基于博弈论的多用户双向选择卫星异构网络算法

蒋静雅，郭道省

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

未来卫星通信系统是一个能将现有和未来的各种无线系统有机融合在一起的开放式异构网络。在异构网络系统中，要求用户和网络可以根据业务需要和满意度等因素随时选择对自身最合适的接入系统，从而既满足用户越来越灵活多变的个性化业务需求，又兼顾网络运营等问题。各种卫星网络提供了功能侧重不同的服务，用户如何在保证自身满意度的同时兼顾网络的满意度，同时达到用户与网络的双赢是必须要研究的课题。

当前，针对异构网络选择的算法越来越多，大致可分为3类。第一类是以用户为中心的网络选择算法[1-2]，第二类是以网络为中心的选择算法[3-5]，决策因素由少到多，渐趋完善。但这两类算法都只从一方面考虑网络选择问题，仅能满足用户或网络单方面需求。第三类算法兼顾了用户与网络双方需求，但针对卫星异构网络选择的算法则较少，参考文献[6]以网络的特征与费用为决策目标；参考文献[7]提出了网络与用户的双向选择算法,但并非卫星异构网络；参考文献[8]同时考虑到了用户与网络的满意度，但并非针对异构网络；参考文献[9]是在卫星异构条件下，但仅考虑了用户一方的满意度。

针对以上问题，本文提出了一种基于博弈论的多用户接入网络选择算法，通过用户与网络的相互博弈来取得双方效益最大化，提升卫星异构网络的整体性能。

1 博弈模型的算法描述

假设有 限集 Net={N1，N2，…，NM}、Usr={U1，U2，…，UN}分别表示待选的网络集和用户集，集合Net是由卫星窄带网、宽带网、抗干扰网等构成的异构网络，集合Usr由低速语音业务、高速宽带多媒体业务和短消息传真业务等用户组成。各用户至少被两个接入网络所覆盖，且每个用户（网络）对网络（用户）都有各自的偏好。为了便于分析，本文假定所有用户都被Net中所有网络所覆盖，且网络与用户之间均可以做到相互选择。

本文以业务服务质量QoS(记为q，包括时延 α、抖动β、误码率 γ）、带宽(B)、负载情况(L)、用户或网络的偏好(F)及网络的抗干扰性能(J)等作为决策因素并依据层次分析法来分别建立用户与网络双方各自目标函数Faim。

f为各决策因素的归一化函数，ω为各决策因素权重。Fnaim为用户可选择的网络目标函数，Fuaim为网络可选择的用户目标函数。对Fnaim和Fuaim进行各自降序排列，排得越前，被选的可能性越大。

网络与用户双方博弈算法描述如下：

(1)每个用户首先选择Fnaim中排名第一的网络，并发送入网请求；

(2)每个网络把入网请求的用户与Fuaim中靠前的用户进行对比，允许排序靠前的用户入网，并拒绝其他用户；

(3)被拒绝的用户再向其他未拒绝其入网并且Fnaim排名靠前的网络发送入网请求；

(4)每个网络把请求用户与Fuaim中排名靠前的用户对比，选择靠前的用户入网，并拒绝其他用户；

(5)重复步骤(3)～(4)，直至所有用户入网。

2 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是多标准决策的常用方法之一，它是用两两决策因素的重要性程度之比来表示相应重要性程度等级，步骤如下：

(1)根据决策因素建立阶梯层次结构，包括目标层、准则层和方案层，如图1所示。

图1 卫星异构网络选择阶梯层次结构

(2)构造判断矩阵，采用 1～9标度，记 aij为第 i和第j决策因素的重要性程度之比。

(4)权值合成，即全局权值由本地权值和上层相应权值的乘积得到。

3 算法仿真及结果分析

3.1 用户选择网络

3.1.1 接入网络的决策因素归一化

影响网络选择的决策因素大致分成两类，一类为正向型因素，越大越好，如带宽、负载能力、抗干扰性能等；另一类为负向型向量，越小越好，如时延、抖动、误码率等，其归一化如式（2）、式（3）。

Xi表示当前网络条件下的用户值，Xmax为用户业务所要求的最大值限制，Xmin为网络所能提供的最小值。

3.1.2 仿真环境

假设网络集 Net={N1，N2，…，N6}中 N1、N2为 窄带网，N3、N4为宽带网，N5、N6为抗干扰网；用户集 Usr={U1，U2，…，U6}中 U1、U2为第一类低速语音业务，U3、U4为第二类宽带多媒体业务，U5、U6为第三类短消息传真业务。网络和用户类型参数分别如表1、表2所示。

表1 网络类型参数表

表2 业务类型参数表

设业务所能承受的最大时延、抖动、误码率值分别为 60 ms、70 ms、6×10-4， 其余各决策因素采用相对无量纲数值。根据用户自身特点，三类用户对窄带网、宽带网、抗干扰网的偏好可分别取 1、0.5、0.1；0.5、1、0.1；0、0、1。

3.1.3 网络排序

第一类用户：根据各决策影响因素归一化方法可得该类用户对于N1的归一化向量为：

f=[α βγ B L F J]=[0.971 1 0.2 1 1 0]，构造判断矩阵，如表3、表4所示。

表3 第一类用户第一层权重

表4 第二层权重计算

根据层次分析法计算权重得：

ω=[0.211 0.121 0.030 0.169 0.146 0.282 0.040]

FN1=f·ω=0.851

同理可得其余网络的FN，用向量表示为：

Fn=[0.851 0.745 0.556 0.455 0.394 0.287]，即实时aim话音业务用户偏好的网络排序为 N1，N2，N3，N4，N5，N6。

第二类用户的第一、二层权重判断矩阵如表5、表4所示。得Fnaim=[0.636 0.536 0.916 0.887 0.619 0.519]，网络排序为 N3，N4，N1，N5，N2，N6。

表5 第二类用户第一层权重

第三类用户由于其对网络的抗干扰能力要求较高，第二层权重需重新构造，判断矩阵如表6、表7所示。

表6 第三类用户第一层权重

表7 第三类用户第二层权重

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

3.2 网络选择用户

网络选择用户的Fuaim也由以上各决策因素组成，但与用户选择网络不同，这些决策因素中QoS、F、L为正向型向量，B为负向型向量，构造判断矩阵如表8、表 9所示。

与用户选择网络方法相似，即窄带、宽带与抗干扰网 可 选 择 的 用 户 排 序 分 别 为 U1，U2，U4，U3，U5，U6；U3，U4，U1，U2，U5，U6；U5，U6，U1，U2，U4，U3。

3.3 博弈双方互相选择

根据算法思想及用户与网络各自可供选择的目标排序集，得最终双向选择结果，如表10所示。即窄带网↔低速语音业务，宽带网↔高速多媒体业务，抗干扰网↔传真短消息业务，符合实际要求。

表8 网络第一层权重

表9 网络第二层权重

表10 双向选择结果

4 结论

网络选择是卫星异构网络发展的关键问题，本文提出了一种新的双方博弈网络选择算法，既满足了用户的多化样需求，同时兼顾网络的满意度，仿真结果也验证了算法的可行性，确实做到了网络与用户双赢，具有一定的实用性。

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