骤4：源节点根据自己的效用函数，分配最优发射功率；

步骤5：协作中继点根据自己的效用函数，迭代计算最优的功率价格，出卖给源节点用于协作传输信息。

步骤4所述分配最优发射功率具体包括如下步骤：

步骤41：建立源端的博弈效用函数模型，其定义为源节点经过协作中继节点协作传输后得到的收益与付出的代价之差；

步骤42：目标节点在接收到协作信噪比γ_MRC之后，将信噪比信息反馈给源节点，源节点根据

选择其可用的传输速率；

其中，{R₁，...，R_M}(R₁＜...＜R_M)为终端节点的离散多速率空间，采用调制方式是M-PSK，M取值为4；R_max为信道的最大可能传输速率，即信道容量；

步骤43：源节点端为得到效用函数的最大值，需要根据动态博弈找到最优功率分配值；根据

可以得到源节点端效用函数取最值时的中继功率值，即为源节点的最优发射功率；

其中，NU_s为源节点的效用函数，P_i是协作中继节点i付出的成本代价。

步骤5中所述迭代计算最优的功率价格具体包括如下步骤：

步骤51：建立中继端的博弈效用函数模型，其定义为协作中继节点i出卖自己的功率获得的收益与付出的成本代价之差；

步骤52：成功经过CRC校验的候选中继节点在接收到目的节点反馈的ACK帧以后，丢弃自己缓存里的数据，收到NACK帧的节点则作为源节点的协作中继节点，通过反馈信道返回给源节点信道状态信息；

步骤53：协作中继节点根据

博弈迭代寻找最优的价格系数c_i，可以推导出价格迭代函数为

k为迭代次数，直到迭代到满足误差要求为止，即为中继节点的最优功率价格；

其中，NUri为协作中继点的效用函数，

为中继节点i的最优功率值。

所述步骤2中如果目的节点没有收到任何信息，则源节点在超过设定的时间以后需要重新传送。

所述步骤3中如果候选中继节点没有收到目的节点的返回帧，则不做任何响应，丢弃缓存中的接收信息。

步骤4所述中源节点自己的效用函数是源节点经过协作中继节点协作传输后得到的收益与付出的代价之差。

步骤5中所述协作中继点自己的效用函数是协作中继节点出卖自己的功率获得的收益与付出的成本代价之差。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明根据信道条件选择出协作中继节点，并在此基础上提出了协作资源分配方法，与目前常用的中继选择与功率分配方法相比，由于使用的是信道的部分状态信息，其执行容易、方便，开销小，而与《国际电子与电气工程师协会-移动计算汇刊》(IEEE Transactions on MobileComputing，vol.8，pp.975-990，2009)提出的分布式中继节点选择与功率控制方法相比，减少了信道条件差的协作节点的功率协作，节约了能耗的同时，并不会影响到***的有效性，而且采用传输的有效业务量作为源节点的收益，也比采用可达速率作为收益更符合实际意义，更适应变化的信道状态。所以本发明有更好的稳健性与现实性，更适用于分布式无线协作网络。

附图说明

图1为本发明分布式无线网络的示意图；

图2为协作传输的建立连接与转发过程流程图；

图3为协作传输方案的实现流程图；

图4为协作资源分配方法在源节点处的实现图；

图5为协作资源分配方法在中继节点处的实现图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明建立在源节点与协作中继节点的Stackelberg博弈模型之上，分别在源节点与协作中继节点提出了各自的网络效用函数，根据信道的条件进行行为博弈，在信道情况不稳定的情况下，全面地体现了网络业务的实际性能，使得Stackelberg博弈更加有效。这里的Stackelberg博弈模型是一个双寡头垄断的动态模型，其中领导者(leader)(本发明中指的是源节点)首先行动，然后追随者(follower)(本发明中指的是协作中继节点)行动。

本发明提供一种使用Stackelberg博弈实现协作资源分配的方法，以解决分布式网络中协作中继节点的选择与功率分配的问题。该方法通过使用Stackelberg博弈模型，在多速率的***中，把单位时间内成功传输的有效业务量作为收益，消耗的能量作为代价，联合数据链路层自动重传请求协议来更好地表征信息的有效业务量，并且采用更加符合实际的Nakagami无线衰落信道，得出信道可以使用的速率空间，根据信道状况的优劣情况进行资源的分配行为博弈，比较适合自组网中能量有限的移动终端***。

(1)建立源端与协作中继端的Stackelberg博弈效用函数模型

如图1给出的是本发明分布式无线网络协作通信***的基本模型图，网络小区内随机分布有N+2个移动终端节点，一个作为源节点(source)、一个作为目的节点(destination)、其余的N个节点作为候选中继节点(relay i，i＝{1，...，N})(N为自然数)。实际上，每个候选中继节点也可以作为自己收发信息的源节点或目的节点，只是我们研究的对象为一对正在收发信息的终端用户。

针对本发明还做了以下几个设定：Nakagami-m衰落信道是一种弹性比较大的信道模式，信道衰落情况由参数m来表征，当m等于1的时候，信道就是著名的瑞利信道模型，m等于无穷的时候，信道基本上就是没有衰落的平滑信道。因此，本发明中所有终端节点之间的信道模型都设定为相互独立的Nakagami衰落信道，但本发明的保护范围也包括信道相关的情况。另外，本发明实施例设定终端节点的离散多速率空间为{R₁，...，R_M}(R₁＜...＜R_M)，采用的是M-PSK调制方式，其中M取值为4，但本发明的保护范围也包括其它的调制方式。

在源节点端，效用函数可以表示为

NU_s＝U_s-C_s               (公式1)

其中U_s，C_s分别是源节点经过协作中继节点协作传输后得到的收益与付出的代价，它们分别可以表示为

$U_s=R_s\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}\right)P_s^l\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}\right),C_s=a_s(P_s+c_i{P}_i)$ (公式2)

R_s(γ_MRC)是目标节点在接收到协作信噪比γ_MRC条件下的源节点的可用传输速率，l为实际重传次数，

则是在这种条件下平均每次成功传输的概率，P_s，P_i分别是源节点与协作中继节点i的发送功率，c_i是购买中继节点i功率的价格(假定***系数为1，那么c_i≥1)，a_s是功率代价与有效业务量之间的一种换算，这里设定为常数。根据香农定理，可以得出R_s(γ_MRC)的表示式为

(公式3)

其中R_max为信道的最大可能传输速率，即信道容量。由本实施例调制方式的一次传输误符号率解析表达式

可以求得信息l∈{1，...，L}次重传后源信息的平均每次成功传输概率为公式(4)，其中E(l)为每个传输包的平均重传次数，大小为

$P_s^l\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}\right)=(1-{\left(P_e\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}\right)\right)}^{E\left(l\right)})/E\left(l\right)$ (公式4)

在协作中继端，效用函数可以表示为

${\mathrm{NU}}_{r_i}=U_{r_i}-C_{r_i}$ (公式5)

这里分别是协作中继节点i出卖自己的功率获得的收益与付出的成本代价，它们分别可以表示为c_iP_i，P_i。

(2)源节点广播发送信息

如图2所示，源节点向目的节点及周围的候选协作中继节点广播传送信息x，在目的节点及协作中继节点收到的信息可以分别表示为

$y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{sd}}x+n_{\mathrm{sd}},y_{{\mathrm{sr}}_i}=\sqrt{P_s}{h}_{{\mathrm{sr}}_i}x+n_{{\mathrm{sr}}_i}$ (公式6)

h_sd，

分别是源与目的、中继节点的信道系数，n_sd，

分别是目的节点、中继节点接收到的均值为零，方差为N₀的高斯白噪声。

(3)目的节点根据收到的信息进行反馈

目的节点接收到源节点发来的信息之后需要进行CRC校验，如果校验正确，则通过广播反馈ACK帧，否则，广播返回NACK帧。如果没有收到任何信息，则源节点在超过相应的时间以后需要重新传送。

(4)候选中继节点根据收到的信息自我判断，并反馈给源节点成功经过CRC校验的候选中继节点在接收到目的节点反馈的ACK帧以后，丢弃自己缓存里的数据，收到NACK帧的节点则作为源节点的协作中继节点，通过反馈信道返回给源节点信道状态信息。这样可以使得在各种信道条件下，条件不好的节点不用消耗功率去协作，而那些信道条件好的节点用来协助源节点，可以获得较高的协作分集增益。

(5)源发送节点与被选择的协作中继节点进行价格博弈，取得最优的功率资源分配

如图3、图4所示，源节点与被选择的中继节点一起重新发送失败传输的信息，如果一直没有成功传输，则最多重传L次(L可以根据情况设定)。目的节点接收到的协作中继节点i的信息为

$y_{r_i}=\sqrt{P_i}{h}_{r_{i}d}x+n_{r_{i}d}$ (公式7)

其中

分别为协作中继节点i到目标节点的信道系数与高斯白噪声，则接收端接收到的最大合并信噪比为

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}=(P_s{\left|h_{\mathrm{sd}}\right|}^2+{\mathrm{\Σ}}_{N^{\′}}{P}_i{\left|h_{r_{i}d}\right|}^2)/N_0$ (公式8)

N′为协作中继节点的数目。没被选中作为协作中继节点的其余移动终端，为了节约能耗，P_i取值为零。根据香农定理，在此信噪比情况下，信道的最大传输速率为

$R_{\max }=\frac{W}{N^{\′}+1}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}})$ (公式9)

源节点端为得到效用函数的最大值，希望购买更多的协作功率，但是协作功率太多又会损失能量代价。

如图5所示，需要根据博弈找到最优分配值。根据

可以得到源节点端效用函数取最值时的中继功率值，因为价格系数c_i也是变量，因此中继节点i的最优功率值

这里f(c_i)为

与c_i之间的函数关系。要想得到确切的功率值大小，必须对中继节点的价格进行最优博弈，因此，需要跟随者(follow)博弈出最优的价格系数值。

协作中继节点希望根据公式(5)获得最大的收益，因此需要不断地博弈迭代寻找最优的价格系数c_i，价格太高卖出的功率会减少，价格太低不利于自身收益的提升，也需要博弈得到最优的资源分配，如图5所示。根据

可以得协作中继节点端效用函数取最值时的价格系数c_i。

具体价格的迭代更新过程可以根据

推导出

其中k为迭代次数，直到迭代到满足误差要求为止。

本发明首先根据无线网络终端体积与资源的有限性，分别在源节点与协作中继节点建立了Stackelberg博弈模型的效用函数，然后根据信道条件选择出协作中继节点，并在此基础上提出了协作资源分配方法。

Claims (7)

1.一种分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：包括步骤：

步骤1：网络中源节点发送广播信息；

步骤2：网络中目的节点收到源节点的广播信息后，进行CRC校验，如果校验成功，则广播返回ACK确认帧，否则广播返回NACK帧；

步骤3：网络中收到源节点的广播信息，并且能成功地经过CRC校验的中继节点为候选中继节点，候选中继节点如果收到目的节点的ACK确认帧，则丢弃其缓存中的接收信息，如果收到目的节点的NACK帧，则该候选中继节点作为源节点的协作中继节点，协作中继节点通过反馈信道返回给源节点信道状态信息；

步骤4：源节点根据自己的效用函数，分配最优发射功率；

步骤5：协作中继点根据自己的效用函数，迭代计算最优的功率价格，出卖给源节点用于协作传输信息。

2.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：步骤4所述分配最优发射功率具体包括如下步骤：

步骤41：建立源端的博弈效用函数模型，其定义为源节点经过协作中继节点协作传输后得到的收益与付出的代价之差；

步骤42：目标节点在接收到协作信噪比γ_MRC之后，将信噪比信息反馈给源节点，源节点根据

选择其可用的传输速率；

其中，{R₁，...，R_M}(R₁＜...＜R_M)为终端节点的离散多速率空间，采用调制方式是M-PSK，M取值为4；R_max为信道的最大可能传输速率，即信道容量；

步骤43：源节点端为得到效用函数的最大值，需要根据动态博弈找到最优功率分配值；根据

可以得到源节点端效用函数取最值时的中继功率值，即为源节点的最优发射功率；

其中，NU_s为源节点的效用函数，P₁是协作中继节点i付出的成本代价。

3.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：步骤5中所述迭代计算最优的功率价格具体包括如下步骤：

步骤51：建立中继端的博弈效用函数模型，其定义为协作中继节点i出卖自己的功率获得的收益与付出的成本代价之差；

步骤52：成功经过CRC校验的候选中继节点在接收到目的节点反馈的ACK帧以后，丢弃自己缓存里的数据，收到NACK帧的节点则作为源节点的协作中继节点，通过反馈信道返回给源节点信道状态信息；

步骤53：协作中继节点根据

博弈迭代寻找最优的价格系数c_i，可以推导出价格迭代函数为

k为迭代次数，直到迭代到满足误差要求为止，即为中继节点的最优功率价格；

其中，NUri为协作中继点的效用函数，

为中继节点i的最优功率值。

4.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：所述步骤2中如果目的节点没有收到任何信息，则源节点在超过设定的时间以后需要重新传送。

5.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：所述步骤3中如果候选中继节点没有收到目的节点的返回帧，则不做任何响应，丢弃缓存中的接收信息。

6.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：步骤4所述中源节点自己的效用函数是源节点经过协作中继节点协作传输后得到的收益与付出的代价之差。

7.根据权利要求1所述的分布式无线网络无线资源分配方法，其特征在于：步骤5中所述协作中继点自己的效用函数是协作中继节点出卖自己的功率获得的收益与付出的成本代价之差。

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