性價比最大化的異構網(wǎng)絡博弈選擇策略

宋建鋒,李建東

(西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

性價比最大化的異構網(wǎng)絡博弈選擇策略

宋建鋒,李建東

(西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

給出了一個基于博弈論的異構網(wǎng)絡選擇策略.依據(jù)異構網(wǎng)絡提供的綜合服務質(zhì)量和價格策略,以最大化網(wǎng)絡的整體收益為目的,構造異構網(wǎng)絡的非合作博弈模型;利用納什均衡結果,建立以服務質(zhì)量與價格比最大化原則選擇的接入網(wǎng)絡策略.分析及仿真結果驗證了該策略的優(yōu)越性.

異構網(wǎng)絡;網(wǎng)絡選擇策略;非合作博弈;納什均衡

伴隨寬帶無線通信技術的飛速發(fā)展,很多無線終端具備接入多種不同類型無線網(wǎng)絡的能力,而這些異構無線網(wǎng)絡也趨于融合[1-2],共同為終端用戶提供多樣的服務.當多模終端位于多個異構接入網(wǎng)絡的重疊覆蓋區(qū)域時,多模終端用戶的不同連接,既能夠同時利用多個網(wǎng)絡接口接入不同的無線網(wǎng)絡,獲取多個網(wǎng)絡提供的資源及服務,達到負載均衡的目的,也能夠利用合適的切換策略,單獨選擇某個無線接入網(wǎng)絡,從而帶來更好的服務質(zhì)量.優(yōu)良的網(wǎng)絡選擇機制將會提升用戶的滿意度,優(yōu)化網(wǎng)絡的資源分配.

筆者依據(jù)異構網(wǎng)絡提供的綜合服務質(zhì)量和價格策略,以最大化網(wǎng)絡的整體收益為目的,構造異構網(wǎng)絡的非合作博弈模型,給出了一個基于博弈論的異構網(wǎng)絡選擇策略.利用納什均衡結果,建立以服務質(zhì)量與價格比最大化原則選擇的接入網(wǎng)絡策略.

1 相關工作

網(wǎng)絡接入選擇是異構網(wǎng)絡資源管理中的一個重要方面,接入選擇方案的研究已經(jīng)成為無線通信領域比較熱門的一個方向.傳統(tǒng)的網(wǎng)絡選擇方法是每個接入網(wǎng)絡設置信號強度閾值,移動節(jié)點比較網(wǎng)絡信號強度和閾值的關系,從而做出切換判決.該方法雖然能夠確保用戶成功切換到下一個網(wǎng)絡,但沒有考慮到用戶服務質(zhì)量保證的問題和運營商收益的問題.基于博弈論的網(wǎng)絡接入選擇方法能夠較好地解決這一問題[3-9],同時提升了運營商的收益.文獻[3]基于非合作博弈理論,依據(jù)用戶實際的接收信號質(zhì)量、接入網(wǎng)特性以及網(wǎng)絡的資源分配方式,得到用戶接入網(wǎng)絡的實際速率,建立了異構網(wǎng)絡的用戶接入選擇模型,并利用離散量子粒子群算法來求解納什均衡,確定用戶的接入網(wǎng).但沒有考慮接入網(wǎng)的服務質(zhì)量的問題,而僅借助于價格來進行選擇.文獻[4]研究了異構無線網(wǎng)絡中的定價策略問題,分別基于非合作同時博弈與非合作先后博弈理論建立了異構網(wǎng)絡的定價模型,得到相應的納什均衡解和斯坦克爾伯格均衡解,同時基于合作博弈理論確定定價模型,各異構網(wǎng)絡按照Shapley值公平分配合作收益.雖然給出了較好的定價策略及納什均衡結果,但并沒有應用于網(wǎng)絡選擇的具體方案.文獻[5]基于非合作博弈理論,提出了一種異構網(wǎng)絡的區(qū)分定價模型,構造無線網(wǎng)絡和用戶的效用函數(shù),優(yōu)化異構網(wǎng)絡的選擇策略,使得對QoS的指標影響最小,在網(wǎng)絡和用戶遵守定價策略的前提下能夠達到納什均衡.當現(xiàn)有網(wǎng)絡數(shù)目較少時,該定價策略對新出現(xiàn)的網(wǎng)絡表現(xiàn)出較高的敏感度,在現(xiàn)有網(wǎng)絡數(shù)目較多時,定價策略對新出現(xiàn)的網(wǎng)絡的敏感度較低.文獻[6]提出了一個在異構網(wǎng)絡中分配無線資源的經(jīng)濟學模型,在用戶分配帶寬接近請求帶寬的情況下,建立異構網(wǎng)絡總收益的閉合表達式,提高了碼分多址(CDMA)和無線局域網(wǎng)(WLAN)中的總體收益,但沒有考慮網(wǎng)絡服務質(zhì)量的影響.文獻[7]提出了一種量化接入系統(tǒng)服務質(zhì)量的統(tǒng)一評價模型及基于最優(yōu)用戶性價比的網(wǎng)絡選擇決策方法,基于合作與非合作博弈論方法建立了網(wǎng)絡價格策略的兩種博弈模型,通過納什均衡價格確定網(wǎng)絡優(yōu)化定價機制,但其性能評價機制沒有考慮到其他服務質(zhì)量(QoS)因素,而僅僅以吞吐量作為性能指標.

筆者依據(jù)異構網(wǎng)絡提供的服務質(zhì)量和價格策略,最大化用戶體驗和異構網(wǎng)絡的整體收益,建立非合作博弈模型,構建異構網(wǎng)絡的統(tǒng)一服務質(zhì)量定義,利用納什均衡結果依據(jù)服務質(zhì)量價格比最大化原則選擇合適的接入網(wǎng)絡.

2 基于博弈論的異構網(wǎng)絡選擇策略

2.1 非合作博弈模型

傳統(tǒng)的同構無線網(wǎng)絡選擇絕大部分是基于用戶接收信號強度這一要素來著重提高網(wǎng)絡的切換成功率的.這樣雖然可保證用戶的服務質(zhì)量不受影響,但卻忽視了系統(tǒng)的非合作行為.在異構無線網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡選擇涉及到了其他的網(wǎng)絡,選擇的結果會對自身的收益產(chǎn)生較大影響.這就要求網(wǎng)絡選擇不能僅僅以信號強度為條件,而是要綜合考慮其他更多的因素,比如自身收益、資源利用率和用戶公平性等.

各異構網(wǎng)絡之間是平等的非合作競爭關系,可通過價格調(diào)整、服務質(zhì)量提升等策略來吸引用戶,來提高自身的收益,并且異構網(wǎng)絡之間不存在共謀壟斷.該關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營商總是希望能夠獲得最大的利潤,通過各種渠道來吸引用戶,其最有效的辦法就是服務價格的調(diào)整.降低服務價格可以吸引到較多的用戶,從而在一定程度上增加了收益.但是如果價格過低,用戶雖然增多了,利潤反而會下降;反之,提升服務價格會增加運營商的收益,但會造成一定數(shù)量的用戶流失,利潤也會下降.

作為網(wǎng)絡的使用者,價格并不是網(wǎng)絡選擇的惟一標準,網(wǎng)絡的服務質(zhì)量也是重要指標.因此,網(wǎng)絡選擇的策略定義為服務質(zhì)量與價格的比值最大化的原則.首先,各個接入網(wǎng)為了吸引用戶獲取利潤,調(diào)整價格策略,采用非合作博弈的模型得到納什均衡解,及當前狀態(tài)下的最優(yōu)價格;其次,通過公共信息模塊獲取各個網(wǎng)絡的服務質(zhì)量參數(shù),得到歸一化的服務質(zhì)量指標;最后,選取服務質(zhì)量與納什均衡價格的比值最大的網(wǎng)絡作為首選接入網(wǎng).

上述網(wǎng)絡選擇機制有兩個前提需要解決:公共信息模塊的定義和服務質(zhì)量的度量.3GPP針對異構網(wǎng)絡的發(fā)現(xiàn)機制,制定了接入網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)與選擇功能模塊(ANDSF)和IEEE 802.21工作組制定介質(zhì)獨立切換(MIH)功能提供的媒體獨立信息服務(MIIS).ANDSF及MIIS可以作為公共信息模塊,用于收集和存儲異構網(wǎng)絡信息及策略,以及用于異構網(wǎng)絡的選擇機制.ANDSF功能和MIIS服務給出了接口約束,需要外部定義具體功能以及與異構網(wǎng)絡交互的詳細過程.

服務質(zhì)量是服務性能屬性的組合度量,從應用層的角度考慮包括吞吐量Ti、時延Di、時延抖動Ji等指標,每個QoS參數(shù)到其對應的服務質(zhì)量的映射關系定義為在區(qū)域b處的多維服務質(zhì)量,即

異構網(wǎng)絡的接入模型建立為非合作博弈模型,n個參與者參加的博弈分別代表n個接入網(wǎng),參與者的策略空間分別為S1,S2,…,Sn,效用函數(shù)為u1,u2,…,un,該博弈可以表示為G={S1,S2,…,Sn;u1,u2,…,un}.

假定該異構網(wǎng)絡中存在IEEE 802.16 WMAN、TDSCDMA蜂窩網(wǎng)以及IEEE802.11 WLAN 3種網(wǎng)絡,WMAN的覆蓋范圍最大,其次是TD-SCDMA網(wǎng)絡,WLAN的覆蓋范圍最小.不失一般性,3種網(wǎng)絡相互重疊如圖1所示,處在某個網(wǎng)絡中的用戶至多能夠有另外兩種網(wǎng)絡可以選擇接入.

圖1 異構網(wǎng)絡模型

2.2 收益函數(shù)

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)對于網(wǎng)絡選擇至關重要.網(wǎng)絡的收益是價格和所使用帶寬的函數(shù),其中價格參數(shù)是博弈的結果,而帶寬參數(shù)與價格的函數(shù)關系[4,7]為

其中,i,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}表示在區(qū)域b每個網(wǎng)絡提供的價格;表示網(wǎng)絡i的用戶申請到的資源總量;表示網(wǎng)絡i的用戶對本網(wǎng)價格的負反饋系數(shù)表示由于網(wǎng)絡j價格的調(diào)整轉移到網(wǎng)絡i的流量的系數(shù).

定義網(wǎng)絡i的收益為Ri(P(b)),網(wǎng)絡的收益由兩部分構成:用戶流量的收益和網(wǎng)絡的成本.用戶流量產(chǎn)生的收益是當前流量與價格的乘積,網(wǎng)絡的成本只考慮網(wǎng)絡的剩余容量的影響.網(wǎng)絡剩余容量越多,運營商為此將付出更多的維護成本,其收益將會減少.因此,應調(diào)整價格來吸引更多的用戶.故網(wǎng)絡i的收益Ri(P(b))為

其中,ei表示成本因子,Ci表示任意一個接入網(wǎng)的容量,近似表示[3-9]為

其中,Bi代表載波帶寬,SSINRi代表信噪比,ΔSSINRi為實際頻譜效率相對于香農(nóng)容量頻譜效率在信噪比上的偏移量,εmax,i為最大頻譜效率.根據(jù)文獻[10]的分析,在接入網(wǎng)的實際最大頻譜效率εmax,i和ΔSSINRi作為網(wǎng)絡設計參數(shù)的情況下,接入網(wǎng)的實際頻譜效率εi可以近似表示為香農(nóng)容量表示的頻譜效率的偏移,其偏移大小為ΔSSINR

i.

2.3 非合作博弈納什均衡

納什均衡定義:在有n個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,如果每一個人所采取的策略都是針對其他所有參與者所選策略的最優(yōu)反應策略,即得到最大效用,則該最優(yōu)策略空間為一個納什均衡解,即

納什均衡的求解通常可以通過對收益函數(shù)求偏導數(shù),并使得偏導數(shù)為零,建立方程組而求得.分別對

Ri、Rj和Rk求和的偏導數(shù)后,得到如下方程組:

故由式(8)可以得到納什均衡解為

2.4 網(wǎng)絡選擇策略

異構網(wǎng)絡選擇采用性價比最大化的策略,其選擇過程如圖2所示.公共信息模塊收集各個異構網(wǎng)絡的流量、延遲、抖動等信息,計算在區(qū)域b處各個接入網(wǎng)對應的服務質(zhì)量.由于用戶的切換造成網(wǎng)絡流量的變化,觸發(fā)各個網(wǎng)絡價格的調(diào)整,為了收益最大化,網(wǎng)絡按照上述的非合作博弈模型通過博弈得到各自的最優(yōu)價格終端根據(jù)從公共信息模塊獲取的各個網(wǎng)絡的性價比選取具有最大性價比的網(wǎng)絡i*作為新的接入網(wǎng).該策略的復雜度體現(xiàn)在兩個方面:服務質(zhì)量信息的收集和非合作博弈價格的計算.服務質(zhì)量信息的收集部分是和各個網(wǎng)絡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;而非合作博弈價格的計算依照式(9)可以完成.現(xiàn)實中同時覆蓋的異構網(wǎng)絡數(shù)目通常較少,故式(9)的運算復雜度較低.

圖2 異構網(wǎng)絡選擇策略

3 仿真與分析

選擇同時具有3種網(wǎng)絡接入可能的區(qū)域作為研究對象,依據(jù)各個網(wǎng)絡的標準設定IEEE 802.11網(wǎng)絡的吞吐量為54 Mbit/s,帶寬為20 MHz;TDSCDMA網(wǎng)絡的吞吐量為384 kbit/s,帶寬為1.6 MHz;IEEE 802.16網(wǎng)絡的吞吐量為300 Mbit/s,帶寬為20 MHz.該博弈模型中涉及的網(wǎng)絡參數(shù)較多,仿真過程僅討論網(wǎng)絡選擇結果與其中一個網(wǎng)絡的服務質(zhì)量之間的變化關系,故模型中參數(shù)的選擇對每個異構網(wǎng)絡均同等對待.假定在某一具有120個多模終端的區(qū)域中,每個終端對3種網(wǎng)絡都具備接入功能.圖3表明了各個網(wǎng)絡選擇人數(shù)隨IEEE 802.11網(wǎng)絡QoS值的變化情況.由于采用性價比最大化的原則選取接入網(wǎng)絡,在IEEE 802.11的QoS值較低的情況下,用戶主要集中在TD-SCDMA和IEEE 802.16網(wǎng)絡中,為了增大利潤,IEEE 802.11網(wǎng)絡應盡可能地降低價格,吸引用戶,導致TD-SCDMA和IEEE 802.16網(wǎng)絡的人數(shù)呈下降趨勢.在QoS達到0.5之后,IEEE 802.11網(wǎng)絡的用戶數(shù)增速放緩,并呈現(xiàn)波動態(tài)勢.這主要是由于IEEE 802.11網(wǎng)絡在用戶數(shù)達到一定程度之后,再增加利潤必須依靠價格提升才能達到,同時價格的升高會導致部分用戶的流失.TD-SCDMA和IEEE 802.16網(wǎng)絡為了能夠維持用戶數(shù)及足夠的利潤也會在此時調(diào)整價格,從而形成此消彼長的用戶變化模式.

圖3 網(wǎng)絡選擇人數(shù)隨IEEE 802.11服務質(zhì)量Q的變化關系

4 結束語

依據(jù)異構網(wǎng)絡提供的服務質(zhì)量和價格策略,最大化用戶體驗和異構網(wǎng)絡的整體收益,建立了非合作博弈模型,采用取偏導的方法得到非合作博弈模型的納什均衡解.依據(jù)服務質(zhì)量價格比最大化原則,并結合網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測,設計了一個基于博弈策略的異構無線網(wǎng)絡接入選擇算法.分析及仿真過程給出了異構網(wǎng)絡選擇人數(shù)隨網(wǎng)絡服務質(zhì)量的變化關系,驗證了該策略的有效性.

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(編輯:齊淑娟)

Gaming network selection scheme considering performance-price ratio maximization in heterogeneous wireless networks

SONG Jianfeng,LI Jiandong
(State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A heterogeneous network selection scheme based on game theory is proposed.A noncooperation game model is formed which is aimed to maximize the overall profits of heterogeneous networks according to the integrated quality of service and the pricing scheme of each network.The network selection scheme is proposed to maximize the result of the quality of service versus price by means of Nash Equilibrium of the game.Analysis and simulation results validate the advantage of the scheme.

heterogeneous network;network selection scheme;non-cooperation game;nash equilibrium

TN929.5

A

1001-2400(2014)01-0018-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.004

2012-12-06 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間:

時間:2013-09-16

國家自然科學基金重點資助項目(61231008);國家973計劃資助項目(2009CB320404,2012CB315803);長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT0852);國家自然科學基金資助項目(60972048,60972047);國家重點實驗室專項基金資助項目(ISN01080301);高等學校創(chuàng)新引智111計劃資助項目(B08038);教育部科學技術研究重點資助項目(107103);中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(K50510030008,K505120300,K5051303016);陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2010JM8027)

宋建鋒(1978-),男,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:jfsong@mail.xidian.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.23_029.html