一種基于演化博弈論的動態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于異構(gòu)無線網(wǎng)絡移動性管理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于演化博 弈論的動態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信網(wǎng)絡消耗的能量占信息通信產(chǎn)業(yè)的大部分。由于能量消耗，不僅所排放 的二氧化碳等污染氣體對自然環(huán)境造成了重大傷害，而且也增加了網(wǎng)絡運營商的運營成 本。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，移動用戶數(shù)量呈爆炸式增長，將使這一問題變得更加嚴 重。另一方面，無線通信的設備主要是便攜的移動設備，其主要供能方式是電池，而電池儲 存的能量是有限的，這也將極大影響移動通信的發(fā)展。當前的無線網(wǎng)絡在最初架構(gòu)設計時 沒有將能量消耗作為重要的考慮因素，以致很多無線網(wǎng)絡的能量消耗偏高，例如WIFI。同 時，蜂窩網(wǎng)絡在最初架構(gòu)時對能量的考慮也不夠周全，導致能量消耗高，造成巨大的能量和 經(jīng)濟損失。
[0003] 異構(gòu)無線網(wǎng)絡選擇是異構(gòu)無線網(wǎng)絡移動性管理方面的重要內(nèi)容之一。不同的無線 通信系統(tǒng)具有不同的優(yōu)勢，多模移動終端設備可以根據(jù)不同的衡量標準，例如服務質(zhì)量、價 格、能量效率等，進行無線接入網(wǎng)絡選擇。
[0004] 因此，如何在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中充分利用不同無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢，合理調(diào)度無線資源、 降低能量消耗、提升能量效率，是異構(gòu)無線網(wǎng)絡接入中的一個非常重要的問題。
[0005] 國內(nèi)外許多研究小組已經(jīng)致力于異構(gòu)無線網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)的研究，異構(gòu)融合網(wǎng)絡技 術(shù)研究是國內(nèi)外二十世紀九十年代至今的研究熱點。近年來開展的相關(guān)研究項目和課題有 中國國家863計劃通信主題的重大項目未來通信通用環(huán)境future、歐洲電信標準協(xié)會的寬 帶無線接入網(wǎng)標準項目ETSI RAN、歐盟1ST的框架結(jié)構(gòu)中的WINE GLASS和BRAIN/MIND項 目以及日本的e-Japan計劃下的MIRAI項目等。國內(nèi)外一系列研究已經(jīng)取得了很多成果， 但是還有很多問題需要繼續(xù)研究。
[0006] 盡管全球很多研究機構(gòu)都在探索異構(gòu)無線網(wǎng)絡方面的研究，并且取得了很多成 果，但是面對日益增長的無線網(wǎng)絡用戶數(shù)目以及未來多種無線網(wǎng)絡與移動終端共存的通信 環(huán)境，異構(gòu)無線網(wǎng)絡選擇研究仍是一個有價值的課題。并且，異構(gòu)無線網(wǎng)絡中基于能量效率 的網(wǎng)絡選擇研究較少，很多研究沒有考慮能量因素或者只是把能量因素看作一個常量。因 此，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中研究基于能量效率的無線網(wǎng)絡接入技術(shù)非常有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種基于演化博弈論的動 態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法，保證用戶在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中獲得總是最好連接（Always Best Connected，ABC)服務的基礎上，能夠提高異構(gòu)無線網(wǎng)絡的能量效率。
[0008] 本發(fā)明提供一種基于演化博弈論的動態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1建立基于IP核心網(wǎng)絡的松耦合異構(gòu)無線網(wǎng)絡架構(gòu)，設定該異構(gòu)無線網(wǎng)絡中 的信號傳輸模型，并針對所述信號傳輸模型定義能量模型；
[0010] 步驟2針對所述步驟1建立的網(wǎng)絡架構(gòu)，建立演化博弈模型，包括定義收益模型和 所述演化博弈模型參數(shù)設定，其中：
[0011] 所述收益模型定義為：Uj(n) = f (CjOiD-gbjOl))，其中，η表示選擇無線網(wǎng)絡j的 用戶數(shù)量；f (C](n))和g(P](n))分別表示收益函數(shù)和代價函數(shù)；C](n)表示無線網(wǎng)絡j的數(shù) 據(jù)率； ρ] (η)表示無線網(wǎng)絡j的能量消耗；
[0012] 所述演化博弈模型參數(shù)包括：
[0013] (1)區(qū)域h的群體的策略選擇比例用向量々=?,?,心…，·^丨表示，其中Xh^ 示區(qū)域h中選擇無線網(wǎng)絡j的用戶占區(qū)域h總用戶數(shù)的比例；S n表示可供選擇的無線網(wǎng)絡 總數(shù)，并且滿足關(guān)系式：
[0014] (2)區(qū)域h的總用戶數(shù)定義為Nh，其中選擇無線網(wǎng)絡j的總用戶數(shù)定義為N h]，并且 滿足關(guān)系式：Nhj = Nh · xhj; B
[0015] (3)假設無線網(wǎng)絡j分配給每個用戶的帶寬為馬=#，分配給每個用戶的數(shù)據(jù)率 ''J C 為￡廣]^，其中，Bp C,分別表示無線網(wǎng)絡j的總帶寬和總數(shù)據(jù)率，N ,表示選擇無線網(wǎng)絡j 的用戶數(shù)；
[0016] 步驟3針對所述演化博弈論模型，通過復制動態(tài)來求解演化博弈的均衡點，使得 演化博弈達到的穩(wěn)定狀態(tài)；
[0017] 步驟4不斷調(diào)整用戶選擇的網(wǎng)絡以獲得最好的收益，直至所有用戶都達到了所述 步驟3的演化博弈穩(wěn)定狀態(tài)，整個流程結(jié)束。
[0018] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0019] (1)建立能量效率模型，通過香農(nóng)公式推導出無線信道傳輸?shù)哪芰肯哪Ｐ?，而?還綜合考慮了用戶的接收功率。能量效率定義為數(shù)據(jù)率和能量消耗的函數(shù)，用戶根據(jù)收益 選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡，使得用戶的網(wǎng)絡選擇綜合考慮了用戶的服務質(zhì)量和能量消耗；
[0020] (2)應用演化博弈理論對異構(gòu)融合網(wǎng)絡的動態(tài)網(wǎng)絡選擇建模，異構(gòu)系統(tǒng)中的一個 覆蓋區(qū)域模擬為生物演化論中的一個群體，用戶之間通過相互競爭來選擇網(wǎng)絡，并且不斷 調(diào)整網(wǎng)絡選擇，淘汰效益低的網(wǎng)絡，使整個異構(gòu)系統(tǒng)各區(qū)域的用戶收益達到平衡；
[0021 ] (3)改進的Q-Learning算法，把控制理論里的基礎Q-Learning算法運用到 異構(gòu)無線網(wǎng)絡選擇中來，把網(wǎng)絡選擇過程模擬為一個多Agent的馬爾可夫過程，然后用 Q-Learning算法實現(xiàn)用戶的網(wǎng)絡選擇過程。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明基于演化博弈論的動態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法的流程圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明異構(gòu)無線網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明異構(gòu)無線網(wǎng)絡傳輸模型示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026] 圖1所示為基于演化博弈論的動態(tài)無線網(wǎng)絡選擇方法的流程圖，具體包括以下步 驟：
[0027] 步驟1建立基于IP核心網(wǎng)絡的松耦合異構(gòu)無線網(wǎng)絡架構(gòu)，設定該異構(gòu)無線網(wǎng)絡中 的信號傳輸模型，并針對該傳輸模型定義本發(fā)明的能量模型。
[0028] 在本發(fā)明實施例中，信號傳輸模型具體表示為：44)，其中，^和^ 分別表示用戶i與無線網(wǎng)絡j的基站通信的發(fā)送功率和接受功率；Ch1,表示用戶i和無線 網(wǎng)絡j的基站的信道參數(shù)。
[0029] 在本發(fā)明實施例中，能量模型為基于上述信號傳輸模型中雙方通信數(shù)據(jù)發(fā)送和接 收所產(chǎn)生的發(fā)送功率和接收功率之和，表示為如下公式：
[0030] Pa= P tx+Prx (1)
[0031] 其中，Ptx、P"分別表示發(fā)送功率和接收功率。根據(jù)香農(nóng)公式，在高斯白噪聲干擾信 道中，傳輸速率可以表示為：
[0032]
(2)
[0033] 其中，C表示傳輸速率；B表示信道帶寬；〇2表示噪聲功率；g表示信道增益，因此 發(fā)送功率可以表示為：
[0034]
(3)
[0035] 根據(jù)發(fā)送功率和接收功率的關(guān)系，可以得到接收功率為：
[0036] Prx=Kd λ WPtx (4)
[0037] 其中，d、λ分別表示傳輸距離、路徑損耗指數(shù)；隨機變量Ψ表示衰落過程；在本發(fā) 明實施例中，系數(shù)K可以表示為：
[0038] K = UVff (5)
[0039] 其中，變量U表示基站和移動終端的因素，例如天線高度、載波頻率、傳播條件等； 變量V、W表示天線模式參數(shù)等信息。
[0040] 步驟2針對步驟1建立的網(wǎng)絡架構(gòu)，對動態(tài)網(wǎng)絡運用演化博弈論的方法建立演化 博弈模型，該模型建立過程包括定義收益模型和模型參數(shù)設定兩部分。
[0041] 在本發(fā)明實施例中，收益模型包括：用戶收益（即數(shù)據(jù)傳輸?shù)墨@得的數(shù)據(jù)率）和代 價（即數(shù)據(jù)傳輸對應的能量消耗）。具體的，本發(fā)明將收益模型定義為用戶選擇無線網(wǎng)絡j 時所獲得的收益和代價的凹函數(shù)，定義如下：
[0042] U j (n) = f (c j (η)) -g (p s (η)) (6)
[0043] 其中，η表示選擇無線網(wǎng)絡j的用戶數(shù)量；f(C](n))和g(P](n))分別表示用戶獲 得的數(shù)據(jù)率和消耗的能量，即收益函數(shù)和代價函數(shù)； c] (η)表示無線網(wǎng)絡j的數(shù)據(jù)率；ρ] (η) 表示無線網(wǎng)絡j的能量消耗。
[0044] 收益函數(shù)f (Cj (η))定義為：
[0045] f (c j (n)) = α · c j (n) (7)
[0046] 其中，α是調(diào)整系數(shù)。
[0047] 代價函數(shù)g (P j (η))定義為：
[0048] g (p j (η)) = β · P j (η)⑶
[0049] 其中，β也是調(diào)整系數(shù)。α和β分別是用來規(guī)格化收益函數(shù)和代價函數(shù)（根據(jù) 實際函數(shù)進行取值）。
[0050] 在本發(fā)明實施例中，演化博弈模型參數(shù)定義如下：本發(fā)明將一個區(qū)域里面的所有 用戶定義為一個群體，每個群體可選擇的網(wǎng)絡集合為一個策略集，由于地理位置的限制，每 個群體能夠選擇的策略集不同。
[0051] 幾個與演化博