基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子與通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線通信以及其應(yīng)用的普及，通信運(yùn)營(yíng)商在提高數(shù)據(jù)傳輸 速率方面，正在面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)無(wú)線通信高速率的要求，靈活多變的多層 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，已被引入現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。然而，高密度的網(wǎng)絡(luò)部署會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng) 商的成本增加（設(shè)備投資、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)費(fèi)用等等），網(wǎng)絡(luò)管理難度增加（基站的分布式部署、 設(shè)備的數(shù)目增加）和基站部署難度大（基站位置的選定、政策法規(guī)的限制），因此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 在某些情況下的經(jīng)濟(jì)性和可行性還有待考量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸方 法。
[0004] 本發(fā)明提供了一種基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，該方法包括基站和多個(gè)中 繼，基站發(fā)布傳輸任務(wù)和激勵(lì)，中繼根據(jù)基站的激勵(lì)調(diào)整其傳輸功率。
[0005] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，中繼的目的是最大化其在放大和解碼轉(zhuǎn)發(fā)下的效用函 數(shù)U1,
[0009] 對(duì)于每一個(gè)中繼而言，它需要根據(jù)基站的激勵(lì)，決定其最優(yōu)的傳輸功率以達(dá)到最 大化其效用函數(shù)的目的。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，中繼能夠得到解碼轉(zhuǎn)發(fā)情況下的最優(yōu)發(fā)射功率威：
[0012] 本發(fā)明還提供了一種基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基站和多個(gè) 中繼，基站發(fā)布傳輸任務(wù)和激勵(lì)，中繼根據(jù)基站的激勵(lì)調(diào)整其傳輸功率。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，中繼的目的是最大化其在放大和解碼轉(zhuǎn)發(fā)下的效用函 數(shù)U1,
[0017] 對(duì)于每一個(gè)中繼而言，它需要根據(jù)基站的激勵(lì)，決定其最優(yōu)的傳輸功率以達(dá)到最 大化其效用函數(shù)的目的。
[0018] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，中繼能夠得到解碼轉(zhuǎn)發(fā)情況下的最優(yōu)發(fā)射功率篇：
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：綜上所述，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)作通信模式下的 激勵(lì)機(jī)制，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)基于博弈論的激勵(lì)機(jī)制，通過(guò)給予中繼適當(dāng)?shù)睦?，鼓?lì)中繼參與 到協(xié)作傳輸中，既能提高系統(tǒng)的頻譜利用率又能提高用戶和基站雙方的利益，達(dá)到一個(gè)基 站和中繼雙贏的狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明的基站和中繼的效用函數(shù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明公開(kāi)了一種基于合作眾包的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法及系統(tǒng)，隨著一系列小體 積、功能強(qiáng)大的多頻、多標(biāo)準(zhǔn)的天線設(shè)備的出現(xiàn)，例如，阿爾卡特朗訊推出的新型無(wú)線接入 網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)備lightRadio,在不久的將來(lái)，運(yùn)營(yíng)商可能與第三方利益團(tuán)體，即小型無(wú)線接入 點(diǎn)的擁有者共同實(shí)現(xiàn)基站的部署。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)的成功傳輸需要運(yùn)營(yíng)商與第三方利益團(tuán) 體的合作。在一方面，此種合作機(jī)制可以有效地降低設(shè)備運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本并且減少系統(tǒng)維 護(hù)的難度；在另一方面，中繼，即無(wú)線接入點(diǎn)，可以從合作傳輸中獲得合理的報(bào)酬。在這種雙 贏的情況下，我們提出了一種基于"合作眾包"理念的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)合作傳輸，即，運(yùn)營(yíng)商通 過(guò)支付第三方利益組織合理的利益來(lái)招募空閑的無(wú)線接入點(diǎn)參與合作傳輸。
[0024] 然而，在這種基于"合作眾包"理念的合作傳輸方式的廣泛應(yīng)用需要運(yùn)營(yíng)商和第三 方利益機(jī)構(gòu)共同解決。從運(yùn)營(yíng)商的角度來(lái)講，首先解決的問(wèn)題就是如何選定和激勵(lì)招募的 中繼節(jié)點(diǎn)參與合作傳輸使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍都可以有效提高，并且保證低 部署和維護(hù)費(fèi)用。對(duì)于中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，鑒于其屬于不同的利益團(tuán)體，它們需要足夠的利益激 勵(lì)來(lái)參與合作傳輸。參與合作傳輸?shù)哪康闹皇窃谟邢薜膫鬏敽拖到y(tǒng)消耗的資源下，從合 作傳輸中獲得更大的利益。從運(yùn)營(yíng)商和中繼兩方面考慮，本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一個(gè)有效合作傳 輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
[0025]然而，現(xiàn)有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線合作網(wǎng)絡(luò)傳輸大多基于網(wǎng)絡(luò)頻譜效率或者能量效率的 最大化。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)大功率基站與中繼同屬于運(yùn)營(yíng)商，中繼無(wú)條件的盡其所能 參與到合作傳輸，與此同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商不需要支付第三方機(jī)構(gòu)任何費(fèi)用。為了解決此類問(wèn)題， 本發(fā)明旨在提供一種解決此類傳輸?shù)姆桨浮?br>[0026]在此發(fā)明中，我們?cè)O(shè)計(jì)一種基于"合作眾包"的合作傳輸機(jī)制，此傳輸機(jī)制需要基 站和中繼共同合作，即基站所代表的運(yùn)營(yíng)商發(fā)布傳輸任務(wù)和激勵(lì)，中繼所代表的第三方利 益機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的激勵(lì)調(diào)整其傳輸功率。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于 斯塔克爾伯格博弈的激勵(lì)機(jī)制，在主從結(jié)構(gòu)中，基站作為主而中繼作為從。每一個(gè)參與的中 繼均與其他中繼進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)在合作傳輸中所得到的利潤(rùn)。為了確保系統(tǒng)的有效性，我們證明 了在中繼之間的納什均衡存在且唯一。為了能夠得到中繼之間穩(wěn)定的傳輸策略，我們給出 了一種可以得到斯塔克爾伯格均衡的算法。即基站可以最大化其效用函數(shù)，而中繼可以達(dá) 到唯一的在其他中繼策略不變情況下的最優(yōu)策略。
[0027] 如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)由一個(gè)基站，M(M多1)個(gè)用戶，和N(N多2)個(gè)招募的基站 組成，每一個(gè)基站為所有的用戶服務(wù)。假設(shè)每一個(gè)基站裝有一套收發(fā)設(shè)備，在一個(gè)時(shí)間段指 可以選擇發(fā)送和接收中的一個(gè)，即中繼處于半雙工狀態(tài)。在這里我們假設(shè)，每一個(gè)傳輸?shù)臅r(shí) 間幀都被均分成兩個(gè)階段，在第一個(gè)傳輸階段，基站給中繼傳輸，在第二個(gè)階段，中繼轉(zhuǎn)發(fā) 給用戶。我們假設(shè)用戶之間的頻率正交，例如采用OFDMA技術(shù)，而且已經(jīng)采用已有的方式進(jìn) 行載波分配。所有的用戶均在其接收端進(jìn)行最大比值合并。
[0028] 從基站到中繼i的信道參數(shù)和從中繼i到用戶m，.的信道參數(shù)分別用和
-分別代表信干噪比，〇 2代表加性高斯白噪聲的方差。 這里假設(shè)信道由大尺度衰落和小尺度衰落組成，
[0030] 這里g=#1代表獨(dú)立同分布的小尺度衰落，其均值為0,方差為〇 sh，代表大 尺度衰落，其表達(dá)式為
[0032]c代表距離在<^^=1細(xì)時(shí)，信道衰落的中值，a為距離損耗，其范圍為2~5， 為傳輸距離。此外，為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落參數(shù)，1〇以1(](^_}為0中 值，〇sh為方差的高斯分布隨機(jī)變量。
[0033] 示基站發(fā)射功率向量，用g表示基站向用戶m的發(fā)射功率。用 1^=作;'￥，_._4^)代表所有矩陣的發(fā)射功率，甙沉=('/^，-，/4))表示中繼向所有用 戶的發(fā)射功率向量，為中繼用于用戶m的傳輸所消耗的發(fā)射功率。用P4表示所有出中 繼i以外，所有中繼的發(fā)射功率。為了便于下文表述，我們也用1^=(1^1^)表示中繼發(fā)射 功率矩陣。我們用/；=?,")和(<,")分別表示通過(guò)中繼i的轉(zhuǎn)發(fā)后，用戶m在放大轉(zhuǎn)發(fā) 和解碼轉(zhuǎn)發(fā)后的信噪比，其表達(dá)式為
[0036] 每一個(gè)參與合作的中繼都會(huì)基于其信噪比得到收益，其代價(jià)函數(shù)為所消耗的發(fā)射 和計(jì)算功率。同時(shí)考慮收益和支出，每一個(gè)中繼決定其傳輸策略，即最優(yōu)傳輸功率，即可以 使其效用函數(shù)取得最大值的最優(yōu)發(fā)射功率?；疽哺鶕?jù)收益和支出，決定其最優(yōu)的效用函 數(shù)，即給予中繼的激勵(lì)。由于中繼屬于不同的利益團(tuán)體，我們?cè)谶@里假設(shè)所有的中繼都是理 智而且自私的。在本發(fā)明中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于合作眾包的合作機(jī)制，其他問(wèn)題例如安全 問(wèn)題，也是網(wǎng)絡(luò)中需要關(guān)注的問(wèn)題，在此發(fā)明中暫不考慮。
[0037] 基站的激勵(lì)向量為R(R= (R1,R2, . . .，Rm))，基站為了用戶m的傳輸而給出的激勵(lì) 為Rni，基站的支出為9x幾：，每單位功率的價(jià)格為C1 (C1X))。C1為中繼i自行決定的功率價(jià) 格，其數(shù)值由剩余能量、電池和芯片處理能力決定。中繼i的目的是最大化其在放大和解碼 轉(zhuǎn)發(fā)下的效用函數(shù)U1
[0041] 對(duì)于每一個(gè)中繼而言，它需要根據(jù)基站的激勵(lì)（Rni, )，決定其最優(yōu)的傳輸功率 以達(dá)到最大化其效用函數(shù)的目的。在這里，T。表示每一個(gè)中繼為每一個(gè)用戶轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，最小信 噪比的限制，中繼i的發(fā)射功率總和不大于？在解碼轉(zhuǎn)發(fā)的情況下，中繼i的目標(biāo)函數(shù) 和限制條件。
[0042] 極化迫零技術(shù)的引入：
[0043] 第一階段和第二階段傳輸結(jié)束時(shí)，次級(jí)用戶相互通信的信息都分別傳輸?shù)搅薖R 處，對(duì)主用戶構(gòu)成了干擾，為了消除這種干擾，本發(fā)明引入極化迫零的方式對(duì)PR的接收信
號(hào)進(jìn)行處理，在第一階段時(shí)，對(duì)PR而言，等號(hào)右邊第二項(xiàng) f擾，因此SUB 需要對(duì)Dbp進(jìn)行估計(jì)并且智能地選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膁BA滿足：
[0044] DBPdBA= 0 (7)
[0045] 從而使得該項(xiàng)在PR端被消去。
[0046] 在第二階段時(shí)，對(duì)PR來(lái)說(shuō)