基于买卖模型及两层优化的节点激励方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线泛在环境下基于买卖模型及两层优化的节点激励方法，属于多媒 体通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的不断发展，针对覆盖范围、用户数量、业务类型及服务质量 (QoS)的不同要求，目前已研究开发出包括各种蜂窝通信网、无线局域网(WLAN)、无线个域 网(WPAN)和卫星通信网在内的多种无线通信网络，而且更多新的无线网络还在不断涌现。 这些网络采用不同的网络技术彼此相互补充、共同存在，构成了无处不在的多网络多业务 融合的无线泛在环境。然而，由于无线泛在环境下各网络流量与负载的不均衡特性，导致拥 塞网络小区中业务需求速率很高的用户节点无法获取本小区的网络服务，可以借助附近中 继节点将用户节点业务需求速率通过业务分流与聚合技术平衡至周围空闲网络小区中。然 而，同构或异构网络中的终端节点在协作转发消息过程中会表现出不同程度的转发意愿， 尤其当终端节点的缓存、电池能量、带宽等资源有限时，例如节点为了保存有限的资源而拒 绝接受和转发其他节点的数据，这是节点自私性的主要来源。这种自私行为将大大降低网 络的路由性能，但是，如果将大量的消息转发任务附加给某一部分节点而不对其做一些额 外的补偿，这些节点将由于能量耗尽而退出网络。基于虚拟货币的节点激励机制能够以"支 付-补偿"的方式激励节点的协作转发行为，然而，该机制往往单纯地以虚拟货币形式补偿 中继节点消耗的资源，并没有建立细致合理的买卖规则，另外，该机制的激励重心仅仅放在 了中继节点上，而没有在节省业务需求节点的激励成本上做更多研究。随着无线泛在环境 的日益普及，针对促进节点间协作转发机制的研究越来越受到关注。
[0003] 现今，无线泛在环境下针对节点激励机制和算法的研究主要分为三个方向：基于 信誉、基于虚拟货币（包括拍卖机制）、基于博弈论的激励方法。而基于虚拟货币的机制作为 激励节点协作的研究方向，其主要难点在于如何在节点各自出价的基础上利用合理有效的 数学模型确定节点之间的最终成交定价，同时用户节点如何选择最优的中继节点集合进行 协作转发。本专利针对无线泛在环境的特点提供一种基于买卖模型及两层优化的节点激励 方法，能够有效地促进中继节点的协作转发。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于买卖模型及两层优化 的节点激励方法，该方法结合无线泛在环境泛在网络、泛在终端的特点，根据无线通信环境 构建业务需求节点与中继节点之间的买卖模型，实现激励中继节点协作转发的目的；在激 励中继节点的基础上，通过两层优化模型达到业务需求节点以最低激励价格满足其业务速 率要求的目标。
[0005] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种基于买卖模型及两层优化的节 点激励方法，该方法首先设定无线泛在环境下的多网络、多终端的通信场景，拥塞网络小区 A中存在业务需求速率很高的节点s，节点s附近空闲网络小区集为：Γ = {lu，k2，…，km}，对 应的接入点集为D = {cU，d2，…，dm}，其中m代表空闲网络小区数目，ki e Γ对应的中继节点 集为Ri= {rii，ri2，···，ηη}。
[0006] 方法流程：
[0007] 步骤1:利用环境感知技术获得各个中继节点到其对应空闲网络小区接入点的信道 状态信息，得到中继节点到接入点的链路增益^ 中继节点与接入点之间的信道 带宽接入点处的独立加性高斯白噪声功率谱密度No以及其他中继节点的干扰。并 且初始化中继节点U的发射功率巧，满足iC
/Cx:由实际情况而定。
[0008] 步骤2:节点s依据中继节点rij的业务转发速率、利用递增凹函数出价Ys，中 继节点阳采用其发射功率与传输信号信干比的非线性递增函数出价' ?节点 S与中继节点ry按照买卖协议确定双方节点的定价1%.或成交失败，得到由所有成交的中继 节点组成的Ri的候选中继节点集合:CRi={rih|rih reached a deal with sflrihGRi}以及 对应的定价集合：_ = |Pk I仏e和业务转发速率集合./? = k I % e ；}。节点s与 中继节点rij之间的买卖协议表达式如下：
[0015] 其中0min和0max(〇<0min<0max)是两个非负临界值，ζ是非负调节因子，用于调节 的函数曲线形状，λ是调整因子，用于满足中继节点的信干比SIR和服务质量QoS要 求，α和β是非负的权重因子，\是中继节点rij的业务转发速率，表征中继节点rij与其对应 网络小区所能承载节点s业务需求速率的能力，表示中继节点信号到达接入点cU的 信干比，弋.表示接入点cU所要求的最小信干比。
[0016]步骤3:建立0^中所有中继节点的性价比最优化模型，得出性价比最高的中继节 点^'，对Γ中所有网络小区对应的候选中继节点集建立以上最优化模型，得到节点s的最 优中继节点集:〇^={η'，r2'以及对应的定价集合C7?/>ipr,. 和业务转 发速率集介F/?..二·^. | /; e ,L t述性价比最优化模型如下，即：
[0020] 其中_表示中继节点性价比，g卩业务转发速率与成交定价的比值，ri '表示CRi中 性价比最高的中继节点。
[0021] 步骤4:比较ORs中所有中继节点的业务转发速率之和V与节点S的业务需求速率 Vreq，如果V<vreq则本次协作交易失败；否则建立如下第二层最优化模型从0R冲选择业务 转发速率总和大于v raq且总价最小的子集τ'
[0026]其中τ表示0RS任意子集，vre3q表示节点s的业务需求速率。
[0027] 步骤5:经过上述两层优化过程之后，节点s利用高速率WiFi直连技术将自身业务 需求速率分配至f中各个最优中继节点，各最优中继节点利用Multi-Homing技术连接到相 应网络小区，从而实现总体的传输速率满足节点s的业务速率要求。
[0028] 有益效果：
[0029] 1、本发明是基于买卖模型及两层优化的节点激励方法，依据无线泛在环境下不同 网络与不同终端节点的无线通信信道速率和节点s出价之间的递增凹函数关系给出节点8 的出价，并采用基于中继节点发射功率与信干比的非线性递增函数得到中继节点出价，然 后建立节点s与中继节点的买卖模型给出最终合理定价，实现激励中继节点协作的目的。 [0030] 2、本发明在激励中继节点的基础上，通过两层优化模型达到业务需求节点以最低 激励价格满足其业务速率要求的目标。
[0031] 3、本发明产生的基于买卖模型及两层优化的节点激励方法，该方法简单，易于实 现，具有很好的应用前景。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的方法流程图。
[0033] 图2为动态规划算法父式与子式依赖关系图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合说明书附图对发明创造作进一步的详细说明。
[0035] 本发明提出了一种新颖的基于买卖模型及两层优化的节点激励方法，该方法设定 在无线泛在通信环境下存在蜂窝基站、WiFi热点、以及WiMAX等无线接入网络，本发明设定 该通信模型中业务需求速率很高的节点s处于蜂窝基站A范围内连接基站网络，节点s附近 空闲网络小区集为：F ={、，!《，···，'}，对应的接入点集为DiicU，^，···，^}，其中m代表空 闲网络小区数目，ki e Γ对应的中继节点集为Ri = {ril，ri2，…，rin}。则节点s可以利用 Multi-Homing技术借助中继节点基于两跳转发将自身业务需求速率分配至Γ中各个空闲 网络小区接入点。将节点s与中继节点rij(rij eRi，i e {1，2，…，m})之间的协作转发过程抽 象为两人买卖过程，其中s为买方，阳为卖方，s支付货币购买