异构无线网络资源管理及博弈研究

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各类无线网络接入技术的出现以及广泛的布署为移动用户提供了一个普适、异构的无线网络接入环境。在这种异构无线多接入网络系统中,每种无线网络接入技术具有自身的特性和特征(包括数据传输率、覆盖范围、容量以及移动性、服务质量、安全保证等)。各种接入技术之间各有优势,彼此之间共同存在、重叠覆盖、互相补充、互相融合,共同为移动用户提供更好的服务质量保证。一方面,多模移动终端可以根据业务服务质量需要或用户偏好,灵活地接入到更适宜的无线网络中,并确保其在移动过程中的服务质量。另一方面,对网络的运营商来言,可以通过各种无线网络接入技术的协同工作,提高网络的资源利用率,获取更大的收益。异构无线网络的资源管理是通过多种无线接入技术之间的集成和融合,采用联合或协作的决策算法、调度机制和协调手段实现无线网络资源的有效配置。异构无线网络资源管理的主要工作包括负载均衡、网络选择、垂直切换、接纳控制以及无缝漫游、服务质量保障等。本文针对异构无线网络中不同接入技术网络间负载不平衡的问题,从系统方案和决策算法的角度出发,以提高无线资源的性能和效率为目的,实现异构无线网络资源的有效管理。在研究过程中,本文主要针对几种特定的异构无线网络场景,引入各类最优化理论方法,提出了几种异构无线网络资源管理方案。提出的方案和算法中既包括集中式管理方式,也包括分布式管理方式,同时又分别考虑了用户利益、运营商收益以及网络系统的社会效用等多个方面。通过理论证明和仿真实验相结合的方法分析、验证了相应算法的有效性。本文方案对异构无线网络融合技术的实现和部署应用具有参考价值。具体地,本文的工作主要包括以下几部分:(1)针对紧耦合的异构无线网络环境,提出了一种基于关联控制的网络侧异构无线网络资源管理方案,实现了用户带宽分配的近似max-min公平。在异构无线网络环境下,业务在不同接入技术网络的不均衡分布导致了用户之间的资源分配不一致。首先对IEEE802.21协议进行了扩展,使得网络资源中心管理实体能够获得各接入网络的状态信息和用户信息,进行集中决策。然后引入了基于关联控制的负载均衡算法,关联控制的目标是实现移动用户的max-min公平带宽分配。异构无线网络中取得max-min公平带宽分配是一个NP-hard问题,设计了多项式时间算法来获得次优的近似解。最后仿真实验验证了提出的算法在保证用户带宽分配的公平以及提升异构无线网络整体性能上的有效性。(2)针对松耦合的异构无线网络的负载平衡问题,提出了一种基于群体博弈的用户网络关联方案,取得了移动用户的最优关联网络和异构无线网络总体吞吐量的最大。首先将异构无线网络的用户网络关联问题抽象成一个群体博弈模型,根据用户在网络中得到的收益函数,证明该群体博弈满足势博弈的条件。利用复制动态作为演化动态工具,证明演化的结果最终会收敛到纳什均衡,这个特性确保了每个用户关联到一个效用最优的网络。然后证明纳什均衡点能最大化整个异构无线网络的吞吐量,保证了纳什均衡的有效性。最后,基于复制动态原理提出了用户网络关联算法。仿真实验模拟了用户网络选择过程,得到了均衡点,验证了理论分析的结果。(3)基于接入网络相互独立的异构无线网络环境,利用多主多从Stackelberg博弈模型,提出了一种同时满足用户和网络运营商效用最大的异构无线网络资源分配方案,取得了移动用户的最优带宽需求策略和网络运营商最优价格策略。首先设计了一种基于收益和花费的用户效用函数,同时考虑了两种特性的业务流,并证明这两类业务在网络的价格确定后,效用函数满足凹函数的条件,保证了移动用户间的非合作博弈的纳什均衡点存在。然后设计了一种分布式迭代算法来取得参与者的最优带宽策略和最优价格策略。用户将效用函数的一阶导数作为带宽策略的变化率,来改变用户自身的带宽策略,并能保证最终能够收敛到纳什均衡点。运营商通过边际效用调节自身价格,在纳什均衡点处能够取得最优的价格策略。仿真实验模拟了迭代过程,得到了子博弈完美纳什均衡解。
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