無線異構網絡的協作與競爭關系探討

劉曉爽 李建鋒

摘要：不同的網絡可以提供不同的服務。為了使效益最優化，異構網絡構成一個整體，相互之間可以競爭，也可以合作。因此，研究了由蜂窩網絡、無線局域網和WMAN三種網絡構成的異構網絡之間的競爭協同機制。首先，考慮了具有競爭和協同效應的網絡自然增長率。然后，利用常微分原理分析了模型的穩定性及其平衡點。最后仿真結果表明，自然增長率不能增加網絡的效益，但是異構網絡之間的有效合作可以增加每個網絡的效益，競爭則會降低每個網絡的效益。

關鍵詞： 異構網絡;協作;競爭;效益

中圖分類號：TN929.5;TP212.9 ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0029-03

Abstract：Different network provides different service. To maximize the profit， heterogeneous networks form a whole， which may either compete or cooperate with each other. In this paper， 為 build the competitive and cooperative mechanisms of heterogeneous networks which contain three networks， namely， cellular network， WLAN and WMAN. This paper considers the natural growth rate of the network with competitive and cooperative effects. Then， the stability of the proposed model and its equilibrium points are analyzed by the ordinary differential principle. Finally， simulation results show that the natural growth rate cannot increase the profit of the network， but effective cooperative among heterogeneous networks can increase the profit of each network， andcompetitive may decrease the profit of each network.

Key words： heterogeneous networks; cooperative; competitive;profit

1 概述

無線移動通信的發展和演進出現了許多不同的接入技術，比如無線蜂窩移動通信系統、全球微波互聯接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）和無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）[1]。所謂無線異構網絡（Heterogeneous Wireless Networks），就是存在多種不同的無線接入技術的網絡，它連接這些不同類型網絡，并提供統一的接入、無縫的覆蓋和普遍的移動性支持。

隨著無線通信技術的發展，各種異構通信技術使用戶可以隨時隨地提供訪問數據網絡。在異構無線網絡中，具有多網絡接口的用戶終端能夠訪問不同的網絡，選擇服務成本最低、服務質量最優的網絡[2]。在此環境下，為通過吸引更多的用戶，所有的運營商相互競爭以獲得最大的收益。而激烈的競爭會導致產品價格的下降，進而降低運營商的總利潤，這對運營商來說是不可取的。在這種情況下，運營商就會選擇合作而不是競爭[3]。為此，異構網絡之間的合作已成為一個重要的研究課題。

文獻[4]的作者提出了三種不同的定價模型，即認知無線電環境下的頻譜交易的市場均衡、競爭和合作定價模型。在這些定價模型中，主要服務提供者有不同的行為（即競爭和合作）以實現不同的頻譜交易目標。Zhou等人對多通道多無線電多跳無線網絡視頻流問題進行了研究，以最小化視頻失真，達到一定的公平性為目標，開發了全分布式調度方案。文獻[5]通過考慮多媒體取證、網絡適應和最后期限驅動的調度，為資源有限的異構網絡上的延遲敏感多媒體應用程序提供了一個新的框架。特別是，他們開發了一個聯合取證調度方案，根據可負擔的取證開銷和預期的服務質量分配可用的網絡資源，自適應地調整可伸縮的媒體感知取證，并安排傳輸以滿足應用程序的sdelay約束。在文獻[6]中，H. Chang等人利用市場模型為異構網絡開發了一種合作的頻譜共享方案，其中他們引入了漫游率作為激勵每個服務提供者在其授權用戶暫時利用其他服務提供者的服務時獲得額外收益。然后，他們利用經濟學的供求概念，得到了所有服務提供商和所有許可用戶同時滿足分配帶寬和價格的均衡。C. Singh和S. Sarkar利用可轉移支付聯盟博弈[7]理論對異構網絡服務提供商之間的合作進行了研究。

因此，為了最大化效益，一個系統由一些無線異構網絡構成，這些網絡之間可能相互合作和競爭。在這個系統中，由于異構網絡之間的相互作用，利潤最大化問題變得更加復雜。本文的問題公式、解決方法和結果不同于以往研究。這里研究了異構網絡之間的合作和競爭行為，采用差分動態模型[8]構建無線異構網絡之間的合作和競爭框架，來協調網絡間的相互關系。

本文組織如下，第二部分介紹了無線異構網絡和系統假設。第三部分是合作與競爭效果的穩定性分析。第四部分是實驗數據分析。最后，給出了本文的結論。

2 無線異構網絡

本文考慮的異構無線接入網絡是由CDMA蜂窩網絡（Cellular network）、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN（無線城域網：Wireless Metropolitan Area Networks）3個網絡組成的，同時具有多個無線收發器的移動設備能夠連接到這些無線接入網。這里考慮的地理區域是完全由WMAN基站覆蓋，部分由WLAN接入點（APs）覆蓋，部分由蜂窩網絡基站覆蓋的。假設移動設備（Mobile device）能夠連接到相應服務區的每個網絡，且其具有完善的功率控制，從而可以保證覆蓋區域的可用傳輸速率一致。

在異構的無線接入環境中，三個網絡N1、N2、N3可提供服務，它們或相互競爭，或相互合作。在時間[t]網絡Ni的收益用[pi（t）]表示，收益變化率用[pi'（t）]表示，則[fi（pi（t））=pi'（t）/pi（t）]表示其即時增長率。網絡Ni的最大利潤用[mi]表示，則[fi（pi（t））]與三個網絡N1、N2、N3的狀態變量有關。故[fi（pi（t））]應該改寫為[fi（P）]，其中 [P=（p1（t），p2（t），p3（t））T]。因此，[dpi（t）dt=pi（t）fi（P）]。

合作與競爭作為4G無線異構網絡體系的固有屬性，它們的相互作用可以推動系統的自組織演化，相互作用程度就決定了系統的有序度和穩定性。因此，本文所構建的目標函數是網絡規模的變異模型，即異構網絡間競爭、合作效應及網絡自然增長率的函數。因此，引入了[αij（-1αij1）]和[βij（-1βij1）]兩個參數分別表示3個網絡間的資源分配模式導致的競爭和合作效果。本文利用微分動力學模型[9]對網絡的收益演化進行了建模，即競爭網絡和合作網絡的收益演化可以寫成

其中，[gi]表示收益的自然增長率。協同效應[βij]可能導致網絡規模的正增長，而網絡間的競爭效應[αij]則導致網絡規模的負增長。因此，研究網絡規模如何隨[gi]、[αij]、[βij]這三個因素的變化趨勢是非常重要的內容，本文將在下一節對此展開深入研究。

3 穩定性分析

在本節中，為了揭示系統發展過程的客觀規律，將討論網絡規模如何隨這三個因素的變化而達到穩定狀態。根據系統消去過程，通過求解可得到式（1）-（3）的平衡點

其特征值設為[λ1]， [λ2]， [λ3]。根據常微分原理[9]，平衡點的穩定性可以用[k]， [l]， [w]的正負號，或[λ1]， [λ2]， [λ3]的正負號來判斷。若[k>0]， [w>0]， [kl-w>0]，則平衡點為穩定點;否則，平衡點就是不穩定點。接下來，將8個平衡點分別代入式（8）中就可以判斷該平衡點是否為穩定點，這里不再贅述。

代入結果表明，如果平衡點是一個穩定點，則說明網絡系統是穩定的，其中異構網絡的協同效應大于對其競爭效應，或競爭效應很小，因此不能引起整個網絡系統的波動。故系統是穩定的，反之亦然。

4 實驗分析

本文采用Matlab進行了一系列仿真實驗來驗證合作與競爭效果的穩定性分析的有效性。假設三維空間監測區域的長度為[100m]，該區域隨機有85個傳感器節點，傳感器節點半徑為[R=20m]，設WLAN、蜂窩網絡和WMAN的最大利潤分別為200、150和100。圖1顯示了WLAN、蜂窩網絡和WMAN隨時間變化的效益曲線。當合作系數小于競爭系數，即[m1=200]， [m2=150] and [m3=100]， [r1=r2=r3=0.01]， [α12=0.3]， [α13=0.4]， [α21=0.5]， [α23=0.6]， [α31=0.7]， [α32=0.8]， [β12=0.1]， [β13=0.2]，? [β21=0.3]， [β23=0.4]， [β31=0.5]和[β32=0.6]。在這種情況下，每個網絡的效益將減少。因此，過度的競爭會降低每個網絡的效益，從而使系統不穩定。

從上述實驗結果可以看出，當網絡系統接近演化穩定狀態時，合作機制下各網絡的效益均大于非合作方案下各網絡的效益。因此，異構網絡的合作優化了系統結構，增加了系統的總利潤。

5 結論

異構網絡作為整個網絡系統的組成部分，或相互競爭，或相互合作，以實現效益最大化。本文構建的模型揭示了聯合系統的動態機理，即系統發展過程的客觀規律。首先介紹了無線異構網絡，并分析了網絡的自然增長率和網絡之間的合作和競爭效應。利用常微分原理，研究了系統的穩定性及其平衡點。最后，實驗結果表明，整個網絡系統的穩定性取決于各個子系統的協同機制。為了進一步的研究，下一步將探索無線異構網絡的一些合作方案，以最少的時間獲得最大的收益。

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[通聯編輯：梁書]