基于博弈論的多用戶雙向選擇衛星異構網絡算法

蔣靜雅，郭道省

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

未來衛星通信系統是一個能將現有和未來的各種無線系統有機融合在一起的開放式異構網絡。在異構網絡系統中，要求用戶和網絡可以根據業務需要和滿意度等因素隨時選擇對自身最合適的接入系統，從而既滿足用戶越來越靈活多變的個性化業務需求，又兼顧網絡運營等問題。各種衛星網絡提供了功能側重不同的服務，用戶如何在保證自身滿意度的同時兼顧網絡的滿意度，同時達到用戶與網絡的雙贏是必須要研究的課題。

當前，針對異構網絡選擇的算法越來越多，大致可分為3類。第一類是以用戶為中心的網絡選擇算法[1-2]，第二類是以網絡為中心的選擇算法[3-5]，決策因素由少到多，漸趨完善。但這兩類算法都只從一方面考慮網絡選擇問題，僅能滿足用戶或網絡單方面需求。第三類算法兼顧了用戶與網絡雙方需求，但針對衛星異構網絡選擇的算法則較少，參考文獻[6]以網絡的特征與費用為決策目標；參考文獻[7]提出了網絡與用戶的雙向選擇算法,但并非衛星異構網絡；參考文獻[8]同時考慮到了用戶與網絡的滿意度，但并非針對異構網絡；參考文獻[9]是在衛星異構條件下，但僅考慮了用戶一方的滿意度。

針對以上問題，本文提出了一種基于博弈論的多用戶接入網絡選擇算法，通過用戶與網絡的相互博弈來取得雙方效益最大化，提升衛星異構網絡的整體性能。

1 博弈模型的算法描述

假設有 限集 Net={N1，N2，…，NM}、Usr={U1，U2，…，UN}分別表示待選的網絡集和用戶集，集合Net是由衛星窄帶網、寬帶網、抗干擾網等構成的異構網絡，集合Usr由低速語音業務、高速寬帶多媒體業務和短消息傳真業務等用戶組成。各用戶至少被兩個接入網絡所覆蓋，且每個用戶（網絡）對網絡（用戶）都有各自的偏好。為了便于分析，本文假定所有用戶都被Net中所有網絡所覆蓋，且網絡與用戶之間均可以做到相互選擇。

本文以業務服務質量QoS(記為q，包括時延 α、抖動β、誤碼率 γ）、帶寬(B)、負載情況(L)、用戶或網絡的偏好(F)及網絡的抗干擾性能(J)等作為決策因素并依據層次分析法來分別建立用戶與網絡雙方各自目標函數Faim。

f為各決策因素的歸一化函數，ω為各決策因素權重。Fnaim為用戶可選擇的網絡目標函數，Fuaim為網絡可選擇的用戶目標函數。對Fnaim和Fuaim進行各自降序排列，排得越前，被選的可能性越大。

網絡與用戶雙方博弈算法描述如下：

(1)每個用戶首先選擇Fnaim中排名第一的網絡，并發送入網請求；

(2)每個網絡把入網請求的用戶與Fuaim中靠前的用戶進行對比，允許排序靠前的用戶入網，并拒絕其他用戶；

(3)被拒絕的用戶再向其他未拒絕其入網并且Fnaim排名靠前的網絡發送入網請求；

(4)每個網絡把請求用戶與Fuaim中排名靠前的用戶對比，選擇靠前的用戶入網，并拒絕其他用戶；

(5)重復步驟(3)～(4)，直至所有用戶入網。

2 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是多標準決策的常用方法之一，它是用兩兩決策因素的重要性程度之比來表示相應重要性程度等級，步驟如下：

(1)根據決策因素建立階梯層次結構，包括目標層、準則層和方案層，如圖1所示。

圖1 衛星異構網絡選擇階梯層次結構

(2)構造判斷矩陣，采用 1～9標度，記 aij為第 i和第j決策因素的重要性程度之比。

(4)權值合成，即全局權值由本地權值和上層相應權值的乘積得到。

3 算法仿真及結果分析

3.1 用戶選擇網絡

3.1.1 接入網絡的決策因素歸一化

影響網絡選擇的決策因素大致分成兩類，一類為正向型因素，越大越好，如帶寬、負載能力、抗干擾性能等；另一類為負向型向量，越小越好，如時延、抖動、誤碼率等，其歸一化如式（2）、式（3）。

Xi表示當前網絡條件下的用戶值，Xmax為用戶業務所要求的最大值限制，Xmin為網絡所能提供的最小值。

3.1.2 仿真環境

假設網絡集 Net={N1，N2，…，N6}中 N1、N2為 窄帶網，N3、N4為寬帶網，N5、N6為抗干擾網；用戶集 Usr={U1，U2，…，U6}中 U1、U2為第一類低速語音業務，U3、U4為第二類寬帶多媒體業務，U5、U6為第三類短消息傳真業務。網絡和用戶類型參數分別如表1、表2所示。

表1 網絡類型參數表

表2 業務類型參數表

設業務所能承受的最大時延、抖動、誤碼率值分別為 60 ms、70 ms、6×10-4， 其余各決策因素采用相對無量綱數值。根據用戶自身特點，三類用戶對窄帶網、寬帶網、抗干擾網的偏好可分別取 1、0.5、0.1；0.5、1、0.1；0、0、1。

3.1.3 網絡排序

第一類用戶：根據各決策影響因素歸一化方法可得該類用戶對于N1的歸一化向量為：

f=[α βγ B L F J]=[0.971 1 0.2 1 1 0]，構造判斷矩陣，如表3、表4所示。

表3 第一類用戶第一層權重

表4 第二層權重計算

根據層次分析法計算權重得：

ω=[0.211 0.121 0.030 0.169 0.146 0.282 0.040]

FN1=f·ω=0.851

同理可得其余網絡的FN，用向量表示為：

Fn=[0.851 0.745 0.556 0.455 0.394 0.287]，即實時aim話音業務用戶偏好的網絡排序為 N1，N2，N3，N4，N5，N6。

第二類用戶的第一、二層權重判斷矩陣如表5、表4所示。得Fnaim=[0.636 0.536 0.916 0.887 0.619 0.519]，網絡排序為 N3，N4，N1，N5，N2，N6。

表5 第二類用戶第一層權重

第三類用戶由于其對網絡的抗干擾能力要求較高，第二層權重需重新構造，判斷矩陣如表6、表7所示。

表6 第三類用戶第一層權重

表7 第三類用戶第二層權重

Fn=[0.142 0.097 0.165 0.127 0.966 0.896]，網絡aim排序為 N5，N6，N3，N1，N4，N2。

3.2 網絡選擇用戶

網絡選擇用戶的Fuaim也由以上各決策因素組成，但與用戶選擇網絡不同，這些決策因素中QoS、F、L為正向型向量，B為負向型向量，構造判斷矩陣如表8、表 9所示。

與用戶選擇網絡方法相似，即窄帶、寬帶與抗干擾網 可 選 擇 的 用 戶 排 序 分 別 為 U1，U2，U4，U3，U5，U6；U3，U4，U1，U2，U5，U6；U5，U6，U1，U2，U4，U3。

3.3 博弈雙方互相選擇

根據算法思想及用戶與網絡各自可供選擇的目標排序集，得最終雙向選擇結果，如表10所示。即窄帶網?低速語音業務，寬帶網?高速多媒體業務，抗干擾網?傳真短消息業務，符合實際要求。

表8 網絡第一層權重

表9 網絡第二層權重

表10 雙向選擇結果

4 結論

網絡選擇是衛星異構網絡發展的關鍵問題，本文提出了一種新的雙方博弈網絡選擇算法，既滿足了用戶的多化樣需求，同時兼顧網絡的滿意度，仿真結果也驗證了算法的可行性，確實做到了網絡與用戶雙贏，具有一定的實用性。

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