曹 儐,孫 曦,李 云,陳 權(quán),3,王詩言

(1.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 611731；3.華為技術(shù)有限公司,廣東深圳 518129；4.重慶郵電大學(xué),重慶

400065)

考慮競(jìng)爭(zhēng)的納什均衡協(xié)作通信傳輸策略

曹 儐1,2,孫 曦1,李 云1,陳 權(quán)1,3,王詩言4

(1.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 611731；3.華為技術(shù)有限公司,廣東深圳 518129；4.重慶郵電大學(xué),重慶

400065)

在協(xié)作通信中,業(yè)務(wù)流通過空閑中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),可以有效地提高傳輸速率,提升無線網(wǎng)絡(luò)的性能.因此,大量的中繼節(jié)點(diǎn)選取算法相繼被提出.然而,現(xiàn)有的研究算法大部分只從中繼節(jié)點(diǎn)帶來的有利因素（例如數(shù)據(jù)包傳輸速率提升)出發(fā),而忽略了業(yè)務(wù)流在同一中繼節(jié)點(diǎn)的相互競(jìng)爭(zhēng),從而導(dǎo)致直傳傳輸中不存在的等待回退時(shí)延,對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生了負(fù)面影響.為此,筆者考慮中繼節(jié)點(diǎn)帶來的有利因素和負(fù)面影響,引入博弈論提出了一種基于納什均衡的協(xié)作通信傳輸策略（Nash Equilibrium Cooperative Transmission Strategy,NECTS).該傳輸策略能在保證各個(gè)業(yè)務(wù)流收益的同時(shí)最大化系統(tǒng)性能,進(jìn)而有效提升系統(tǒng)吞吐量.仿真實(shí)驗(yàn)表明,NECTS能在利用協(xié)作通信優(yōu)勢(shì)的同時(shí),避免不必要的競(jìng)爭(zhēng).因此,其性能優(yōu)于現(xiàn)有方法的性能.

協(xié)作通信;中繼選擇;競(jìng)爭(zhēng);納什均衡

Key Words: cooperative communication;relay node selection;competition;Nash equilibrium

在無線網(wǎng)絡(luò)中,由于路徑損耗和各種干擾的存在,使得通信過程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)均會(huì)受到不同程度的影響,有時(shí)甚至?xí)咕W(wǎng)絡(luò)的性能急劇惡化.大量研究表明,多輸入多輸出（Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)[1]技術(shù)可以成倍地提高無線信道的容量和頻譜利用率,從而成為了一項(xiàng)熱點(diǎn)技術(shù).然而,由于它需要同時(shí)配備多根天線,這就使得MIMO技術(shù)很難在移動(dòng)終端等小型設(shè)備上得以應(yīng)用.在這樣的背景下,一項(xiàng)新技術(shù)——協(xié)作通信（Cooperative Communication,CC)[2-4]受到了人們的關(guān)注,它在多用戶環(huán)境中按照一定的方式,使單天線的移動(dòng)終端通過使用其他空閑終端的天線,形成一個(gè)虛擬天線陣列（Virtual Antenna Array,VAA)[5-6],從而獲得類似于MIMO系統(tǒng)中的空間分集增益,這樣就可以在不增加硬件設(shè)備復(fù)雜度和成本的同時(shí),使無線網(wǎng)絡(luò)的性能得到改善.

隨著協(xié)作通信的深入研究,許多中繼節(jié)點(diǎn)選取方法相繼被提出.文獻(xiàn)[7]在多源多中繼無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,設(shè)計(jì)了快速收斂且令系統(tǒng)效益最大的分布式中繼選擇策略.文獻(xiàn)[8]考慮到傳輸過程中節(jié)點(diǎn)之間的干擾問題,提出了一種分布式的干擾感知的中繼節(jié)點(diǎn)選取方法.文獻(xiàn)[9]針對(duì)傳輸出錯(cuò)導(dǎo)致重傳而帶來的媒體訪問控制（Media Access Control,MAC)層開銷問題,提出了一種基于最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)選取算法的媒體訪問控制（Optimal Relay Selection MAC,ORS-MAC)機(jī)制,從而降低傳輸出錯(cuò)概率,提供更多的協(xié)作機(jī)會(huì).文獻(xiàn)[10]提出了一種基于中繼節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)速率協(xié)作傳輸（Cooperative Relay-Based Auto Rate,CRBAR)機(jī)制.在該傳輸機(jī)制中,由中繼節(jié)點(diǎn)自身根據(jù)測(cè)量的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息來主動(dòng)判斷是否參與協(xié)作通信.該方法能夠有效地提高吞吐量和協(xié)作成功概率,但其判斷準(zhǔn)則卻非常的直接:通過中繼節(jié)點(diǎn)如果能夠提高數(shù)據(jù)包傳輸速率,則采取協(xié)作通信;否則,直傳傳輸.然而在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中,由于合適的中繼節(jié)點(diǎn)往往是有限的,當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)選取同一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),將會(huì)出現(xiàn)額外的競(jìng)爭(zhēng),記為協(xié)作競(jìng)爭(zhēng).而現(xiàn)有研究只是簡(jiǎn)單地認(rèn)為,只要提高數(shù)據(jù)包傳輸速率就可以獲得更好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,但實(shí)際的傳輸速率并不一定能夠提高,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量也不會(huì)如預(yù)期一樣地增加.

雖然在中繼節(jié)點(diǎn)選取方法上已存在大量的研究工作,但已有的成果[7-10]大多只以尋找合適的中繼節(jié)點(diǎn),以提高數(shù)據(jù)包傳輸速率為目的,而忽略了被選定的中繼節(jié)點(diǎn)將會(huì)給其傳輸范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)流帶來不必要的競(jìng)爭(zhēng).也就是說,由于中繼節(jié)點(diǎn)的引入,會(huì)導(dǎo)致其傳輸范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)流因競(jìng)爭(zhēng)信道而產(chǎn)生隨機(jī)退避,從而使得等待回退時(shí)間變大,反而影響了網(wǎng)絡(luò)性能,但是這些負(fù)面影響卻鮮有關(guān)注.在文獻(xiàn)[11]中,當(dāng)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在干擾范圍內(nèi)同時(shí)被選擇使用時(shí),它們之間的相互干擾將使整個(gè)系統(tǒng)的性能受到嚴(yán)重的影響.所以,在選取中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮協(xié)作帶來的有利因素和負(fù)面影響.文獻(xiàn)[12]針對(duì)選取中繼節(jié)點(diǎn)帶來的物理層上的額外干擾問題進(jìn)行了分析描述,考慮了中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)造成對(duì)其他業(yè)務(wù)流的干擾以及對(duì)系統(tǒng)的影響,根據(jù)拍賣理論分配中繼節(jié)點(diǎn),從而合理地分配資源.然而,它著重于最大化系統(tǒng)性能,沒有考慮MAC層上業(yè)務(wù)流之間的競(jìng)爭(zhēng)問題及其影響,沒有平衡用戶個(gè)體利益以及設(shè)計(jì)傳輸策略.

與現(xiàn)有工作不同,考慮中繼節(jié)點(diǎn)帶來的額外競(jìng)爭(zhēng),筆者旨在綜合考慮采取協(xié)作通信的利與弊,在兩跳網(wǎng)絡(luò)不同負(fù)荷狀況下,以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量收益為目標(biāo),并根據(jù)納什均衡非合作博弈模型對(duì)問題進(jìn)行建模,分析了業(yè)務(wù)流在不同傳輸策略下的收益情況,提出了一種基于納什均衡的協(xié)作通信傳輸策略,最大化地保證每條業(yè)務(wù)流的收益,從而適時(shí)地選取中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼協(xié)作傳輸,以達(dá)到提升無線網(wǎng)絡(luò)性能的目的.

1 問題描述與系統(tǒng)建模

1.1 問題描述

如圖1所示的兩跳網(wǎng)絡(luò)中存在兩條業(yè)務(wù)流f1（從S1到D1)和f2（從S2到D2),它們各自以概率a1和a2發(fā)送數(shù)據(jù)包.f1和f2的傳輸速率（從S1到D1,S2到D2)均為2 Mb/s,它們均可以選取節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行中繼協(xié)作傳輸,S1、S2、D1、D2和R之間的傳輸速率均為5.5 Mb/s.然而,由于f1和f2均在R的傳輸范圍內(nèi),因此,R不能同時(shí)為f1和f2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,這必然會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)和回退.

在文獻(xiàn)[10]中,CRBAR方法認(rèn)為只要協(xié)作后的傳輸速率大于直傳,便會(huì)直接采取中繼協(xié)作傳輸,而不會(huì)考慮到這個(gè)時(shí)候是否需要協(xié)作,以及協(xié)作后的效果等問題.在圖1中,若遵循CRBAR,即不考慮R給f1和f2所帶來的額外競(jìng)爭(zhēng),它們均會(huì)采取中繼協(xié)作傳輸,因?yàn)镃RBAR認(rèn)為采取協(xié)作通信,從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的理想傳輸速率可以達(dá)到（5.5*5.5)/（5.5+5.5)=2.75 Mb/s,明顯高于直傳傳輸?shù)? Mb/s.然而,實(shí)際的傳輸速率提升并不能達(dá)到理想狀態(tài),有時(shí)甚至可能降低.

實(shí)際上,R會(huì)給f1和f2帶來額外的競(jìng)爭(zhēng).當(dāng)f1和f2同時(shí)有數(shù)據(jù)包需要傳輸,并采取的都是協(xié)作通信的時(shí)候,它們之間將以公平競(jìng)爭(zhēng)和二進(jìn)制指數(shù)退避的方式爭(zhēng)取到R的中繼協(xié)作服務(wù),此時(shí)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)吞吐量為2.75a1（1-a2)+2.75（1-a1)a2+2.75a1a2;當(dāng)f1和f2均采取直傳傳輸時(shí),實(shí)際網(wǎng)絡(luò)吞吐量為2a1（1-a2)+2（1-a1)a2+4a1a2.假設(shè),當(dāng)a1=a2=0.1時(shí),即在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較輕時(shí),前者為0.5225 Mb/s,后者為0.4 Mb/s.顯然,此時(shí)采取協(xié)作通信就是非常好的傳輸策略.但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較重時(shí),例如,當(dāng)a1=a2=1時(shí),如果仍然采取協(xié)作通信,那么由于f1和f2相互競(jìng)爭(zhēng)R所導(dǎo)致的回退,會(huì)使得每一條業(yè)務(wù)流的實(shí)際傳輸速率達(dá)不到預(yù)期的理想傳輸速率.此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐量?jī)H能達(dá)到2.75 Mb/s,而對(duì)應(yīng)的直傳傳輸卻可以達(dá)到4 Mb/s.盡管協(xié)作通信可以提高理論上的傳輸速率,但實(shí)際的傳輸速率反而下降了,那么直傳傳輸才是更好的傳輸策略.因此,在網(wǎng)絡(luò)重負(fù)荷的情形下,協(xié)作通信并非總是有效的,考慮到協(xié)作競(jìng)爭(zhēng),就應(yīng)該選取更加靈活的傳輸策略,從而根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)狀況選取中繼節(jié)點(diǎn)或者直傳傳輸.

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)建模

首先,假設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)中存在兩條業(yè)務(wù)流（f1,f2)和一個(gè)可以提供中繼協(xié)作服務(wù)的空閑節(jié)點(diǎn)R,這兩條業(yè)務(wù)流有數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母怕史謩e為（a1,a2),如圖1所示.其中,f1和f2均不在相互的傳輸范圍內(nèi),但是它們卻在相鄰節(jié)點(diǎn)R的傳輸范圍內(nèi).定義f1從S1到D1的直傳傳輸速率為RDT1,f2從S2到D2的直傳傳輸速率為,它們各自從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的端到端的協(xié)作傳輸速率分別為

在上述模型中,由于f1和f2均不在相互的傳輸范圍內(nèi),因此,它們就可以在同一時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸.然而,由于節(jié)點(diǎn)R的引入,這必將會(huì)給其傳輸范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)流帶來負(fù)面影響,從而造成競(jìng)爭(zhēng)和隨機(jī)退避過程.

如上所述,f1和f2均存在兩種傳輸策略:直傳傳輸（Direct Transmission,DT,記為TD)和協(xié)作傳輸（Cooperative Communication,CT,記為TC).它們各自將以一定概率選取上述兩種傳輸策略,記f1和f2分別以p1和p2的概率選取TD,（1-p1)和（1-p2)的概率選取TC.考慮不同傳輸策略以及其他業(yè)務(wù)流的策略對(duì)自身的影響,文中以實(shí)際傳輸速率為指標(biāo),定義業(yè)務(wù)流f1和f2的效用函數(shù)如下:

f1的效用函數(shù)為

其中,U1（x,y)是f1選取策略x,且f2選取策略y時(shí)f1的實(shí)際傳輸速率.

f2的效用函數(shù)為

其中,U2（x,y)是f1選取策略x,且f2選取策略y時(shí)f2的實(shí)際傳輸速率.

f1和f2分別選取DT或者CT策略時(shí),f1的效用函數(shù)的具體表達(dá)式為

同理,f2的效用函數(shù)的具體表達(dá)式為

文中,f1和f2都將以一定的概率選取上述兩種傳輸策略,此時(shí),f1和f2的期望收益分別為

其中,P1=[p1,1-p1]和P2=[p2,1-p2],分別是業(yè)務(wù)流f1和f2的傳輸策略.

根據(jù)上述期望收益,業(yè)務(wù)流f1和f2如何選取最合適的傳輸策略P1和P2,在保證自己收益的同時(shí),最大化地提高網(wǎng)絡(luò)效益,這就是文中所考慮的問題.接下來,筆者采取非合作博弈理論,分析保證f1和f2各自收益都最大化的均衡策略.

2 納什均衡傳輸策略

為了綜合考慮協(xié)作通信對(duì)傳輸速率的提升和協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)對(duì)傳輸時(shí)延的增加,業(yè)務(wù)流需要制定合適的傳輸策略,既要充分考慮到采取中繼節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),也要評(píng)估其他業(yè)務(wù)流的傳輸策略對(duì)自身的影響.因此,文中提出一種基于納什均衡的協(xié)作通信傳輸策略.

根據(jù)定理1[13],可以得知一定存在納什均衡.

定理1（納什定理) 在一個(gè)有n個(gè)博弈方的博弈中,G={S1,…,Sn;U1,…,Un},如果n是有限的,且策略集合也是有限的,則該博弈至少存在一個(gè)納什均衡（包含混合策略).其中Ui是第i個(gè)博弈方的收益,Si是第i個(gè)博弈方的策略集合.

接下來,根據(jù)定義1[13],推導(dǎo)納什均衡.

定義1 在博弈G中,如果由各個(gè)博弈方策略集合中的一個(gè)策略組成的組合中,任一博弈方i的策略,都是對(duì)其余博弈方策略的組合的最佳對(duì)策,也即對(duì)任意si∈Si都成立,則稱為G的一個(gè)納什均衡.由此可知

以下只討論R1＞0,R2＞0,r1＞0,r2＞0,其他情況可用類似方法討論,這里不再贅述.根據(jù)式（1),可解式（4)為

由于R1≠0,可解得

相似地,根據(jù)式（2),可解式（5)為

由于R2≠0,可解得

由式（6)、式（7)合并可知,存在納什均衡解（0,0),（1,1),,通過比較得知,其中必然存在一個(gè)均衡解,在保證f1和f2各自收益都最大化的同時(shí)使得E最大,即得到使網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的納什均衡解,該納什均衡解就是文中采取的納什均衡傳輸策略和,即f1以的概率選取直傳傳輸,以的概率選取協(xié)作傳輸;f2以的概率選取直傳傳輸,以的概率選取協(xié)作傳輸.以圖1為例,兩條業(yè)務(wù)流（f1,f2)分別應(yīng)該以多大的概率采取協(xié)作通信依賴于具體的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷狀況,接下來將通過仿真詳細(xì)闡述.

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證納什均衡傳輸策略NECTS的正確性和有效性,在搭建的MATLAB仿真平臺(tái)上對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估.在仿真中,首先將文中提出的納什均衡傳輸策略用于無線網(wǎng)絡(luò),以決定是否采取協(xié)作通信.同時(shí)為了更好地證明NECTS的優(yōu)勢(shì),在同樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,選取研究方法CRBAR[10]作為參考,該方法沒有考慮到協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)的影響,其核心思想為:當(dāng)通過中繼節(jié)點(diǎn)的理想傳輸速率大于直傳傳輸時(shí),就采取協(xié)作通信.

仿真實(shí)驗(yàn)基于IEEE 802.11b協(xié)議進(jìn)行,其他協(xié)議類似.分別對(duì)固定拓?fù)浜碗S機(jī)拓?fù)湎碌腘ECTS和CRBAR進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真中設(shè)置MAC頭部、PHY頭部、RTS、TCS、HTS、ACK、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度分別為272 bit、192 bit、352 bit、304 bit、304 bit、304 bit、8 000 bit,控制幀頭部傳輸速率為1 Mb/s,時(shí)隙時(shí)間、SIFS、DIFS分別為20μs、10μs、50μs.主要比較的性能指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)吞吐量和數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄?jìng)爭(zhēng)概率.其中,網(wǎng)絡(luò)吞吐量指的是單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,單位為比特每秒（bit/s);數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄?jìng)爭(zhēng)概率指的是節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)需要與其他節(jié)點(diǎn)相互競(jìng)爭(zhēng)信道的平均概率.

3.1 固定拓?fù)浞抡?/p>

在實(shí)驗(yàn)1中,假設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)中存在兩條業(yè)務(wù)流（f1,f2)和一個(gè)可以提供中繼協(xié)作服務(wù)的空閑節(jié)點(diǎn)R,固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,并設(shè)置業(yè)務(wù)流f1和f2的直傳傳輸速率,協(xié)作傳輸速率和f2有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的概率a1和a2從0.1到1以步長(zhǎng)0.1依次遞增,所有數(shù)據(jù)為100次以上的平均重復(fù)實(shí)驗(yàn)值.

圖2為不同數(shù)據(jù)包發(fā)送概率下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量.可以看出,隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐量不斷提高,這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)剛開始時(shí)處于非飽和狀態(tài),發(fā)送數(shù)據(jù)包的增加會(huì)顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送概率較低時(shí)（0.6以內(nèi)),NECTS和CRBAR獲得的吞吐量一樣,這是因?yàn)榇藭r(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較輕,競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)緩和,協(xié)作傳輸效益遠(yuǎn)高于直傳傳輸效益,所以兩者在此階段采取了相同的傳輸策略（TC,TC),即它們采取協(xié)作通信的概率均為1;而當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送概率較高時(shí),NECTS的網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯高于CRBAR.這是因?yàn)镹ECTS考慮到了中繼節(jié)點(diǎn)帶來的傳輸速率提升是不足以抵消協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)所帶來的不良后果的,因而在網(wǎng)絡(luò)重負(fù)荷時(shí),適時(shí)地選取了傳輸效益更佳的直傳傳輸策略（TD,TD),它采取協(xié)作通信的概率為0,即不選取協(xié)作傳輸策略,從而獲得了更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量.相反地,CRBAR卻持續(xù)選取協(xié)作傳輸策略,只單方面考慮到了中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸速率的改善而忽略了協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)帶來的負(fù)面影響,繼續(xù)采取協(xié)作通信.因此,隨著需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的遞增,網(wǎng)絡(luò)逐漸趨于飽和,如果繼續(xù)采取協(xié)作通信,業(yè)務(wù)流之間對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)就會(huì)加劇,從而導(dǎo)致沖突碰撞以及回退等待,在網(wǎng)絡(luò)重負(fù)荷時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)帶來的負(fù)面競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)大于它所帶來的協(xié)作增益,此時(shí)中繼協(xié)作傳輸效益還不如直傳,進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量.相反地,如果采取直傳傳輸,由于業(yè)務(wù)流之間互不影響,故不存在協(xié)作競(jìng)爭(zhēng),也就不會(huì)出現(xiàn)上述不利后果.

圖2 數(shù)據(jù)包發(fā)送概率隨吞吐量變化的曲線

圖3 數(shù)據(jù)包發(fā)送概率隨競(jìng)爭(zhēng)概率變化的曲線

圖3為業(yè)務(wù)流之間需要競(jìng)爭(zhēng)信道的概率.從圖中可以看出,隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的增加.CRBAR的平均競(jìng)爭(zhēng)概率不斷增加,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重負(fù)荷時(shí),CRBAR的競(jìng)爭(zhēng)概率明顯高于NECTS,進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)的性能沒有得到充分的提升,這是因?yàn)镃RBAR一直采取協(xié)作通信,業(yè)務(wù)流之間需要競(jìng)爭(zhēng)中繼節(jié)點(diǎn),隨著發(fā)送數(shù)據(jù)包的增多,網(wǎng)絡(luò)逐漸趨于飽和,越容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng).相比之下,NECTS僅僅在數(shù)據(jù)包發(fā)送概率較低時(shí)（0.6以內(nèi))需要競(jìng)爭(zhēng),而隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的增加,考慮到協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)的影響,NECTS適時(shí)地選取直傳傳輸策略,而直傳傳輸中因?yàn)闃I(yè)務(wù)流之間互不影響,所以沒有競(jìng)爭(zhēng).進(jìn)一步地說,NECTS可以獲得更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、更低的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄?jìng)爭(zhēng)概率.

3.2 隨機(jī)拓?fù)浞抡?/p>

實(shí)驗(yàn)2在網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下對(duì)NECTS機(jī)制的性能進(jìn)行驗(yàn)證.首先在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成兩條業(yè)務(wù)流,它們分別處于彼此的傳輸范圍之外,如果都采取直傳傳輸,彼此之間可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)包而不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng).然后,在這兩條業(yè)務(wù)流共同的傳輸范圍之間隨機(jī)生成一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),該中繼節(jié)點(diǎn)一旦參與協(xié)作通信,兩條業(yè)務(wù)流便會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng).這兩條業(yè)務(wù)流的直傳傳輸速率根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的隨機(jī)距離決定,協(xié)作傳輸速率根據(jù)業(yè)務(wù)流節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的隨機(jī)距離決定,其中傳輸速率和傳輸距離的關(guān)系如表1所示.這兩條業(yè)務(wù)流有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的概率從0.1到1以步長(zhǎng)0.1依次遞增,所有數(shù)據(jù)均是100組以上隨機(jī)實(shí)驗(yàn)所得的統(tǒng)計(jì)平均值.

表1 數(shù)據(jù)傳輸速率

和圖2類似,在圖4中,隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐量不斷提高.從圖中可以看出,即使在數(shù)據(jù)包發(fā)送概率較低時(shí),NECTS機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)吞吐量也明顯優(yōu)于CRBAR機(jī)制,且這種優(yōu)勢(shì)隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的遞增越來越明顯.這是因?yàn)榍罢吒映浞值乜紤]到協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)的負(fù)面影響,而不只是單一地考慮到中繼節(jié)點(diǎn)帶來的傳輸速率的提升,從而選取了更加靈活的傳輸策略.而后者卻簡(jiǎn)單地認(rèn)為只要通過中繼節(jié)點(diǎn)能夠提高傳輸速率,便采取協(xié)作通信,從而選取了不合適的傳輸策略,進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

圖4 數(shù)據(jù)包發(fā)送概率和吞吐量變化的曲線

圖5 數(shù)據(jù)包發(fā)送概率隨競(jìng)爭(zhēng)概率變化的曲線

圖5為業(yè)務(wù)流之間有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)概率.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知,隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送概率的增加,CRBAR所帶來的網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NECTS,原因在于前者忽略了協(xié)作競(jìng)爭(zhēng),僅僅考慮到中繼節(jié)點(diǎn)帶來的增益,因此,競(jìng)爭(zhēng)概率較大.相比之下,后者綜合考慮到了協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)所帶來的負(fù)面影響,從而更好地判斷出到底是選取協(xié)作傳輸策略還是直傳傳輸策略,因此,競(jìng)爭(zhēng)概率較小.

4 結(jié)束語

通過提出的納什均衡傳輸策略,可以得到不同網(wǎng)絡(luò)狀況下（不同數(shù)據(jù)包發(fā)送概率、傳輸速率等),合適的傳輸策略,從而合理判斷是否采取協(xié)作通信.基于納什均衡的傳輸策略可以有效地判斷選擇中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)機(jī),一方面盡量獲取協(xié)作通信的增益,同時(shí)也考慮了協(xié)作帶來的不利影響,避免了不必要的競(jìng)爭(zhēng),從而可以有效提升網(wǎng)絡(luò)性能.最后,通過仿真驗(yàn)證分析,說明了NECTS的正確性和有效性.

下一步工作是在文中研究成果的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)多跳網(wǎng)絡(luò)中的納什均衡,從而得到一般網(wǎng)絡(luò)狀況下的納什均衡傳輸策略.同時(shí),根據(jù)相應(yīng)的納什均衡傳輸策略,設(shè)計(jì)一套支持該策略的MAC機(jī)制,從而使得理論策略能更好地應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng).

[1]Chiani M,Win M Z,Shin H D.MIMO Networks:the Effects of interference[J].IEEE Transactions on Information Theory,2010,56(1):336-349.

[2]Nosratinia A,Hunter T E,Hedayat A.Cooperative Communication in Wireless Networks[J].IEEE Communications Magazine,2004,42(10):74-80.

[3]Laneman J N,Tse D,Wornell G.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior [J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12):3062-3080.

[4]Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity—Part II:Implementation Aspects and Performance Analysis[J].IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1938.

[5]Choi J.Opportunistic Beamforming with Single Beamforming Matrix for Virtual Antenna Arrays[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(3):872-881.

[6]Nguyen D N,Krunz M.Cooperative MIMO in Wireless Networks:Recent Developments and Challenges[J].IEEE Network,,2013,27(4):48-54.

[7] 胡潔,趙祚喜.多源多中繼網(wǎng)絡(luò)效益最大的快速中繼選擇策略[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,40(3):212-220. Hu Jie,Zhao Zuoxi.Maximizing System Benefits and Fast Convergence Relay Selection Algorithms in Multi-source Multi-relay Networks[J].Journal of Xidian University,2013,40(3):212-220.

[8]Shi C G,Zhao H T,Garcia-Palacios E,et al.Distributed Interference-aware Relay Selection for IEEE 802.11 Based Cooperative Networks[J].IET Networks,2012,1(2):84-90.

[9]Cao B,Feng G,Li Y,et al.Cooperative Media Access Control with Optimal Relay Selection in Error-prone Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(1):252-265.

[10]Guo T,Carrasco R.CRBAR:Cooperative Relay-based Auto Rate MAC for Multirate Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(12):5938-5947.

[11]Zhu Y,Zheng H.Understanding the Impact of Interference on Collaborative Relays[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2008,7(6):724-736.

[12]李云,陳權(quán),劉期烈,等.綠色節(jié)能的分布式中繼分配算法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,41(2):159-164. Li Yun,Chen Quan,Liu Qilie,et al.Distributed Relay Assignment Method in Green Energy Efficient[J].Journal of Xidian University,2014,41(2):159-164.

[13]Lasaulce S,Debbah M,Altman E.Methodologies for Analyzing Equilibria in Wireless Games[J].IEEE Signal Processing Magazine,2009,26(5):41-52.

（編輯:李恩科)

Nash equilibrium cooperative transmission strategy considering competition

CAO Bin1,2,SUN Xi1,LI Yun1,CHEN Quan1,3,WANG Shiyan4
(1.Chongqing Key Lab.of Mobile Communications Technology,Chongqing Univ.of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.National Key Lab.of Science and Technology on Communications,Univ.of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China;3. Huawei Technologies Co.,Ltd.,Shenzhen 518129,China;4.Chongqing Univ.of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In cooperative communications,employing the idle relay node for forwarding data can effectively improve the transmission rate and performance of the wireless networks.Therefore,various relay node selection algorithms are proposed.However,most of the existing algorithms just focus on the benefit caused by relay nodes,while ignoring the negative effect of the backoff duration time which does not exist in direct transmission,when more than one flow compete for the same relay node.To this end,considering both advantage and adverse impact caused by the relay node,we adopt the game-theoretic approach and propose a cooperative transmission strategy based on the Nash equilibrium,named the Nash Equilibrium Cooperative Transmission Strategy(NECTS).The NECTS can not only guarantee the gain of each flow,but also maximize the system performance,and improve the system throughput effectively.Simulation results show that the NECTS can take the advantage of cooperative communications.Meanwhile,it can avoid the unnecessary competition,and its performance outperforms that of the existing methods.

TN925

A

1001-2400（2015)06-0145-07

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.06.025

2014-06-16

時(shí)間:2015-03-13

國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973)資助項(xiàng)目（2012CB316004);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61071118);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT1299);重慶市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)CSTC資助項(xiàng)目

曹 儐（1983-),男,講師,博士,E-mail:caobin@cqupt.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150313.1719.025.html