本發(fā)明屬于無線協(xié)作通信系統(tǒng)技術(shù)領域，具體涉及一種雙重信息非對稱環(huán)境下基于信息監(jiān)督的協(xié)作通信激勵方法。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得頻譜資源緊缺問題日益嚴峻，目前已成為制約無線通信發(fā)展的瓶頸。協(xié)作通信技術(shù)借助于無線節(jié)點之間的協(xié)作中繼，能夠有效提高無線頻譜的利用率。然而，在實際的認知網(wǎng)絡和協(xié)作無線網(wǎng)絡中，普遍存在著非對稱網(wǎng)絡信息現(xiàn)象，使得在眾多中繼節(jié)點中選擇出合適的、信道狀態(tài)好的、通信能力高的中繼節(jié)點相當困難。

針對非對稱性信息條件下的協(xié)作通信技術(shù)研究正得到研究者的關(guān)注，其中，基于頻譜合約共享策略的研究剛剛起步，現(xiàn)有文獻大多研究中繼用戶通信能力信息非對稱性引起的逆向選擇問題，對于中繼用戶通信努力行為信息非對稱性引起的道德風險問題關(guān)注較少。此外，非授權(quán)用戶(secondaryuser，su)的這些能力和努力信息不對稱現(xiàn)象常常同時并發(fā)，目前雙重信息非對稱環(huán)境下的協(xié)作通信激勵研究較少關(guān)注實時監(jiān)測中繼節(jié)點的私有協(xié)作信息。通過文獻檢索，尚未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有文獻涉及到雙重信息非對稱環(huán)境下基于信息監(jiān)督的協(xié)作通信激勵方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種雙重信息非對稱環(huán)境下基于信息監(jiān)督的協(xié)作通信激勵方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：雙重信息非對稱環(huán)境下基于信息監(jiān)督的協(xié)作通信激勵方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

步驟1，通過將協(xié)作通信網(wǎng)絡映射成勞動力市場，通過引入監(jiān)督節(jié)點，建立中繼節(jié)點、監(jiān)督節(jié)點和源節(jié)點模型；

步驟2，在此基礎上，考慮到源節(jié)點雇傭監(jiān)督節(jié)點監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作信息，只需設計合適的契約以解決道德風險問題，建立基于契約理論的三階段stackelberg博弈模型：在第一階段，源節(jié)點向監(jiān)督節(jié)點提供契約條款，以獲得自身效用最大化，在第二階段，監(jiān)督節(jié)點向中繼節(jié)點提供契約條款以獲得自身效用最大化，在第三階段，中繼節(jié)點選擇合適的中繼努力以獲得自身效用最大化；通過設置契約條款，從而有效地規(guī)避契約簽訂后中繼節(jié)點私有行為引起的道德風險問題，保證協(xié)作通信的實現(xiàn)。

進一步地，步驟1中，建立中繼節(jié)點模型實現(xiàn)過程包括：

由于第i個中繼節(jié)點協(xié)作中繼努力ei，源節(jié)點所獲得的可用收益為πi＝θiei+δ，其中θi為每單位中繼努力所產(chǎn)生的收益，δ是服從正態(tài)分布的隨機變量δ～n(0,σ²)；

采用線性共享策略，第i個中繼節(jié)點所獲得的報酬wi可表示為wi＝αi+βiπi，其中，αi為其固定報酬，βi∈[0,1]是該節(jié)點的提成比例；

由于中繼節(jié)點付出的努力越大，他所付出的中繼成本ci(ei)也越大，并且，中繼成本會隨著付出努力的增大而增大，于是，ci′(ei)>0andci″(ei)>0，一般地，中繼成本ci(ei)可簡單表示為其中，ci為第i個中繼節(jié)點的中繼系數(shù)以描述中繼傳輸信息，包括中繼信道狀態(tài)或電池性能；

于是，第i個中繼節(jié)點的收益可定義為其數(shù)學期望和方差分別為和

假設每個中繼節(jié)點具有絕對的風險厭惡偏好，那么，其負指數(shù)效益函數(shù)可定義為其中，ρ表示中繼節(jié)點的arrow-pratt絕對風險厭惡程度，ρ越大，中繼節(jié)點越害怕風險，一般地，0≤ρ≤1，于是，基于上述假設，第i個中繼節(jié)點的期望效益為

進一步地，步驟1中，建立監(jiān)督節(jié)點模型實現(xiàn)過程包括：

假設源節(jié)點雇傭監(jiān)督節(jié)點監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作行為，采用線性支付策略(u,v)，則監(jiān)督節(jié)點的效用可定義為：

其中，u為監(jiān)督節(jié)點的基本工資，v∈[0,1]為該節(jié)點的提成比例。

進一步地，步驟1中，建立源節(jié)點模型實現(xiàn)過程包括：

考慮到監(jiān)督節(jié)點的監(jiān)測行為和中繼節(jié)點的協(xié)作行為，源節(jié)點的效用可表示為：

其中，u0為源節(jié)點直接通信所獲得的效用。

進一步地，步驟2中，所述中繼節(jié)點私有行為，所采取的實現(xiàn)過程包括：

假設中繼節(jié)點的私有信息θi在θ∈[θl,θh]范圍內(nèi)隨機分布，其概率密度函數(shù)為fi(θi)，分布函數(shù)為fi(θi)，其中θl<θh，fi(θi)>0，為了方便后續(xù)計算，令

進一步地，步驟2中，協(xié)作通信激勵第三階段契約設計實現(xiàn)過程包括：

由于監(jiān)督節(jié)點知道中繼節(jié)點的中繼信息，監(jiān)督節(jié)點提供給第i個中繼節(jié)點的契約條款為(αi,βi)，于是，第i個中繼節(jié)點在付出中繼努力ei后獲得的效用為

為了確保中繼節(jié)點接收契約以獲得自身效用最大，契約條款需滿足以下激勵相容(ic)約束條件：

由上述ic條件，可得到最優(yōu)的協(xié)作中繼努力于是，第i個中繼節(jié)點的效用可簡化為

進一步地，步驟2中，協(xié)作通信激勵第二階段契約設計實現(xiàn)過程包括：

在第二階段，在給定源節(jié)點報酬(u,v)和中繼節(jié)點協(xié)作努力的前提下，監(jiān)督節(jié)點的效用可簡化為：

監(jiān)督節(jié)點需提供給中繼節(jié)點的契約(αi,βi)產(chǎn)生的回報要高于其保留效用即設計的契約要滿足下面的個人理性(ir)條件：

于是，第二階段契約設計優(yōu)化問題為：在滿足中繼節(jié)點ic和ir約束條件下，監(jiān)督節(jié)點效用的最大化：

由于監(jiān)督節(jié)點的效用是αi的減函數(shù)，中繼節(jié)點的效用是αi的增函數(shù)，因此，降低αi可提高監(jiān)督節(jié)點的效用，得知最優(yōu)的固定報酬

于是，監(jiān)督節(jié)點的效用最大化問題可簡化為

由于和因此，監(jiān)督節(jié)點提供給中繼節(jié)點最優(yōu)的契約條款為

于是，在中繼節(jié)點最優(yōu)協(xié)作努力時，中繼節(jié)點的優(yōu)化效用為監(jiān)督節(jié)點的最優(yōu)效用為

進一步地，步驟2中，協(xié)作通信激勵第一階段契約設計實現(xiàn)過程包括：

在上述兩個階段基礎上，源節(jié)點效用可簡化為：

源節(jié)點需提供給監(jiān)督節(jié)點的契約(u,v)產(chǎn)生的回報要高于其保留效用即設計的契約要滿足下面的ir條件：

于是，源節(jié)點的效用最大化問題為：在滿足監(jiān)督節(jié)點ir約束條件下，源節(jié)點效用的最大化：

由于是u的增函數(shù)而us是u的減函數(shù)，因此，要獲得最大的源節(jié)點效用，必須減少u，但至少要使得監(jiān)督節(jié)點獲得保留效用于是，最優(yōu)的固定報酬

于是，第一階段的契約設計問題可簡化為

由于和可得到最優(yōu)的契約條款：v^*＝1，

進一步地，步驟2中，所述基于契約理論的三階段stackelberg博弈模型的最優(yōu)契約設計如下：

第一階段：

第二階段：

第三階段：

中繼節(jié)點最優(yōu)效用：

監(jiān)督節(jié)點最優(yōu)的期望效用：

源節(jié)點最優(yōu)的期望效用：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的一種雙重信息非對稱環(huán)境下基于信息監(jiān)督的協(xié)作通信激勵方法，該方法針對網(wǎng)絡信息的雙重非對稱性，通過引入監(jiān)督節(jié)點，建立基于契約理論的三階段stackelberg博弈模型，以實時監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作信息，從而有效地規(guī)避契約簽訂前中繼節(jié)點私有信息引起的逆向選擇問題，保證協(xié)作通信的實現(xiàn)。并且，本發(fā)明提出的多用戶協(xié)作通信激勵方法易于實現(xiàn)，源節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信息交互較少，因而該方法所需的信令開銷較少。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的協(xié)作通信激勵方法的基于契約理論的三階段stackelberg博弈模型原理框圖。

具體實施方式

為了便于本領域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實施例假設無線協(xié)作網(wǎng)絡是一個勞動力市場。其中，源節(jié)點是雇主，監(jiān)督節(jié)點為源節(jié)點的雇員，用于實時監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作行為，同時，監(jiān)督節(jié)點是中繼節(jié)點的雇主，雇傭中繼節(jié)點為源節(jié)點提供中繼服務。

本發(fā)明通過將協(xié)作通信網(wǎng)絡映射成勞動力市場，通過引入監(jiān)督節(jié)點，建立中繼節(jié)點、監(jiān)督節(jié)點和源節(jié)點模型。在此基礎上，考慮到源節(jié)點雇傭監(jiān)督節(jié)點監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作信息，只需設計合適的契約以解決道德風險問題。建立基于契約理論的三階段stackelberg博弈模型，如圖1所示，在第一階段，源節(jié)點向監(jiān)督節(jié)點提供契約條款，以獲得自身效用最大化，在第二階段，監(jiān)督節(jié)點向中繼節(jié)點提供契約條款以獲得自身效用最大化，在第三階段，中繼節(jié)點選擇合適的中繼努力以獲得自身效用最大化。通過設置契約條款，從而有效地規(guī)避契約簽訂后中繼節(jié)點私有行為引起的道德風險問題，保證協(xié)作通信的實現(xiàn)。

(1)中繼節(jié)點模型

由于第i個中繼節(jié)點協(xié)作中繼努力ei，源節(jié)點所獲得的可用收益為πi＝θiei+δ，其中θi為每單位中繼努力所產(chǎn)生的收益，δ是服從正態(tài)分布的隨機變量δ～n(0,σ²)。

采用線性共享策略，第i個中繼節(jié)點所獲得的報酬wi可表示為wi＝αi+βiπi，其中，αi為其固定報酬，βi∈[0,1]是該節(jié)點的提成比例。不同的中繼能力和中繼努力，中繼節(jié)點會獲得不同的固定報酬和提成。

由于中繼節(jié)點付出的努力越大，他所付出的中繼成本ci(ei)也越大，并且，中繼成本會隨著付出努力的增大而增大，于是，ci′(ei)>0andci″(ei)>0。一般地，中繼成本ci(ei)可簡單表示為其中，ci為第i個中繼節(jié)點的中繼系數(shù)以描述中繼傳輸信息，如中繼信道狀態(tài)或電池性能等。

于是，第i個中繼節(jié)點的收益可定義為其數(shù)學期望和方差分別為和

假設每個中繼節(jié)點具有絕對的風險厭惡偏好，那么，其負指數(shù)效益函數(shù)可定義為其中，ρ表示中繼節(jié)點的arrow-pratt絕對風險厭惡程度，ρ越大，中繼節(jié)點越害怕風險，一般地，0≤ρ≤1。于是，基于上述假設，第i個中繼節(jié)點的期望效益為

(2)監(jiān)督節(jié)點模型

假設源節(jié)點雇傭監(jiān)督節(jié)點監(jiān)測中繼節(jié)點的協(xié)作行為，采用線性支付策略(u,v)，則監(jiān)督節(jié)點的效用可定義為：

其中，u為監(jiān)督節(jié)點的基本工資，v∈[0,1]為該節(jié)點的提成比例。

(3)源節(jié)點模型

考慮到監(jiān)督節(jié)點的監(jiān)測行為和中繼節(jié)點的協(xié)作行為，源節(jié)點的效用可表示為：

其中，u0為源節(jié)點直接通信所獲得的效用。

(4)中繼節(jié)點私有行為

假設中繼節(jié)點的私有信息θi在θ∈[θl,θh]范圍內(nèi)隨機分布，其概率密度函數(shù)為fi(θi)，分布函數(shù)為fi(θi)，其中θl<θh，fi(θi)>0。為了方便后續(xù)計算，令

(5)協(xié)作通信激勵第三階段契約設計

由于監(jiān)督節(jié)點知道中繼節(jié)點的中繼信息，監(jiān)督節(jié)點提供給第i個中繼節(jié)點的契約條款為(αi,βi)，于是，第i個中繼節(jié)點在付出中繼努力ei后獲得的效用為

為了確保中繼節(jié)點接收契約以獲得自身效用最大，契約條款需滿足以下激勵相容(incentivecompatibility,ic)約束條件：

由上述ic條件，可得到最優(yōu)的協(xié)作中繼努力于是，第i個中繼節(jié)點的效用可簡化為

(6)協(xié)作通信激勵第二階段契約設計

在第二階段，在給定源節(jié)點報酬(u,v)和中繼節(jié)點協(xié)作努力的前提下，監(jiān)督節(jié)點的效用可簡化為：

監(jiān)督節(jié)點需提供給中繼節(jié)點的契約(αi,βi)產(chǎn)生的回報要高于其保留效用即設計的契約要滿足下面的個人理性(individuallyrational,ir)條件：。

于是，第二階段契約設計優(yōu)化問題為：在滿足中繼節(jié)點ic和ir約束條件下，監(jiān)督節(jié)點效用的最大化：

由于監(jiān)督節(jié)點的效用是αi的減函數(shù)，中繼節(jié)點的效用是αi的增函數(shù)，因此，降低αi可提高監(jiān)督節(jié)點的效用，得知最優(yōu)的固定報酬

于是，監(jiān)督節(jié)點的效用最大化問題可簡化為

由于和因此，監(jiān)督節(jié)點提供給中繼節(jié)點最優(yōu)的契約條款為

于是，在中繼節(jié)點最優(yōu)協(xié)作努力時，中繼節(jié)點的優(yōu)化效用為監(jiān)督節(jié)點的最優(yōu)效用為

(7)協(xié)作通信激勵第一階段契約設計

在上述兩個階段基礎上，源節(jié)點效用可簡化為：

源節(jié)點需提供給監(jiān)督節(jié)點的契約(u,v)產(chǎn)生的回報要高于其保留效用即設計的契約要滿足下面的ir條件：

于是，源節(jié)點的效用最大化問題為：在滿足監(jiān)督節(jié)點ir約束條件下，源節(jié)點效用的最大化：

由于是u的增函數(shù)而us是u的減函數(shù)，因此，要獲得最大的源節(jié)點效用，必須減少u，但至少要使得監(jiān)督節(jié)點獲得保留效用于是，最優(yōu)的固定報酬

于是，第一階段的契約設計問題可簡化為

由于和可得到最優(yōu)的契約條款：v^*＝1，

(8)協(xié)作通信激勵模型契約優(yōu)化設計

上述三階段stackelberg博弈模型的最優(yōu)契約設計如下：

第一階段：v^*＝1，

第二階段：

第三階段：

中繼節(jié)點最優(yōu)效用：

監(jiān)督節(jié)點最優(yōu)的期望效用：

源節(jié)點最優(yōu)的期望效用：

應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。