无线异构网络的协作与竞争关系探讨

刘晓爽 李建锋

摘要：不同的网络可以提供不同的服务。为了使效益最优化，异构网络构成一个整体，相互之间可以竞争，也可以合作。因此，研究了由蜂窝网络、无线局域网和WMAN三种网络构成的异构网络之间的竞争协同机制。首先，考虑了具有竞争和协同效应的网络自然增长率。然后，利用常微分原理分析了模型的稳定性及其平衡点。最后仿真结果表明，自然增长率不能增加网络的效益，但是异构网络之间的有效合作可以增加每个网络的效益，竞争则会降低每个网络的效益。

关键词： 异构网络;协作;竞争;效益

中图分类号：TN929.5;TP212.9      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）35-0029-03

Abstract：Different network provides different service. To maximize the profit， heterogeneous networks form a whole， which may either compete or cooperate with each other. In this paper， 为 build the competitive and cooperative mechanisms of heterogeneous networks which contain three networks， namely， cellular network， WLAN and WMAN. This paper considers the natural growth rate of the network with competitive and cooperative effects. Then， the stability of the proposed model and its equilibrium points are analyzed by the ordinary differential principle. Finally， simulation results show that the natural growth rate cannot increase the profit of the network， but effective cooperative among heterogeneous networks can increase the profit of each network， andcompetitive may decrease the profit of each network.

Key words： heterogeneous networks; cooperative; competitive;profit

1 概述

無线移动通信的发展和演进出现了许多不同的接入技术，比如无线蜂窝移动通信系统、全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）和无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）[1]。所谓无线异构网络（Heterogeneous Wireless Networks），就是存在多种不同的无线接入技术的网络，它连接这些不同类型网络，并提供统一的接入、无缝的覆盖和普遍的移动性支持。

随着无线通信技术的发展，各种异构通信技术使用户可以随时随地提供访问数据网络。在异构无线网络中，具有多网络接口的用户终端能够访问不同的网络，选择服务成本最低、服务质量最优的网络[2]。在此环境下，为通过吸引更多的用户，所有的运营商相互竞争以获得最大的收益。而激烈的竞争会导致产品价格的下降，进而降低运营商的总利润，这对运营商来说是不可取的。在这种情况下，运营商就会选择合作而不是竞争[3]。为此，异构网络之间的合作已成为一个重要的研究课题。

文献[4]的作者提出了三种不同的定价模型，即认知无线电环境下的频谱交易的市场均衡、竞争和合作定价模型。在这些定价模型中，主要服务提供者有不同的行为（即竞争和合作）以实现不同的频谱交易目标。Zhou等人对多通道多无线电多跳无线网络视频流问题进行了研究，以最小化视频失真，达到一定的公平性为目标，开发了全分布式调度方案。文献[5]通过考虑多媒体取证、网络适应和最后期限驱动的调度，为资源有限的异构网络上的延迟敏感多媒体应用程序提供了一个新的框架。特别是，他们开发了一个联合取证调度方案，根据可负担的取证开销和预期的服务质量分配可用的网络资源，自适应地调整可伸缩的媒体感知取证，并安排传输以满足应用程序的sdelay约束。在文献[6]中，H. Chang等人利用市场模型为异构网络开发了一种合作的频谱共享方案，其中他们引入了漫游率作为激励每个服务提供者在其授权用户暂时利用其他服务提供者的服务时获得额外收益。然后，他们利用经济学的供求概念，得到了所有服务提供商和所有许可用户同时满足分配带宽和价格的均衡。C. Singh和S. Sarkar利用可转移支付联盟博弈[7]理论对异构网络服务提供商之间的合作进行了研究。

因此，为了最大化效益，一个系统由一些无线异构网络构成，这些网络之间可能相互合作和竞争。在这个系统中，由于异构网络之间的相互作用，利润最大化问题变得更加复杂。本文的问题公式、解决方法和结果不同于以往研究。这里研究了异构网络之间的合作和竞争行为，采用差分动态模型[8]构建无线异构网络之间的合作和竞争框架，来协调网络间的相互关系。

本文组织如下，第二部分介绍了无线异构网络和系统假设。第三部分是合作与竞争效果的稳定性分析。第四部分是实验数据分析。最后，给出了本文的结论。

2 无线异构网络

本文考虑的异构无线接入网络是由CDMA蜂窝网络（Cellular network）、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN（无线城域网：Wireless Metropolitan Area Networks）3个网络组成的，同时具有多个无线收发器的移动设备能够连接到这些无线接入网。这里考虑的地理区域是完全由WMAN基站覆盖，部分由WLAN接入点（APs）覆盖，部分由蜂窝网络基站覆盖的。假设移动设备（Mobile device）能够连接到相应服务区的每个网络，且其具有完善的功率控制，从而可以保证覆盖区域的可用传輸速率一致。

在异构的无线接入环境中，三个网络N1、N2、N3可提供服务，它们或相互竞争，或相互合作。在时间[t]网络Ni的收益用[pi（t）]表示，收益变化率用[pi'（t）]表示，则[fi（pi（t））=pi'（t）/pi（t）]表示其即时增长率。网络Ni的最大利润用[mi]表示，则[fi（pi（t））]与三个网络N1、N2、N3的状态变量有关。故[fi（pi（t））]应该改写为[fi（P）]，其中 [P=（p1（t），p2（t），p3（t））T]。因此，[dpi（t）dt=pi（t）fi（P）]。

合作与竞争作为4G无线异构网络体系的固有属性，它们的相互作用可以推动系统的自组织演化，相互作用程度就决定了系统的有序度和稳定性。因此，本文所构建的目标函数是网络规模的变异模型，即异构网络间竞争、合作效应及网络自然增长率的函数。因此，引入了[αij（-1αij1）]和[βij（-1βij1）]两个参数分别表示3个网络间的资源分配模式导致的竞争和合作效果。本文利用微分动力学模型[9]对网络的收益演化进行了建模，即竞争网络和合作网络的收益演化可以写成

其中，[gi]表示收益的自然增长率。协同效应[βij]可能导致网络规模的正增长，而网络间的竞争效应[αij]则导致网络规模的负增长。因此，研究网络规模如何随[gi]、[αij]、[βij]这三个因素的变化趋势是非常重要的内容，本文将在下一节对此展开深入研究。

3 稳定性分析

在本节中，为了揭示系统发展过程的客观规律，将讨论网络规模如何随这三个因素的变化而达到稳定状态。根据系统消去过程，通过求解可得到式（1）-（3）的平衡点

其特征值设为[λ1]， [λ2]， [λ3]。根据常微分原理[9]，平衡点的稳定性可以用[k]， [l]， [w]的正负号，或[λ1]， [λ2]， [λ3]的正负号来判断。若[k>0]， [w>0]， [kl-w>0]，则平衡点为稳定点;否则，平衡点就是不稳定点。接下来，将8个平衡点分别代入式（8）中就可以判断该平衡点是否为稳定点，这里不再赘述。

代入结果表明，如果平衡点是一个稳定点，则说明网络系统是稳定的，其中异构网络的协同效应大于对其竞争效应，或竞争效应很小，因此不能引起整个网络系统的波动。故系统是稳定的，反之亦然。

4 实验分析

本文采用Matlab进行了一系列仿真实验来验证合作与竞争效果的稳定性分析的有效性。假设三维空间监测区域的长度为[100m]，该区域随机有85个传感器节点，传感器节点半径为[R=20m]，设WLAN、蜂窝网络和WMAN的最大利润分别为200、150和100。图1显示了WLAN、蜂窝网络和WMAN随时间变化的效益曲线。当合作系数小于竞争系数，即[m1=200]， [m2=150] and [m3=100]， [r1=r2=r3=0.01]， [α12=0.3]， [α13=0.4]， [α21=0.5]， [α23=0.6]， [α31=0.7]， [α32=0.8]， [β12=0.1]， [β13=0.2]，  [β21=0.3]， [β23=0.4]， [β31=0.5]和[β32=0.6]。在这种情况下，每个网络的效益将减少。因此，过度的竞争会降低每个网络的效益，从而使系统不稳定。

从上述实验结果可以看出，当网络系统接近演化稳定状态时，合作机制下各网络的效益均大于非合作方案下各网络的效益。因此，异构网络的合作优化了系统结构，增加了系统的总利润。

5 结论

异构网络作为整个网络系统的组成部分，或相互竞争，或相互合作，以实现效益最大化。本文构建的模型揭示了联合系统的动态机理，即系统发展过程的客观规律。首先介绍了无线异构网络，并分析了网络的自然增长率和网络之间的合作和竞争效应。利用常微分原理，研究了系统的稳定性及其平衡点。最后，实验结果表明，整个网络系统的稳定性取决于各个子系统的协同机制。为了进一步的研究，下一步将探索无线异构网络的一些合作方案，以最少的时间获得最大的收益。

参考文献：

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