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探研性?xún)r(jià)比最大的異構網(wǎng)絡(luò )辦法論文
1基于博弈論的異構網(wǎng)絡(luò )選擇策略
1.1非合作博弈模型
傳統的同構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )選擇絕大部分基于用戶(hù)接收信號強度這一要素，著(zhù)重提高網(wǎng)絡(luò )的切換成功率，保證用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量不受影響，但卻忽視了系統的非合作行為。在異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )選擇涉及到了其它的網(wǎng)絡(luò )，選擇的結果會(huì )對自身的收益產(chǎn)生較大影響。這就要求網(wǎng)絡(luò )選擇不能僅僅以信號強度為條件，而是要綜合考慮其它更多的因素比如自身收益、資源利用率和用戶(hù)公平性等。各異構網(wǎng)絡(luò )之間為平等的非合作競爭關(guān)系，通過(guò)價(jià)格調整、服務(wù)質(zhì)量提升等策略吸引用戶(hù)，提高自身收益，并且異構網(wǎng)絡(luò )之間不存在共謀壟斷,該關(guān)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(yíng)商總是希望能夠獲得最大的利潤，通過(guò)各種渠道吸引用戶(hù)，最有效的辦法就是服務(wù)價(jià)格的調整。降低服務(wù)價(jià)格可以吸引到較多的用戶(hù)，從而在一定程度上增加收益，但是如果價(jià)格過(guò)低，用戶(hù)雖然增多了，利潤反而會(huì )下降。反之，提升服務(wù)價(jià)格會(huì )增加運營(yíng)商的收益，但會(huì )造成一定數量的用戶(hù)流失，利潤也會(huì )下降。作用網(wǎng)絡(luò )的使用者，價(jià)格并不是網(wǎng)絡(luò )選擇的唯一標準，網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量也是重要指標之一，因此網(wǎng)絡(luò )選擇的策略定義為服務(wù)質(zhì)量與價(jià)格的比值最大化的原則。首先，各個(gè)接入網(wǎng)為了吸引用戶(hù)獲取利潤，調整價(jià)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(jià)格；其次，通過(guò)公共信息模塊獲取各個(gè)網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量參數，得到歸一化的服務(wù)質(zhì)量指標；最后，選取服務(wù)質(zhì)量與納什均衡價(jià)格的比值最大的網(wǎng)絡(luò )作為首選接入網(wǎng)。上述網(wǎng)絡(luò )選擇機制有兩個(gè)前提需要解決：公共信息模塊的定義和服務(wù)質(zhì)量的度量。3GPP針對異構網(wǎng)絡(luò )的發(fā)現機制制定了接入網(wǎng)絡(luò )發(fā)現與選擇功能模塊（ANDSF）和IEEE802.21工作組制定MIH功能提供的媒體獨立信息服務(wù)（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(luò )信息及策略，用于異構網(wǎng)絡(luò )的選擇機制。ANDSF功能和MIIS服務(wù)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(luò )交互的詳細過(guò)程。服務(wù)質(zhì)量是服務(wù)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(shí)延Di、時(shí)延抖動(dòng)Ji等指標，每個(gè)QoS參數到其對應的服務(wù)質(zhì)量的映射關(guān)系定義為在區域b處的多維服務(wù)質(zhì)量：/bJbDbMINiMAXiMINibbiJMINiMAXiMINibbiDMINiMAXibiMAXbiTTbiJJJJDDDDTTTTQλλλλ+λ+λ其中是各個(gè)參數在服務(wù)質(zhì)量中貢獻的權值，表示其重要程度。,,bJbDbTλλλ異構網(wǎng)絡(luò )的接入模型建立為非合作博弈模型，n個(gè)參與者參加的博弈，分別代表n個(gè)接入網(wǎng)，參與者的策略空間分別為，效用函數為，該博弈可以表示為。nS,...,S1nu,...,u1{,...,;,...,}1n1nG=SSuu假定該異構網(wǎng)絡(luò )中存在IEEE802.16WMAN，TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)以及IEEE802.11WLAN三種網(wǎng)絡(luò )，WMAN的覆蓋范圍最大，其次是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )，WLAN的覆蓋范圍最小。不失一般性，三種網(wǎng)絡(luò )相互重疊如1所示，處在某個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的用戶(hù)至多能夠有另外兩種網(wǎng)絡(luò )可以選擇接入。
2收益函數
網(wǎng)絡(luò )的收益是價(jià)格和所使用帶寬的函數，其中價(jià)格參數是博弈的結果，而帶寬參數按如下公式給出其與價(jià)格的函數關(guān)系。,,bkbikbjbijbibibibiWPTpppb=+ν+νi,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}，表示在區域b每個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供的價(jià)格，kbjbibP=ppp(b)iT表示網(wǎng)絡(luò )i的用戶(hù)申請到的資源總量，表示網(wǎng)絡(luò )i的用戶(hù)對本網(wǎng)價(jià)格的負反饋系數，i,bijν表示由于網(wǎng)絡(luò )j價(jià)格的調整轉移到網(wǎng)絡(luò )i的流量的系數。定義網(wǎng)絡(luò )i的收益為，網(wǎng)絡(luò )的收益由兩部分構成：用戶(hù)流量的收益和網(wǎng)絡(luò )的成本。用戶(hù)流量產(chǎn)生的收益是當前流量與價(jià)格的乘積，網(wǎng)絡(luò )的成本只考慮網(wǎng)絡(luò )的剩余容量的影響。網(wǎng)絡(luò )剩余容量越多，運營(yíng)商為此將付出更多的維護成本，其收益將會(huì )減少，因此，必然調整價(jià)格吸引更多的用戶(hù)。iRP2=∑∑∈∈ibAbbiibAibibbibiCCWPRPWPpeii(3)其中表示成本因子，表示任意一個(gè)接入網(wǎng)的容量，可以用下式近似表示：ieiClog(1)2iiSINRSINRiiiSSBCΔε==+，imax,iε≤ε其中代表載波帶寬，代表信噪比，iBiSINRSiSINRΔS為實(shí)際頻譜效率相對于香農容量頻譜效率在信噪比上的偏移量，max,iε為最大頻譜效率。根據文獻[10]中的分析，在接入網(wǎng)的實(shí)際最大頻譜效率和作為網(wǎng)絡(luò )設計參數的情況下，接入網(wǎng)的實(shí)際頻譜效率可以近似表示為香農容量表示的頻譜效率的偏移，就信噪比而言其偏移大小為max,iεiSINRΔSiεiSINRΔS。收益函數是博弈參與者在博弈過(guò)程中所獲得收益的度量，選擇何種收益函數對于網(wǎng)絡(luò )選擇而言至關(guān)重要。
3非合作博弈納什均衡納什均衡定義
在有n個(gè)RPPRPPPPiniiiiiiii(,)(,),1,2,...,*'*≥≠=(5)argmax**1*1*1*iiiiinPRPPPPP+∈納什均衡解為1*nP=PP納什均衡解存在的條件是：收益函數為嚴格的凹函數。由于是關(guān)于的二次函數，故上述條件滿(mǎn)足。(b)iRP(b)iRP(b)ip納什均衡的求解通�？梢酝ㄟ^(guò)對收益函數求偏導數，并使得偏導數為零，建立方程組而求得。分別對求的偏導數后得到如下方程組：ijkR,R,R,,bbbijkppp=++==++==++=220220220,,,,,,bkkbkibkibjbkjbkbkbkbkkbjjbjkbjkbibjibjbjbjbjjbiibikbikbjbijbibibibiiCeTppppRCeTppppRCeTppppRνννννν令，,=****bbbbkjipppP=,,,,,,222bkbkjbkibjkbjbjibikbijbiAνννννν=222bkbkkkbjbjjjbibiiiTCeTCeTCeC故由式子可以得到納什均衡解為：PAC(9)*(b)1=2.4網(wǎng)絡(luò )選擇策略異構網(wǎng)絡(luò )選擇采用性?xún)r(jià)比最大化的策略，其選擇過(guò)程如2所示。公共信息模塊收集各個(gè)異構網(wǎng)絡(luò )的流量、延遲、抖動(dòng)等信息，計算在區域b處各個(gè)接入網(wǎng)對應的服務(wù)質(zhì)量。在有n個(gè)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(gè)人所采取的策略都是針對其它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(gè)納什均衡解。由于用戶(hù)的切換造成網(wǎng)絡(luò )流量的變化，觸發(fā)各個(gè)網(wǎng)絡(luò )價(jià)格的調整，為了收益最大化，網(wǎng)絡(luò )按照上述的非合作博弈模型通過(guò)博弈得到各自的最優(yōu)價(jià)格。終端根據從公共信息模塊獲取的各個(gè)網(wǎng)絡(luò )的性?xún)r(jià)比(b)iQ*(b)ip*bipQbi，選取具有最大性?xún)r(jià)比的網(wǎng)絡(luò )作為新的接入網(wǎng)。該策略的復雜度體現在兩個(gè)方面：服務(wù)質(zhì)量信息的收集和非合作博弈價(jià)格的計算。服務(wù)質(zhì)量信息的收集部分是和各個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(jià)格的計算依照公式可以完成，現實(shí)中同時(shí)覆蓋的異構網(wǎng)絡(luò )數目通常較少，故公式的運算復雜度較低。
4仿真與分析
由于采用性?xún)r(jià)比最大化的原則選取接入網(wǎng)絡(luò )，在IEEE802.11的QoS值較低的情況下，用戶(hù)主要集中在TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò )中，為了增大利潤IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )必然盡可能降低價(jià)格吸引用戶(hù)，導致TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò )的人數呈下降趨勢。在QoS達到0.5之后IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)數增速放緩，并呈現波動(dòng)態(tài)勢。選擇同時(shí)具有三種網(wǎng)絡(luò )接入可能的區域作為研究對象，依據各個(gè)網(wǎng)絡(luò )的標準設定IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )的吞吐量是54Mbps，帶寬20MHz，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )的吞吐量是384Kbps，帶寬1.6MHz，IEEE802.16網(wǎng)絡(luò )的吞吐量是300Mbps，帶寬20MHz。該博弈模型中涉及的網(wǎng)絡(luò )參數較多，仿真過(guò)程僅討論網(wǎng)絡(luò )選擇結果與其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量之間的變化關(guān)系，故模型中參數的選擇對每個(gè)異構網(wǎng)絡(luò )均同等對待。假定在某一具有120個(gè)多模終端的區域中，每個(gè)終端對三種網(wǎng)絡(luò )都具備接入功能。表明了各個(gè)網(wǎng)絡(luò )選擇人數隨IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )QoS值的變化情況。這主要是由于IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )在用戶(hù)數達到一定程度之后，再增加利潤必須依靠?jì)r(jià)格提升才能達到，同時(shí)價(jià)格的升高會(huì )導致部分用戶(hù)的流失。TD-SCDMA和IEEE802.16網(wǎng)絡(luò )為了能夠維持用戶(hù)數及足夠的利潤也會(huì )在此時(shí)調整價(jià)格，從而形成此消彼長(cháng)的用戶(hù)變化模式。
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