[论文解读] A Contract-based Incentive Mechanism for Energy Harvesting-based Internet of Things

Zhanwei Hou, He Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于契约理论的激励机制，用于在基于射频（RF）能量采集的物联网系统中，实现数据接入点（DAP）与能量接入点（EAP）之间的能量交易，通过设计针对不同类型的契约来克服信息不对称问题，确保个体理性与激励相容。该机制最大化DAP的期望效用与社会福利，在信息不对称条件下实现超过85%的最优性能。

ABSTRACT

By enabling wireless devices to be charged wirelessly and remotely, radio frequency energy harvesting (RFEH) has become a promising technology to power the unattended Internet of Things (IoT) low-power devices. To enable this, in future IoT networks, besides the conventional data access points (DAPs) responsible for collecting data from IoT devices, energy access points (EAPs) should be deployed to transfer radio frequency (RF) energy to IoT devices to maintain their sustainable operations. In practice, the DAPs and EAPs may be operated by different operators and a DAP should provide certain incentives to motivate the surrounding EAPs to charge its associated IoT device(s) to assist its data collection. Motivated by this, in this paper we develop a contract theory-based incentive mechanism for the energy trading in RFEH assisted IoT systems. The necessary and sufficient condition for the feasibility of the formulated contract is analyzed. The optimal contract is derived to maximize the DAP's expected utility as well as the social welfare. Simulation results demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed incentive mechanism.

研究动机与目标

• 解决在RFEH（射频能量采集）物联网系统中信息不对称的问题，其中EAP可能虚报其私有信息（如能量成本和信道条件）。
• 设计一种激励机制，使EAP通过契约选择真实揭示其类型，从而克服能量交易中的逆向选择问题。
• 在不完全信息的多类型EAP环境中，最大化DAP的期望效用与整体社会福利。
• 设计一种可行的契约方案，满足在信息不对称条件下个体理性（IR）与激励相容（IC）约束。
• 评估所提机制相对于基准方案的性能，包括具有完全信息的最优方案与线性定价方案。

提出的方法

• DAP设计一组针对不同EAP类型的能量-奖励对（契约），每类EAP对应唯一的能量成本与信道增益组合。
• 利用契约理论建模在逆向选择下的激励机制，确保EAP自我选择其对应类型的契约。
• 通过求解约束优化问题推导最优契约，以在满足IR与IC条件的前提下最大化DAP的期望效用。
• IR条件确保每个EAP在选择其对应契约时获得非负效用；IC条件确保任何EAP均无法通过选择其他契约获得更高收益。
• 系统将EAP建模为具有私有类型的异构代理，DAP通过契约选择所揭示的类型来推断其私有信息。
• 通过仿真评估性能，参数包括路径损耗、噪声功率与信道增益，以吞吐量与社会福利作为关键指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 DAP如何设计激励机制，以在RFEH物联网系统中从具有自利动机的EAP处获取其关于能量成本与信道增益的私有信息的诚实披露？
• RQ2 何种契约结构可确保在信息不对称下同时满足个体理性与激励相容？
• RQ3 所提出的基于契约的机制在性能上与具有完全信息的最优解相比有多接近？
• RQ4 在信息不对称条件下，所提机制与线性定价方案在社会福利方面相比如何？
• RQ5 信道质量（γ）对所提激励机制性能有何影响？

主要发现

• 所提出的基于契约的机制同时满足个体理性与激励相容约束，确保EAP通过选择为其类型设计的契约真实揭示其类型。
• 仿真结果表明，仅当EAP选择专为其自身类型定制的契约时，其效用达到最大值，证实IC条件得到满足。
• 所提机制实现的社会福利超过完全信息下最优社会福利的85%，尤其在信噪比（γ）增大时表现更优。
• 所提机制的性能趋近于具有完全信息的最优方案的上界，证明其在克服信息不对称方面的有效性。
• 相比之下，线性定价方案实现的社会福利不足最优社会福利的50%，凸显忽略EAP异质性的低效性。
• 该机制使DAP能够通过契约选择推断EAP的私有信息（类型），有效解决了能量交易中的逆向选择问题。