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自私性无线节点协作中继的博弈策略研究

作　者: 刘鹏
导　师: 丁恩杰
学　校: 中国矿业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 协作中继资源分配博弈论自私性效率性公平性
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

无线节点之间通过协作中继相互转发信息，可以有效提高无线通信质量，扩大无线通信覆盖区域，因此作为一种很有潜力的无线传输机制，协作中继已经成为近年来学术界的一个新的研究热点。无线节点协作中继的基本原理是，网络节点将自身作为邻节点的中继，协助邻节点转发数据副本到其目的节点，这样就从整体上构成一个虚拟多输入多输出的伙伴通信系统，从而可以获取多用户无线通信系统潜在的协作分集。目前业界对协作中继的研究时间较短，研究内容尚不够深入，研究领域也相对较狭窄，其中一个重要的表现就是大多数研究都是基于无线节点的无私性。所谓无私性是指无线节点不要求任何报答、完全无私地贡献自身资源去参与协作中继，在由无私的无线节点组成的协作中继网络中，系统模型、算法及实现效果都是比较理想的。但对于现实中绝大多数普通无线网络而言，组成它们的节点都是自私的（或者说是个体理性的），这些节点只希望使用自身资源为己谋利而不是为其它节点做贡献，因此对无私性无线节点协作中继的研究显然不适于这种网络。对于这种自私性无线协作中继系统，我们既要关注如何通过协作中继提高系统整体性能，同时又要充分考虑到节点的自私性，在协作中继的过程中满足节点的个体理性需求，因此必须设计良好的激励/回报机制以使自私节点能积极自愿的参与协作中继。利用博弈论解决自私性无线节点协作中继的资源分配问题，从而促使自私节点积极主动参与协作，这已被证明是个行之有效的途径，也是本论文研究的核心工作。论文的具体研究内容如下：1、针对协作中继基础模型的研究。●单用户-单中继，对等式协作，放大再转发+解码再转发双协议联合研究。针对放大再转发和解码再转发两种协议模型，给出单用户-单中继网络基于合作博弈的功率分配方案，并求解它们的纳什议价解，仿真结果表明方案既提高了系统整体性能，又保证了个体用户公平性。同时，建模及求解的过程也回答了协作中继的三个本源问题，即源节点何时能利用协作中继获益，中继节点需贡献多少资源参与协作，以及源节点如何回报中继节点。●单用户-多中继，对等式协作，基于放大再转发协议的符号时资源分配研究。首先给出了一个基于对等协作中继的单用户-多中继系统模型，物理层采用多进制正交幅度调制，链路层采用时分多址接入，定义协作节点的协作策略为在一个发送帧中，节点愿意为其合作伙伴贡献的符号时数目。然后将此问题建模为一个单用户-多中继资源分配纳什议价问题，并证明此问题存在唯一的纳什议价解。接着采用粒子群优化算法去求解纳什议价解。仿真结果证明，方案在源节点和多中继节点之间达成了一个系统有效且个体公平的结果。●多用户-多中继，非对等协作，基于放大再转发的中继节点选择+频谱资源联合分配研究。在多用户-多中继网络中，某中继节点应该为哪个用户、贡献多少频谱资源作为协作中继策略，这本身是个联合优化问题，因此可以通过合作博弈论对其进行数学建模来求解。首先将此问题建模为多用户-多中继纳什议价博弈问题，然后证明了纳什议价解的唯一存在性，接着为了降低求解复杂度设计了基于拉格朗日松弛的迭代搜寻算法，最后的仿真结果表明，本方案在用户速率分布的公平性和有效性方面达到了一个很好的平衡。2、针对协作中继在应用领域的研究。●自私性正交频分多址接入协作中继网络子载波+功率联合分配问题研究。针对正交频分多址接入网络的子载波和功率两种通信资源，提出一种基于议价博弈的多用户子载波+功率资源联合分配方案。首先定义了用户基于比特传输速率的效用函数，然后建立中继资源联合分配的合作博弈模型，接着提出一种能有效降低求解复杂度的快速子载波与功率联合分配算法，最后的仿真结果表明，本算法在提高正交频分多址接入网络系统资源利用率和满足个体用户公平性之间取得了一个比较理想的折中。●协作中继在提高自私性认知无线电网络频谱利用率方面的研究。利用协作中继思想，设定认知无线电网络中非授权用户从授权用户处分享到的频谱资源用作两个目的：1、非授权用户拿出部分频谱给授权用户提供协作中继使之性能改善，以补偿其在分享频谱资源方面的损失；2、非授权用户利用剩余的频谱发送自身信息以达到更高的QoS预期指标。首先给出了一个基于非合作博弈的频谱分配方案，其次给出该博弈方案的纳什均衡解，仿真结果表明，本方案所给出的符合纳什均衡的最佳频谱分配比例，可以在保障授权用户最低速率需求的前提下有效提高非授权用户的QoS指标，从而达到了提高认知无线电网络频谱利用率的目标。针对自私性无线网络有效开展协作中继的问题，本文在自私性无线节点协作中继的博弈策略研究方面做了些工作，主要是利用博弈论、最优化理论等数学知识，研究了不同系统模型及应用环境下的多种通信资源在协作节点间的优化分配问题，目的就是提高系统资源利用率及满足个体用户公平性。本文的工作为协作中继技术在未来无线网络中的应用做了些有益的探讨。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-13
目录  13-17
图清单  17-20
表清单  20-21
变量注释表  21-23
1 绪论  23-43
  1.1 研究背景  23-25
  1.2 博弈论  25-33
  1.3 无线节点协作中继  33-40
  1.4 论文的研究内容及章节安排  40-43
2 基于对等式协作中继的两节点功率分配博弈策略  43-54
  2.1 引言  43-45
  2.2 系统模型  45-46
  2.3 基于 AF 的博弈建模及求解  46-47
  2.4 基于 DF 的博弈建模及求解  47-49
  2.5 仿真结果分析  49-52
  2.6 结论  52-54
3 基于对等式协作中继的单源-多中继网络频谱分配博弈策略  54-67
  3.1 引言  54-56
  3.2 系统模型  56-60
  3.3 基于议价博弈的 CWMN 资源分配建模  60-62
  3.4 利用 PSO 求解 CMBG 的 NBS  62-63
  3.5 仿真结果及分析  63-66
  3.6 结论  66-67
4 基于非对等协作中继的多源-多中继网络节点选择和频谱资源联合分配博弈策略  67-80
  4.1 引言  67-69
  4.2 系统模型  69-71
  4.3 CRBG 建模和求解  71-76
  4.4 仿真结果及分析  76-79
  4.5 结论  79-80
5 基于 OFDMA 协作中继网络的子载波和功率联合资源分配博弈策略  80-96
  5.1 引言  80-83
  5.2 系统模型  83-86
  5.3 中继资源的比例公平性分配  86-91
  5.4 仿真结果与分析  91-94
  5.5 结论  94-96
6 自私性认知无线电网络中的协作中继博弈策略  96-108
  6.1 引言  96-98
  6.2 系统模型  98-99
  6.3 带宽分配调整方案  99-102
  6.4 带宽分配调整博弈及其纳什均衡  102-103
  6.5 仿真结果及分析  103-106
  6.6 结论  106-108
7 总结与展望  108-112
  7.1 总结  108-109
  7.2 展望  109-112
参考文献  112-120
作者简历  120-123
学位论文数据集  123

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