基于博弈論的無線網(wǎng)絡(luò)資源競爭與協(xié)作機制研究.pdf

1、部署和維護傳統(tǒng)的基于集中式控制的無線通信系統(tǒng)需要耗費大量的時間、物力和人力資源，而由獨立、自治的用戶終端通過彼此協(xié)作分布式的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，則能夠減小組網(wǎng)成本，增加網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。然而，在這種分布式環(huán)境中，用戶終端由于無法獲取網(wǎng)絡(luò)全局或者其他用戶的信息而表現(xiàn)出自私性和理性，即為了優(yōu)化自己的性能指標、非協(xié)作地競爭共享的網(wǎng)絡(luò)資源，由此造成系統(tǒng)整體性能以及其他用戶性能的急劇下降。因此，必須設(shè)計出有效的競爭與協(xié)作機制，激勵自私用戶參與網(wǎng)絡(luò)協(xié)作，

2、實現(xiàn)對資源公平、有效的共享。 博弈論是分析博弈參與者競爭和協(xié)作機制的數(shù)學工具，是使用嚴謹?shù)臄?shù)學模型研究沖突對抗條件下最優(yōu)決策問題的理論。本文使用博弈理論對無線網(wǎng)絡(luò)資源分配中所存在的用戶終端協(xié)作與競爭問題進行分析與研究，設(shè)計能夠激勵用戶參與網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的競爭機制，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的同時實現(xiàn)對資源的公平分配。 在物理層，研究了協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的資源（功率和帶寬）共享問題。以用戶節(jié)點之間的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)功率作為可共享資源，提出了一種基于

3、協(xié)作博弈論的協(xié)作功率分配方案。首先建立用戶節(jié)點基于分組轉(zhuǎn)發(fā)功率的協(xié)作博弈；然后證明所提出博弈存在唯一的納什議價解，并對求解算法的復(fù)雜度和可行性進行了分析。仿真結(jié)果表明，所提出的協(xié)作博弈模型及其納什議價解能夠在優(yōu)化系統(tǒng)性能的同時，保證節(jié)點之間資源共享的公平性，該公平性體現(xiàn)在節(jié)點參與協(xié)作中繼的程度（也就是它愿意貢獻的協(xié)作功率）依賴于它的協(xié)作伙伴能夠為它帶來的有效信噪比增益。 接下來研究一種非對稱的協(xié)作通信模型，探討中繼節(jié)點如何在多個

4、數(shù)據(jù)源節(jié)點之間分配有限的協(xié)作帶寬的問題。首先設(shè)計中繼節(jié)點的資源價格函數(shù)，以及用戶基于能量有效性的效用函數(shù)；然后，建立用戶最優(yōu)協(xié)作帶寬購買量的非協(xié)作博弈模型和博弈納什均衡解的集中式求解算法。為滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)用戶之間無法交換彼此信息的客觀條件約束，設(shè)計了一種均衡解的分布式搜索算法，并給出算法的收斂性條件。仿真結(jié)果說明，使用所提出資源分配機制，每個用戶節(jié)點只需獲取中繼節(jié)點的資源價格信息就可以收斂到納什均衡策略（最優(yōu)的帶寬資源購買量）。

5、 在MAC層，首先基于非協(xié)作博弈論提出一種無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議，用以提高802．11 DCF的性能。通過將節(jié)點間的信道競爭過程建模為非完全信息動態(tài)博弈，解得節(jié)點競爭信道的納什均衡策略（初始競爭窗口值）。根據(jù)此均衡策略提出對DCF的改進協(xié)議，即G-DCF。節(jié)點首先通過監(jiān)測信道、收集競爭的歷史信息，對當前博弈狀態(tài)（即競爭站點個數(shù)）進行統(tǒng)計；然后根據(jù)當前博弈狀態(tài)調(diào)整其均衡策略。為使空閑節(jié)點能準確估計博弈狀態(tài)，在其轉(zhuǎn)換到發(fā)送狀態(tài)時可以快速

6、調(diào)整到均衡策略，提出一種虛擬幀發(fā)送機制。研究的結(jié)果表明，G-DCF在系統(tǒng)處于飽和或非飽和狀態(tài)時，均能提高系統(tǒng)的吞吐量、降低時延及丟幀率。 同樣在IEEE802．11無線局域網(wǎng)的MAC層，針對802．11e EDCA的不公平現(xiàn)象，即當網(wǎng)絡(luò)負載較大時低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的吞吐量幾乎為零，提出一種基于隊列調(diào)度和非完全協(xié)作博弈論的媒體接入控制機制P-EDCA，實現(xiàn)按數(shù)據(jù)流權(quán)重、公平的系統(tǒng)帶寬資源分配。P-EDCA支持802．11e的多優(yōu)先級隊

7、列結(jié)構(gòu)，通過站點內(nèi)部的隊列調(diào)度機制Sintra-node保證各隊列分組獲取公平的站點發(fā)送權(quán)；通過基于非完全協(xié)作博弈的站點間信道競爭機制Sinter-node保證各站點獲取公平的信道訪問機率。仿真表明，P-EDCA能夠精確實現(xiàn)按權(quán)重、成比例的帶寬資源分配；與EDCA相比，在滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流QoS需求的前提下，P-EDCA能夠?qū)⒌蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)流的時延降低50％。 在跨層設(shè)計方面，首先，應(yīng)用協(xié)作博弈論提出一種OFDMA下行鏈路資源（功

8、率和子載波）分配算法（CGA），在有效利用系統(tǒng)資源的同時滿足用戶間的服務(wù)質(zhì)量（QoS）公平性。CGA算法以最大化系統(tǒng)凈效用（用戶數(shù)據(jù)速率的函數(shù)）為目標，將系統(tǒng)資源的分配過程建模為用戶間的協(xié)作博弈。通過線性復(fù)雜度的子載波分配，以及可控復(fù)雜度的功率分配，求得此博弈的納什議價解（子載波和功率分配結(jié)果）。與最大化系統(tǒng)速率（max-rate）和最大化最?。╩ax-min）公平性算法作比較，CGA算法在逼近系統(tǒng)容最大容量的同時，能夠滿足用戶對QoS

9、公平性（誤碼率和最小數(shù)據(jù)吞吐量）的要求。 最后，基于非協(xié)作博弈論提出一種多小區(qū)OFDMA資源分配方案。該方案充分考慮移動用戶可攜帶能量的有限性，以優(yōu)化用戶的能量有效性（每單位能量能獲得的服務(wù)質(zhì)量（QoS）滿意度）為目標。首先，定義能夠反映用戶QoS滿意度以及相應(yīng)能量開銷之間關(guān)系的用戶效用函數(shù)；在博弈中，任意小區(qū)中的基站與其用戶結(jié)成聯(lián)盟（coliation）與其它小區(qū)（即聯(lián)盟）競爭系統(tǒng)頻譜資源的使用，且每個聯(lián)盟的競爭目的是最大化本

10、小區(qū)的用戶效用之和；接下來，通過加入價格因子對博弈的納什均衡結(jié)果進行Pareto改進，達到對用戶進行功率控制、獲得較高的能量（頻譜）效益的目的。該方案僅需各小區(qū)中的基站交換價格參數(shù)，能夠滿足系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)的需要。與已有的多小區(qū)OFDMA資源分配博弈算法相比，所提出的博弈通過設(shè)置合理的用戶QoS滿意度函數(shù)，能夠保證用戶之間的QoS公平性，并有效的對用戶進行功率控制，獲得較高的能量效益。另外，通過加入價格因子對所提出博弈的納什均衡進行P