非合作博弈在D2D通信資源分配中的應用

高男

摘要：目前5G時代已經到來，終端直通通信技術（D2D，Device-to-Device）逐漸引起人們的廣泛注意，在下一代的蜂窩移動通信系統中它也是關鍵技術之一。而非合作博弈論以其能夠最大化頻譜資源利用率的優點成為研究熱點。首先對博弈論進行簡介;其次重點介紹了幾種非合作博弈論與資源分配相結合的研究現狀;最后總結了D2D頻譜資源分配仍然存在的問題以及未來的研究方向。

關鍵詞：5G;D2D;博弈論;資源分配

中圖分類號：TN914? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0233-02

Abstract： At present， the 5G era has come， and the device-to-device （D2D） has gradually attracted widespread attention and is considered to be one of the key technologies in the next generation of cellular mobile communication systems. Non-cooperative game theory has become a research hotspot because of its advantages of maximizing spectrum resource utilization. Firstly， the game theory is introduced. Secondly， the research status of several non-cooperative game theory and resource allocation is introduced. Finally， the problems still existing in D2D spectrum resource allocation and future research directions are summarized.

Key words：5G; D2D; game theory; resource allocation

1 引言

隨著通信系統的日益擴大與逐漸完善，通信系統內的頻譜資源日漸緊張，傳統的通信方式已經不能滿足人們的通信需求，且隨著在網設備的指數級增加，通信方式以及資源利用亟需變革。博弈論作為經濟領域經典的理論系統，其經典的非合作博弈模型及囚徒困境等理論能夠較好地應用于D2D通信中的頻譜資源分配中，以達到頻譜資源被最大化、最高質量利用的目的，這樣的結合也逐漸成了頻譜資源分配的主流方式。

2 博弈論簡介

博弈論，也叫作對策論。它的幾個相關元素為：（1）參與人：參與人作為博弈過程中博弈雙方的行為選擇的主體，至少需要有2個及以上，才能形成博弈環境。（2）行動：所謂的行動，就是指參與人在博弈環境中需要以及自身條件采取一些動作的集合。（3）信息：參與人需要有博弈過程中其他參與人的一些包括行動，策略等方面的信息。（4）策略：即參與人要有對應的措施來完成方案的貫徹執行。（5）效用：即參與人需要執行策略的過程中獲得對應的收益。（6）結果：在博弈過程結束后所有參與人在過程中的策略執行的集合。（7）均衡：即所有參與者在博弈過程中選擇最佳策略的集合。

博弈理論可以依據不同的標準來進行不同的分類。例如，根據參與人之間的依賴關系，可以將博弈論分為合作博弈和非合作博弈，這其中的非合作博弈，也就是參與人之間沒有約束力的鍥約。由于非合作博弈理論考慮更多的是博弈個體之間的利益相關事件。因此更加符合面向D2D通信技術的蜂窩網絡系統的資源分配問題。當前的博弈理論研究也基本集中在非合作博弈理論的基礎之上。而作為非合作博弈最基本的解，納什均衡（Nash Equilibrium，NE）可以作為解決非合作博弈的均衡問題的唯一性標準。下面是對納什均衡的相關定義表述：

在一個N人博弈中，策略組合S = （S1，S2，…，SN）構成一個納什均衡，當且僅當：對于每一個博弈者i，i = 1，2，…，N，其策略Si是對策略組合S中的其他所有博弈者策略S?i的最優回應，即對任意Si′∈Si，Ui（Si，S?i） ≥ Ui（Si′，S?i）。同時，納什均衡實現的前提條件必須滿足：每個參與人不僅可以很清楚地知道其他參與人的均衡策略，也很清楚地了解對手很清楚地知道自己的均衡策略。也就是說，所有參與人的均衡策略是共同認知。只有這樣，納什均衡才可以實現。

3 非合作博弈在D2D通信資源分配中的研究現狀

D2D通信網絡結構示意圖如圖1所示。傳統的移動通信網絡中，通信終端的信息一般是交由基站來轉發。即使兩個移動終端之間的距離很近，而距離基站很遠的時候，或移動通信設備再蜂窩小區邊緣地帶時，信息從一個移動終端發送到另一個移動終端時，仍然是先發送到距離很遠的基站，然后再由基站轉發回來送達另一個移動終端。這種情況就會造成系統過多的消耗功耗，增加了通信系統的時延，進而降低了數據的傳輸效率。而如果采用D2D通信技術，就省去了將信息交由基站來轉發的環節，而是直接時移動設備端對端之間的直通通信。這樣從D2D通信的技術層面來看，D2D通信過程對于用戶就是完全透明的狀態。通信的過程就需要交由蜂窩通信系統來管理，而移動設備終端只需要實時的呼叫，發送信息。

目前非合作博弈論已經成功應用在了多種D2D通信的資源分配場景中，例如蜂窩系統內多D2D對用戶間的頻譜資源分配以及跨小區的D2D用戶資源分配。下文主要對非合作博弈在D2D通信資源分配中的發展現狀進行闡述。

文獻[1]提出將非合作博弈論應用于D2D通信系統頻譜資源分配中，大大提高了頻譜資源利用率。文獻[2]提出了一種SPS（Semi-PersistentScheduling）資源分配算法，在考慮頻譜資源利用率的基礎上又考慮到了同系統中D2D用戶之間的互相干擾，并將系統抗干擾性提高了13%。文獻[3]提出可以對D2D資源分配問題進行轉化，變成研究混合整數的非線性規劃問題，并設計出一種基于非合作博弈的可供選擇的啟發式資源分配方案，通過信道增益的變化來降低D2D設備對蜂窩通信系統的干擾。文獻[4]將連續二價拍賣理論引入蜂窩通信系統作為D2D通信資源分配算法。作者提出的方案是將信道資源分成一個一個連續的單元模塊，并設定成商品用來拍賣，接著將D2D移動用戶設定成競拍者來競爭設定的資源模塊，通過這種方式來獲取D2D通信模式下的最佳傳輸鏈路。文獻[5]結合Stackelberg博弈模型提出兩個算法，并利用基站與D2D用戶終端的層次交互再以D2D發射功率為基準對用戶實行收費機制，以達到綜合考慮頻譜資源復用率與用戶間干擾的最優解。文獻[6]提出一種時隙分享策略，使互為中繼的D2D用戶通過分享時隙的方式建立合作，并通過拉格朗日乘數法求解出了D2D用戶以多大時隙中繼復用彼此數據，解決了D2D用戶如何合作的問題。文獻[7]基于D2D通信系統中傳統能效函數僅能捕獲瞬時數據流量，而無法獲取特定時間段內數據流量的能效，將吞吐量和終端使用時間之積作為效用函數，以終端使用時間內的吞吐量最大化為目標，并將其建模為非合作功率控制博弈（non-conperative power control game，NPG）問題并得到其納什均衡解，不僅提升系統效用值和終端使用時間，還可以保持系統公平性。文獻[8]針對混合通信網絡中蜂窩用戶與D2D用戶同頻干擾問題，提出基于競價的D2D頻譜資源分配算法。創新地使用了注水算法并通過拉格朗日條件來優化價格。

以上大量杰出的研究工作表明，為了能夠更加合理、高效的復用有限的頻譜資源，同時盡量減少D2D用戶間干擾及用戶與基站間的上下行信道干擾，引入非合作博弈論作為研究工具是非?？扇〉模Ч彩欠浅３晒Φ?。

4 結束語

目前基于非合作博弈的D2D資源分配研究已經可以說是較為全面了，無論是在用戶間的信息傳輸速率還是在用戶與用戶或基站間的干擾方面都有了長足的考慮與深入研究。但若用戶處于高速移動中等情況下，這種資源分配的有效率便無法保證，目前還沒有一個有效的解決方法能夠應用于這種復雜的場景中。而且隨著現代通信技術的飛速發展以及5G下一步的全面鋪開，入網用戶勢必會越來越多，用戶們對于Qos也一定會有更高的要求。

對于未來的D2D資源分配研究方向，研究者應該關注于如何能在更高速或者更極端的情況下能夠盡快完成D2D用戶的身份識別、信息傳遞以及資源的分配，尤其是在5G全面鋪開后，面對越來越大比特的信息的用戶間的傳輸，如何能夠讓用戶更快地收到自己想要的信息，又如何能保證整個系統中的所有用戶的Qos，甚至在這種高速的發展狀態下，如何能時刻保持著頻譜資源的高效利用，這都是亟需我們解決的問題，所以基于非合作博弈的D2D資源分配技術在未來將越來越是一個值得研究的方向。

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