性价比最大化的异构网络博弈选择策略

宋建锋,李建东

(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071)

性价比最大化的异构网络博弈选择策略

宋建锋,李建东

(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071)

给出了一个基于博弈论的异构网络选择策略.依据异构网络提供的综合服务质量和价格策略,以最大化网络的整体收益为目的,构造异构网络的非合作博弈模型;利用纳什均衡结果,建立以服务质量与价格比最大化原则选择的接入网络策略.分析及仿真结果验证了该策略的优越性.

异构网络;网络选择策略;非合作博弈;纳什均衡

伴随宽带无线通信技术的飞速发展,很多无线终端具备接入多种不同类型无线网络的能力,而这些异构无线网络也趋于融合[1-2],共同为终端用户提供多样的服务.当多模终端位于多个异构接入网络的重叠覆盖区域时,多模终端用户的不同连接,既能够同时利用多个网络接口接入不同的无线网络,获取多个网络提供的资源及服务,达到负载均衡的目的,也能够利用合适的切换策略,单独选择某个无线接入网络,从而带来更好的服务质量.优良的网络选择机制将会提升用户的满意度,优化网络的资源分配.

笔者依据异构网络提供的综合服务质量和价格策略,以最大化网络的整体收益为目的,构造异构网络的非合作博弈模型,给出了一个基于博弈论的异构网络选择策略.利用纳什均衡结果,建立以服务质量与价格比最大化原则选择的接入网络策略.

1 相关工作

网络接入选择是异构网络资源管理中的一个重要方面,接入选择方案的研究已经成为无线通信领域比较热门的一个方向.传统的网络选择方法是每个接入网络设置信号强度阈值,移动节点比较网络信号强度和阈值的关系,从而做出切换判决.该方法虽然能够确保用户成功切换到下一个网络,但没有考虑到用户服务质量保证的问题和运营商收益的问题.基于博弈论的网络接入选择方法能够较好地解决这一问题[3-9],同时提升了运营商的收益.文献[3]基于非合作博弈理论,依据用户实际的接收信号质量、接入网特性以及网络的资源分配方式,得到用户接入网络的实际速率,建立了异构网络的用户接入选择模型,并利用离散量子粒子群算法来求解纳什均衡,确定用户的接入网.但没有考虑接入网的服务质量的问题,而仅借助于价格来进行选择.文献[4]研究了异构无线网络中的定价策略问题,分别基于非合作同时博弈与非合作先后博弈理论建立了异构网络的定价模型,得到相应的纳什均衡解和斯坦克尔伯格均衡解,同时基于合作博弈理论确定定价模型,各异构网络按照Shapley值公平分配合作收益.虽然给出了较好的定价策略及纳什均衡结果,但并没有应用于网络选择的具体方案.文献[5]基于非合作博弈理论,提出了一种异构网络的区分定价模型,构造无线网络和用户的效用函数,优化异构网络的选择策略,使得对QoS的指标影响最小,在网络和用户遵守定价策略的前提下能够达到纳什均衡.当现有网络数目较少时,该定价策略对新出现的网络表现出较高的敏感度,在现有网络数目较多时,定价策略对新出现的网络的敏感度较低.文献[6]提出了一个在异构网络中分配无线资源的经济学模型,在用户分配带宽接近请求带宽的情况下,建立异构网络总收益的闭合表达式,提高了码分多址(CDMA)和无线局域网(WLAN)中的总体收益,但没有考虑网络服务质量的影响.文献[7]提出了一种量化接入系统服务质量的统一评价模型及基于最优用户性价比的网络选择决策方法,基于合作与非合作博弈论方法建立了网络价格策略的两种博弈模型,通过纳什均衡价格确定网络优化定价机制,但其性能评价机制没有考虑到其他服务质量(QoS)因素,而仅仅以吞吐量作为性能指标.

笔者依据异构网络提供的服务质量和价格策略,最大化用户体验和异构网络的整体收益,建立非合作博弈模型,构建异构网络的统一服务质量定义,利用纳什均衡结果依据服务质量价格比最大化原则选择合适的接入网络.

2 基于博弈论的异构网络选择策略

2.1 非合作博弈模型

传统的同构无线网络选择绝大部分是基于用户接收信号强度这一要素来着重提高网络的切换成功率的.这样虽然可保证用户的服务质量不受影响,但却忽视了系统的非合作行为.在异构无线网络中,网络选择涉及到了其他的网络,选择的结果会对自身的收益产生较大影响.这就要求网络选择不能仅仅以信号强度为条件,而是要综合考虑其他更多的因素,比如自身收益、资源利用率和用户公平性等.

各异构网络之间是平等的非合作竞争关系,可通过价格调整、服务质量提升等策略来吸引用户,来提高自身的收益,并且异构网络之间不存在共谋垄断.该关系建模为非合作博弈模型.非合作博弈模型中的要素包括参与者、策略和收益.

作为博弈参与者的运营商总是希望能够获得最大的利润,通过各种渠道来吸引用户,其最有效的办法就是服务价格的调整.降低服务价格可以吸引到较多的用户,从而在一定程度上增加了收益.但是如果价格过低,用户虽然增多了,利润反而会下降;反之,提升服务价格会增加运营商的收益,但会造成一定数量的用户流失,利润也会下降.

作为网络的使用者,价格并不是网络选择的惟一标准,网络的服务质量也是重要指标.因此,网络选择的策略定义为服务质量与价格的比值最大化的原则.首先,各个接入网为了吸引用户获取利润,调整价格策略,采用非合作博弈的模型得到纳什均衡解,及当前状态下的最优价格;其次,通过公共信息模块获取各个网络的服务质量参数,得到归一化的服务质量指标;最后,选取服务质量与纳什均衡价格的比值最大的网络作为首选接入网.

上述网络选择机制有两个前提需要解决:公共信息模块的定义和服务质量的度量.3GPP针对异构网络的发现机制,制定了接入网络发现与选择功能模块(ANDSF)和IEEE 802.21工作组制定介质独立切换(MIH)功能提供的媒体独立信息服务(MIIS).ANDSF及MIIS可以作为公共信息模块,用于收集和存储异构网络信息及策略,以及用于异构网络的选择机制.ANDSF功能和MIIS服务给出了接口约束,需要外部定义具体功能以及与异构网络交互的详细过程.

服务质量是服务性能属性的组合度量,从应用层的角度考虑包括吞吐量Ti、时延Di、时延抖动Ji等指标,每个QoS参数到其对应的服务质量的映射关系定义为在区域b处的多维服务质量,即

异构网络的接入模型建立为非合作博弈模型,n个参与者参加的博弈分别代表n个接入网,参与者的策略空间分别为S1,S2,…,Sn,效用函数为u1,u2,…,un,该博弈可以表示为G={S1,S2,…,Sn;u1,u2,…,un}.

假定该异构网络中存在IEEE 802.16 WMAN、TDSCDMA蜂窝网以及IEEE802.11 WLAN 3种网络,WMAN的覆盖范围最大,其次是TD-SCDMA网络,WLAN的覆盖范围最小.不失一般性,3种网络相互重叠如图1所示,处在某个网络中的用户至多能够有另外两种网络可以选择接入.

图1 异构网络模型

2.2 收益函数

收益函数是博弈参与者在博弈过程中所获得收益的度量,选择何种收益函数对于网络选择至关重要.网络的收益是价格和所使用带宽的函数,其中价格参数是博弈的结果,而带宽参数与价格的函数关系[4,7]为

其中,i,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}表示在区域b每个网络提供的价格;表示网络i的用户申请到的资源总量;表示网络i的用户对本网价格的负反馈系数表示由于网络j价格的调整转移到网络i的流量的系数.

定义网络i的收益为Ri(P(b)),网络的收益由两部分构成:用户流量的收益和网络的成本.用户流量产生的收益是当前流量与价格的乘积,网络的成本只考虑网络的剩余容量的影响.网络剩余容量越多,运营商为此将付出更多的维护成本,其收益将会减少.因此,应调整价格来吸引更多的用户.故网络i的收益Ri(P(b))为

其中,ei表示成本因子,Ci表示任意一个接入网的容量,近似表示[3-9]为

其中,Bi代表载波带宽,SSINRi代表信噪比,ΔSSINRi为实际频谱效率相对于香农容量频谱效率在信噪比上的偏移量,εmax,i为最大频谱效率.根据文献[10]的分析,在接入网的实际最大频谱效率εmax,i和ΔSSINRi作为网络设计参数的情况下,接入网的实际频谱效率εi可以近似表示为香农容量表示的频谱效率的偏移,其偏移大小为ΔSSINR

i.

2.3 非合作博弈纳什均衡

纳什均衡定义:在有n个参与者的非合作博弈中,给定参与者的策略空间及效用空间,如果每一个人所采取的策略都是针对其他所有参与者所选策略的最优反应策略,即得到最大效用,则该最优策略空间为一个纳什均衡解,即

纳什均衡的求解通常可以通过对收益函数求偏导数,并使得偏导数为零,建立方程组而求得.分别对

Ri、Rj和Rk求和的偏导数后,得到如下方程组:

故由式(8)可以得到纳什均衡解为

2.4 网络选择策略

异构网络选择采用性价比最大化的策略,其选择过程如图2所示.公共信息模块收集各个异构网络的流量、延迟、抖动等信息,计算在区域b处各个接入网对应的服务质量.由于用户的切换造成网络流量的变化,触发各个网络价格的调整,为了收益最大化,网络按照上述的非合作博弈模型通过博弈得到各自的最优价格终端根据从公共信息模块获取的各个网络的性价比选取具有最大性价比的网络i*作为新的接入网.该策略的复杂度体现在两个方面:服务质量信息的收集和非合作博弈价格的计算.服务质量信息的收集部分是和各个网络交互提取所需的流量、延迟等信息,可以采取定期更新的方式完成;而非合作博弈价格的计算依照式(9)可以完成.现实中同时覆盖的异构网络数目通常较少,故式(9)的运算复杂度较低.

图2 异构网络选择策略

3 仿真与分析

选择同时具有3种网络接入可能的区域作为研究对象,依据各个网络的标准设定IEEE 802.11网络的吞吐量为54 Mbit/s,带宽为20 MHz;TDSCDMA网络的吞吐量为384 kbit/s,带宽为1.6 MHz;IEEE 802.16网络的吞吐量为300 Mbit/s,带宽为20 MHz.该博弈模型中涉及的网络参数较多,仿真过程仅讨论网络选择结果与其中一个网络的服务质量之间的变化关系,故模型中参数的选择对每个异构网络均同等对待.假定在某一具有120个多模终端的区域中,每个终端对3种网络都具备接入功能.图3表明了各个网络选择人数随IEEE 802.11网络QoS值的变化情况.由于采用性价比最大化的原则选取接入网络,在IEEE 802.11的QoS值较低的情况下,用户主要集中在TD-SCDMA和IEEE 802.16网络中,为了增大利润,IEEE 802.11网络应尽可能地降低价格,吸引用户,导致TD-SCDMA和IEEE 802.16网络的人数呈下降趋势.在QoS达到0.5之后,IEEE 802.11网络的用户数增速放缓,并呈现波动态势.这主要是由于IEEE 802.11网络在用户数达到一定程度之后,再增加利润必须依靠价格提升才能达到,同时价格的升高会导致部分用户的流失.TD-SCDMA和IEEE 802.16网络为了能够维持用户数及足够的利润也会在此时调整价格,从而形成此消彼长的用户变化模式.

图3 网络选择人数随IEEE 802.11服务质量Q的变化关系

4 结束语

依据异构网络提供的服务质量和价格策略,最大化用户体验和异构网络的整体收益,建立了非合作博弈模型,采用取偏导的方法得到非合作博弈模型的纳什均衡解.依据服务质量价格比最大化原则,并结合网络状态监测,设计了一个基于博弈策略的异构无线网络接入选择算法.分析及仿真过程给出了异构网络选择人数随网络服务质量的变化关系,验证了该策略的有效性.

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(编辑:齐淑娟)

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">网络出版时间:

时间:2013-09-16

国家自然科学基金重点资助项目(61231008);国家973计划资助项目(2009CB320404,2012CB315803);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0852);国家自然科学基金资助项目(60972048,60972047);国家重点实验室专项基金资助项目(ISN01080301);高等学校创新引智111计划资助项目(B08038);教育部科学技术研究重点资助项目(107103);中央高校基本科研业务费资助项目(K50510030008,K505120300,K5051303016);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2010JM8027)

宋建锋(1978-),男,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:jfsong@mail.xidian.edu.cn.

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