探研性价比最大的异构网络办法

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1基于博弈论的异构网络选择策略

1.1非合作博弈模型

传统的同构无线网络选择绝大部分基于用户接收信号强度这一要素，着重提高网络的切换成功率，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它的网络，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，而是要综合考虑其它更多的因素比如自身收益、资源利用率和用户公平性等。各异构网络之间为平等的非合作竞争关系，通过价格调整、服务质量提升等策略吸引用户，提高自身收益，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，通过各种渠道吸引用户，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。作用网络的使用者，价格并不是网络选择的唯一标准，网络的服务质量也是重要指标之一，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IEEE802.21工作组制定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，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：/bJbDbMINiMAXiMINibbiJMINiMAXiMINibbiDMINiMAXibiMAXbiTTbiJJJJDDDDTTTTQλλλλ+λ+λ其中是各个参数在服务质量中贡献的权值，表示其重要程度。,,bJbDbTλλλ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，效用函数为，该博弈可以表示为。nS,...,S1nu,...,u1{,...,;,...,}1n1nG=SSuu假定该异构网络中存在IEEE802.16WMAN，TD-SCDMA蜂窝网以及IEEE802.11WLAN三种网络，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，三种网络相互重叠如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。

2收益函数

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，而带宽参数按如下公式给出其与价格的函数关系。,,bkbikbjbijbibibibiWPTpppb=ξ+ν+νi,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}，表示在区域b每个网络提供的价格，kbjbibP=ppp(b)iT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，iξ,bijν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，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，必然调整价格吸引更多的用户。iRP2=∑∑∈∈ibAbbiibAibibbibiCCWPRPWPpeii(3)其中表示成本因子，表示任意一个接入网的容量，可以用下式近似表示：ieiClog(1)2iiSINRSINRiiiSSBCΔε==+，imax,iε≤ε其中代表载波带宽，代表信噪比，iBiSINRSiSINRΔS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，max,iε为最大频谱效率。根据文献[10]中的分析，在接入网的实际最大频谱效率和作为网络设计参数的情况下，接入网的实际频谱效率可以近似表示为香农容量表示的频谱效率的偏移，就信噪比而言其偏移大小为max,iεiSINRΔSiεiSINRΔS。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而言至关重要。

3非合作博弈纳什均衡纳什均衡定义

在有n个RPPRPPPPiniiiiiiii(,)(,),1,2,...,*''*≥≠=(5)argmax**1*1*1*iiiiinPRPPPPP+∈纳什均衡解为1*nP=PP纳什均衡解存在的条件是：收益函数为严格的凹函数。由于是关于的二次函数，故上述条件满足。(b)iRP(b)iRP(b)ip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。分别对求的偏导数后得到如下方程组：ijkR,R,R,,bbbijkppp=++==++==++=220220220,,,,,,bkkbkibkibjbkjbkbkbkbkkbjjbjkbjkbibjibjbjbjbjjbiibikbikbjbijbibibibiiCeTppppRCeTppppRCeTppppRξννξξννξξννξ令，,=****bbbbkjipppP=,,,,,,222bkbkjbkibjkbjbjibikbijbiAννξνξνξνν=222bkbkkkbjbjjjbibiiiTCeTCeTCeCξξξ故由式子可以得到纳什均衡解为：PAC(9)*(b)1=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。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它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。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(b)iQ*(b)ip*bipQbi，选取具有最大性价比的网络作为新的接入网。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公式可以完成，现实中同时覆盖的异构网络数目通常较少，故公式的运算复杂度较低。

4仿真与分析

由于采用性价比最大化的原则选取接入网络，在IEEE802.11的QoS值较低的情况下，用户主要集中在TD-SCDMA和IEEE802.16网络中，为了增大利润IEEE802.11网络必然尽可能降低价格吸引用户，导致TD-SCDMA和IEEE802.16网络的人数呈下降趋势。在QoS达到0.5之后IEEE802.11网络的用户数增速放缓，并呈现波动态势。选择同时具有三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IEEE802.11网络的吞吐量是54Mbps，带宽20MHz，TD-SCDMA网络的吞吐量是384Kbps，带宽1.6MHz，IEEE802.16网络的吞吐量是300Mbps，带宽20MHz。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，每个终端对三种网络都具备接入功能。表明了各个网络选择人数随IEEE802.11网络QoS值的变化情况。这主要是由于IEEE802.11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IEEE802.16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。

作者：宋建锋 李建东 单位：西安电子科技大学