探研性價比最大的異構網絡辦法
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1.1非合作博弈模型
傳統的同構無線網絡選擇絕大部分基于用戶接收信號強度這一要素，著重提高網絡的切換成功率，保證用戶的服務質量不受影響，但卻忽視了系統的非合作行為。在異構無線網絡中，網絡選擇涉及到了其它的網絡，選擇的結果會對自身的收益產生較大影響。這就要求網絡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、資源利用率和用戶公平性等。各異構網絡之間為平等的非合作競爭關系，通過價格調整、服務質量提升等策略吸引用戶，提高自身收益，并且異構網絡之間不存在共謀壟斷,該關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商總是希望能夠獲得最大的利潤，通過各種渠道吸引用戶，最有效的辦法就是服務價格的調整。降低服務價格可以吸引到較多的用戶，從而在一定程度上增加收益，但是如果價格過低，用戶雖然增多了，利潤反而會下降。反之，提升服務價格會增加運營商的收益，但會造成一定數量的用戶流失，利潤也會下降。作用網絡的使用者，價格并不是網絡選擇的唯一標準，網絡的服務質量也是重要指標之一，因此網絡選擇的策略定義為服務質量與價格的比值最大化的原則。首先，各個接入網為了吸引用戶獲取利潤，調整價格策略，采用非合作博弈的模型得到納什均衡解，及當前狀態下的最優價格；其次，通過公共信息模塊獲取各個網絡的服務質量參數，得到歸一化的服務質量指標；最后，選取服務質量與納什均衡價格的比值最大的網絡作為首選接入網。上述網絡選擇機制有兩個前提需要解決：公共信息模塊的定義和服務質量的度量。3GPP針對異構網絡的發現機制制定了接入網絡發現與選擇功能模塊（ANDSF）和IEEE802.21工作組制定MIH功能提供的媒體獨立信息服務（MIIS），ANDSF及MIIS可以作為公共信息模塊，用于收集和存儲異構網絡信息及策略，用于異構網絡的選擇機制。ANDSF功能和MIIS服務給出了接口約束，需要外部定義具體功能以及與異構網絡交互的詳細過程。服務質量是服務性能屬性的組合度量，從應用層的角度考慮包括吞吐量Ti、時延Di、時延抖動Ji等指標，每個QoS參數到其對應的服務質量的映射關系定義為在區域b處的多維服務質量：/bJbDbMINiMAXiMINibbiJMINiMAXiMINibbiDMINiMAXibiMAXbiTTbiJJJJDDDDTTTTQλλλλ+λ+λ其中是各個參數在服務質量中貢獻的權值，表示其重要程度。,,bJbDbTλλλ異構網絡的接入模型建立為非合作博弈模型，n個參與者參加的博弈，分別代表n個接入網，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假定該異構網絡中存在IEEE802.16WMAN，TD-SCDMA蜂窩網以及IEEE802.11WLAN三種網絡，WMAN的覆蓋范圍最大，其次是TD-SCDMA網絡，WLAN的覆蓋范圍最小。不失一般性，三種網絡相互重疊如1所示，處在某個網絡中的用戶至多能夠有另外兩種網絡可以選擇接入。
2收益函數
網絡的收益是價格和所使用帶寬的函數，其中價格參數是博弈的結果，而帶寬參數按如下公式給出其與價格的函數關系。,,bkbikbjbijbibibibiWPTpppb=ξ+ν+νi,j,k∈{WMAN,TD-SCDMA,WLAN}，表示在區域b每個網絡提供的價格，kbjbibP=ppp(b)iT表示網絡i的用戶申請到的資源總量，表示網絡i的用戶對本網價格的負反饋系數，iξ,bijν表示由于網絡j價格的調整轉移到網絡i的流量的系數。定義網絡i的收益為，網絡的收益由兩部分構成：用戶流量的收益和網絡的成本。用戶流量產生的收益是當前流量與價格的乘積，網絡的成本只考慮網絡的剩余容量的影響。網絡剩余容量越多，運營商為此將付出更多的維護成本，其收益將會減少，因此，必然調整價格吸引更多的用戶。iRP2=∑∑∈∈ibAbbiibAibibbibiCCWPRPWPpeii(3)其中表示成本因子，表示任意一個接入網的容量，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，在接入網的實際最大頻譜效率和作為網絡設計參數的情況下，接入網的實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程中所獲得收益的度量，選擇何種收益函數對于網絡選擇而言至關重要。
3非合作博弈納什均衡納什均衡定義
在有n個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。由于是關于的二次函數，故上述條件滿足。(b)iRP(b)iRP(b)ip納什均衡的求解通常可以通過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,,,,,,bkkbkibkibjbkjbkbkbkbkkbjjbjkbjkbibjibjbjbjbjjbiibikbikbjbijbibibibiiCeTppppRCeTppppRCeTppppRξννξξννξξννξ令，,=****bbbbkjipppP=,,,,,,222bkbkjbkibjkbjbjibikbijbiAννξνξνξνν=222bkbkkkbjbjjjbibiiiTCeTCeTCeCξξξ故由式子可以得到納什均衡解為：PAC(9)*(b)1=2.4網絡選擇策略異構網絡選擇采用性價比最大化的策略，其選擇過程如2所示。公共信息模塊收集各個異構網絡的流量、延遲、抖動等信息，計算在區域b處各個接入網對應的服務質量。在有n個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反應策略，即得到最大效用，則該最優策略空間為一個納什均衡解。由于用戶的切換造成網絡流量的變化，觸發各個網絡價格的調整，為了收益最大化，網絡按照上述的非合作博弈模型通過博弈得到各自的最優價格。終端根據從公共信息模塊獲取的各個網絡的性價比(b)iQ*(b)ip*bipQbi，選取具有最大性價比的網絡作為新的接入網。該策略的復雜度體現在兩個方面：服務質量信息的收集和非合作博弈價格的計算。服務質量信息的收集部分是和各個網絡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；而非合作博弈價格的計算依照公式可以完成，現實中同時覆蓋的異構網絡數目通常較少，故公式的運算復雜度較低。
4仿真與分析
由于采用性價比最大化的原則選取接入網絡，在IEEE802.11的QoS值較低的情況下，用戶主要集中在TD-SCDMA和IEEE802.16網絡中，為了增大利潤IEEE802.11網絡必然盡可能降低價格吸引用戶，導致TD-SCDMA和IEEE802.16網絡的人數呈下降趨勢。在QoS達到0.5之后IEEE802.11網絡的用戶數增速放緩，并呈現波動態勢。選擇同時具有三種網絡接入可能的區域作為研究對象，依據各個網絡的標準設定IEEE802.11網絡的吞吐量是54Mbps，帶寬20MHz，TD-SCDMA網絡的吞吐量是384Kbps，帶寬1.6MHz，IEEE802.16網絡的吞吐量是300Mbps，帶寬20MHz。該博弈模型中涉及的網絡參數較多，仿真過程僅討論網絡選擇結果與其中一個網絡的服務質量之間的變化關系，故模型中參數的選擇對每個異構網絡均同等對待。假定在某一具有120個多模終端的區域中，每個終端對三種網絡都具備接入功能。表明了各個網絡選擇人數隨IEEE802.11網絡QoS值的變化情況。這主要是由于IEEE802.11網絡在用戶數達到一定程度之后，再增加利潤必須依靠價格提升才能達到，同時價格的升高會導致部分用戶的流失。TD-SCDMA和IEEE802.16網絡為了能夠維持用戶數及足夠的利潤也會在此時調整價格，從而形成此消彼長的用戶變化模式。
作者：宋建鋒 李建東 單位：西安電子科技大學