探研性價(jià)比最大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)辦法

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1基于博弈論的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇策略

1.1非合作博弈模型

傳統(tǒng)的同構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇絕大部分基于用戶接收信號(hào)強(qiáng)度這一要素，著重提高網(wǎng)絡(luò)的切換成功率，保證用戶的服務(wù)質(zhì)量不受影響，但卻忽視了系統(tǒng)的非合作行為。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)選擇涉及到了其它的網(wǎng)絡(luò)，選擇的結(jié)果會(huì)對(duì)自身的收益產(chǎn)生較大影響。這就要求網(wǎng)絡(luò)選擇不能僅僅以信號(hào)強(qiáng)度為條件，而是要綜合考慮其它更多的因素比如自身收益、資源利用率和用戶公平性等。各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間為平等的非合作競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，通過價(jià)格調(diào)整、服務(wù)質(zhì)量提升等策略吸引用戶，提高自身收益，并且異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間不存在共謀壟斷,該關(guān)系建模為非合作博弈模型。非合作博弈模型中的要素包括參與者、策略和收益。作為博弈參與者的運(yùn)營(yíng)商總是希望能夠獲得最大的利潤(rùn)，通過各種渠道吸引用戶，最有效的辦法就是服務(wù)價(jià)格的調(diào)整。降低服務(wù)價(jià)格可以吸引到較多的用戶，從而在一定程度上增加收益，但是如果價(jià)格過低，用戶雖然增多了，利潤(rùn)反而會(huì)下降。反之，提升服務(wù)價(jià)格會(huì)增加運(yùn)營(yíng)商的收益，但會(huì)造成一定數(shù)量的用戶流失，利潤(rùn)也會(huì)下降。作用網(wǎng)絡(luò)的使用者，價(jià)格并不是網(wǎng)絡(luò)選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量也是重要指標(biāo)之一，因此網(wǎng)絡(luò)選擇的策略定義為服務(wù)質(zhì)量與價(jià)格的比值最大化的原則。首先，各個(gè)接入網(wǎng)為了吸引用戶獲取利潤(rùn)，調(diào)整價(jià)格策略，采用非合作博弈的模型得到納什均衡解，及當(dāng)前狀態(tài)下的最優(yōu)價(jià)格；其次，通過公共信息模塊獲取各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，得到歸一化的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)；最后，選取服務(wù)質(zhì)量與納什均衡價(jià)格的比值最大的網(wǎng)絡(luò)作為首選接入網(wǎng)。上述網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制有兩個(gè)前提需要解決：公共信息模塊的定義和服務(wù)質(zhì)量的度量。3GPP針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)機(jī)制制定了接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與選擇功能模塊（ANDSF）和IEEE802.21工作組制定MIH功能提供的媒體獨(dú)立信息服務(wù)（MIIS），ANDSF及MIIS可以作為公共信息模塊，用于收集和存儲(chǔ)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息及策略，用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的選擇機(jī)制。ANDSF功能和MIIS服務(wù)給出了接口約束，需要外部定義具體功能以及與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)交互的詳細(xì)過程。服務(wù)質(zhì)量是服務(wù)性能屬性的組合度量，從應(yīng)用層的角度考慮包括吞吐量Ti、時(shí)延Di、時(shí)延抖動(dòng)Ji等指標(biāo)，每個(gè)QoS參數(shù)到其對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量的映射關(guān)系定義為在區(qū)域b處的多維服務(wù)質(zhì)量：/bJbDbMINiMAXiMINibbiJMINiMAXiMINibbiDMINiMAXibiMAXbiTTbiJJJJDDDDTTTTQλλλλ+λ+λ其中是各個(gè)參數(shù)在服務(wù)質(zhì)量中貢獻(xiàn)的權(quán)值，表示其重要程度。,,bJbDbTλλλ異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入模型建立為非合作博弈模型，n個(gè)參與者參加的博弈，分別代表n個(gè)接入網(wǎng)，參與者的策略空間分別為，效用函數(shù)為，該博弈可以表示為。nS,...,S1nu,...,u1{,...,;,...,}1n1nG=SSuu假定該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在IEEE802.16WMAN，TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)以及IEEE802.11WLAN三種網(wǎng)絡(luò)，WMAN的覆蓋范圍最大，其次是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，WLAN的覆蓋范圍最小。不失一般性，三種網(wǎng)絡(luò)相互重疊如1所示，處在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的用戶至多能夠有另外兩種網(wǎng)絡(luò)可以選擇接入。

2收益函數(shù)

網(wǎng)絡(luò)的收益是價(jià)格和所使用帶寬的函數(shù)，其中價(jià)格參數(shù)是博弈的結(jié)果，而帶寬參數(shù)按如下公式給出其與價(jià)格的函數(shù)關(guān)系。,,bkbikbjbijbibibibiWPTpppb=ξ+ν+νi,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}，表示在區(qū)域b每個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供的價(jià)格，kbjbibP=ppp(b)iT表示網(wǎng)絡(luò)i的用戶申請(qǐng)到的資源總量，表示網(wǎng)絡(luò)i的用戶對(duì)本網(wǎng)價(jià)格的負(fù)反饋系數(shù)，iξ,bijν表示由于網(wǎng)絡(luò)j價(jià)格的調(diào)整轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)i的流量的系數(shù)。定義網(wǎng)絡(luò)i的收益為，網(wǎng)絡(luò)的收益由兩部分構(gòu)成：用戶流量的收益和網(wǎng)絡(luò)的成本。用戶流量產(chǎn)生的收益是當(dāng)前流量與價(jià)格的乘積，網(wǎng)絡(luò)的成本只考慮網(wǎng)絡(luò)的剩余容量的影響。網(wǎng)絡(luò)剩余容量越多，運(yùn)營(yíng)商為此將付出更多的維護(hù)成本，其收益將會(huì)減少，因此，必然調(diào)整價(jià)格吸引更多的用戶。iRP2=∑∑∈∈ibAbbiibAibibbibiCCWPRPWPpeii(3)其中表示成本因子，表示任意一個(gè)接入網(wǎng)的容量，可以用下式近似表示：ieiClog(1)2iiSINRSINRiiiSSBCΔε==+，imax,iε≤ε其中代表載波帶寬，代表信噪比，iBiSINRSiSINRΔS為實(shí)際頻譜效率相對(duì)于香農(nóng)容量頻譜效率在信噪比上的偏移量，max,iε為最大頻譜效率。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的分析，在接入網(wǎng)的實(shí)際最大頻譜效率和作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，接入網(wǎng)的實(shí)際頻譜效率可以近似表示為香農(nóng)容量表示的頻譜效率的偏移，就信噪比而言其偏移大小為max,iεiSINRΔSiεiSINRΔS。收益函數(shù)是博弈參與者在博弈過程中所獲得收益的度量，選擇何種收益函數(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)選擇而言至關(guān)重要。

3非合作博弈納什均衡納什均衡定義

在有n個(gè)RPPRPPPPiniiiiiiii(,)(,),1,2,...,*''*≥≠=(5)argmax**1*1*1*iiiiinPRPPPPP+∈納什均衡解為1*nP=PP納什均衡解存在的條件是：收益函數(shù)為嚴(yán)格的凹函數(shù)。由于是關(guān)于的二次函數(shù)，故上述條件滿足。(b)iRP(b)iRP(b)ip納什均衡的求解通?？梢酝ㄟ^對(duì)收益函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)，并使得偏導(dǎo)數(shù)為零，建立方程組而求得。分別對(duì)求的偏導(dǎo)數(shù)后得到如下方程組：ijkR,R,R,,bbbijkppp=++==++==++=220220220,,,,,,bkkbkibkibjbkjbkbkbkbkkbjjbjkbjkbibjibjbjbjbjjbiibikbikbjbijbibibibiiCeTppppRCeTppppRCeTppppRξννξξννξξννξ令，,=****bbbbkjipppP=,,,,,,222bkbkjbkibjkbjbjibikbijbiAννξνξνξνν=222bkbkkkbjbjjjbibiiiTCeTCeTCeCξξξ故由式子可以得到納什均衡解為：PAC(9)*(b)1=2.4網(wǎng)絡(luò)選擇策略異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇采用性價(jià)比最大化的策略，其選擇過程如2所示。公共信息模塊收集各個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的流量、延遲、抖動(dòng)等信息，計(jì)算在區(qū)域b處各個(gè)接入網(wǎng)對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量。在有n個(gè)參與者的非合作博弈中，給定參與者的策略空間及效用空間，如果每一個(gè)人所采取的策略都是針對(duì)其它所有參與者所選策略的最優(yōu)反應(yīng)策略，即得到最大效用，則該最優(yōu)策略空間為一個(gè)納什均衡解。由于用戶的切換造成網(wǎng)絡(luò)流量的變化，觸發(fā)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)價(jià)格的調(diào)整，為了收益最大化，網(wǎng)絡(luò)按照上述的非合作博弈模型通過博弈得到各自的最優(yōu)價(jià)格。終端根據(jù)從公共信息模塊獲取的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性價(jià)比(b)iQ*(b)ip*bipQbi，選取具有最大性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)作為新的接入網(wǎng)。該策略的復(fù)雜度體現(xiàn)在兩個(gè)方面：服務(wù)質(zhì)量信息的收集和非合作博弈價(jià)格的計(jì)算。服務(wù)質(zhì)量信息的收集部分是和各個(gè)網(wǎng)絡(luò)交互提取所需的流量、延遲等信息，可以采取定期更新的方式完成；而非合作博弈價(jià)格的計(jì)算依照公式可以完成，現(xiàn)實(shí)中同時(shí)覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)目通常較少，故公式的運(yùn)算復(fù)雜度較低。

4仿真與分析

由于采用性價(jià)比最大化的原則選取接入網(wǎng)絡(luò)，在IEEE802.11的QoS值較低的情況下，用戶主要集中在TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)中，為了增大利潤(rùn)IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)必然盡可能降低價(jià)格吸引用戶，導(dǎo)致TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)的人數(shù)呈下降趨勢(shì)。在QoS達(dá)到0.5之后IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)增速放緩，并呈現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢(shì)。選擇同時(shí)具有三種網(wǎng)絡(luò)接入可能的區(qū)域作為研究對(duì)象，依據(jù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是54Mbps，帶寬20MHz，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是384Kbps，帶寬1.6MHz，IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是300Mbps，帶寬20MHz。該博弈模型中涉及的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較多，仿真過程僅討論網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果與其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量之間的變化關(guān)系，故模型中參數(shù)的選擇對(duì)每個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均同等對(duì)待。假定在某一具有120個(gè)多模終端的區(qū)域中，每個(gè)終端對(duì)三種網(wǎng)絡(luò)都具備接入功能。表明了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇人數(shù)隨IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)QoS值的變化情況。這主要是由于IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)在用戶數(shù)達(dá)到一定程度之后，再增加利潤(rùn)必須依靠?jī)r(jià)格提升才能達(dá)到，同時(shí)價(jià)格的升高會(huì)導(dǎo)致部分用戶的流失。TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)為了能夠維持用戶數(shù)及足夠的利潤(rùn)也會(huì)在此時(shí)調(diào)整價(jià)格，從而形成此消彼長(zhǎng)的用戶變化模式。

作者：宋建鋒 李建東 單位：西安電子科技大學(xué)