[论文解读] Power Allocation and Pricing in Multi-User Relay Networks Using Stackelberg and Bargaining Games

Qian Cao, Huanhuan Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文提出了一种两级博弈论框架，用于多用户中继网络中的功率分配与定价，采用斯塔克尔伯格博弈进行中继定价，采用卡尔ai-斯莫罗丁斯基讨价还价解（KSBS）实现用户间的公平功率分配。该方法在实现接近总速率最优性能的同时，显著提升了公平性，相比等功率分配更具优势，仿真结果验证了其与供需动态的一致性。

ABSTRACT

This paper considers a multi-user single-relay wireless network, where the relay gets paid for helping the users forward signals, and the users pay to receive the relay service. We study the relay power allocation and pricing problems, and model the interaction between the users and the relay as a two-level Stackelberg game. In this game, the relay, modeled as the service provider and the leader of the game, sets the relay price to maximize its revenue; while the users are modeled as customers and the followers who buy power from the relay for higher transmission rates. We use a bargaining game to model the negotiation among users to achieve a fair allocation of the relay power. Based on the proposed fair relay power allocation rule, the optimal relay power price that maximizes the relay revenue is derived analytically. Simulation shows that the proposed power allocation scheme achieves higher network sum-rate and relay revenue than the even power allocation. Furthermore, compared with the sum-rate-optimal solution, simulation shows that the proposed scheme achieves better fairness with comparable network sum-rate for a wide range of network scenarios. The proposed pricing and power allocation solutions are also shown to be consistent with the laws of supply and demand.

研究动机与目标

• 解决在多用户无线网络中，节点为自私而非利他时，激励中继协作的挑战。
• 设计一种定价机制，使中继在确保用户间公平功率分配的同时，实现收益最大化。
• 利用斯塔克尔伯格博弈对中继（领导者）与用户（追随者）之间的互动进行建模，以实现最优定价。
• 通过基于卡尔ai-斯莫罗丁斯基讨价还价解（KSBS）的协作讨价还价博弈，解决用户间的功率竞争，实现公平性。
• 在实际约束条件下，实现网络总速率、公平性与中继收益之间的平衡。

提出的方法

• 将中继-用户互动建模为两级斯塔克尔伯格博弈：中继作为领导者设定单位功率价格以最大化收益，用户作为追随者选择其功率购买量。
• 应用卡尔ai-斯莫罗丁斯基讨价还价解（KSBS）对中继功率在用户间进行公平分配，确保比例公平性与个体理性。
• 将中继功率分配问题转化为凸优化问题，可通过高效的数值方法求解。
• 基于KSBS驱动的功率分配与用户需求函数，解析推导出最优中继价格。
• 采用放大转发中继以最小化计算复杂度，同时保持性能。
• 在静态信道条件下，通过仿真验证框架在不同中继功率约束与价格设置下的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户中继网络中，中继如何在公平分配给多个自私用户功率的同时，实现自身收益最大化？
• RQ2 何种定价策略可确保在用户功率需求与公平性约束下，中继收益最大化？
• RQ3 与等功率分配和总速率最优分配相比，所提出的基于KSBS的功率分配在公平性与总速率方面表现如何？
• RQ4 所提出的方案在多大程度上反映了供需经济规律？
• RQ5 博弈论框架能否在保持公平性与高中继收益的同时，实现接近最优的总速率？

主要发现

• 所提出的基于KSBS的方案在最优价格下达到归一化速率差值为0.7701，显著低于总速率最优解（0.8652），表明其公平性更优。
• 当中继功率价格为λ = 0.0027时，中继收益达到峰值，91%的总中继功率被售出，且与总速率最优解的总速率差异仅为2%。
• 与等功率分配相比，所提方案在收益最大化价格（λ = 0.0047）下，中继收益更高，总速率提升23%。
• 当中继功率约束为25 dB时，所提方案与总速率最优解的总速率差异小于6%，表明其性能接近最优。
• 最优中继价格随中继功率增加而下降，验证了系统中供需规律的存在。
• 在所有测试场景中，所提方案在公平性（更低的速率差值）与网络总速率方面均持续优于等功率分配方案。