CN106535211B - 一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置，包括获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数；按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，确定所述小基站回程接入选择的策略空间；将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署。因此，所述基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置，能够考虑可靠性的同时，也考虑了基站运行的能耗。

Description

一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，特别是指一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置。

背景技术

随着移动通信的飞速发展，移动终端数量的剧增，数据流量呈指数级飞速增长。根据思科预计，未来五年之内，移动设备的网络流量将增长18倍。面对这样的流量增长趋势，移动回程网络的部署迎来多方面的挑战。一方面，需要提高用户的接入传输速率等指标满足用户的体验和需求。另一方面，需要保证移动回程网络的可靠性满足运营商服务质量。移动蜂窝异构网络可以有效增强网络的热点覆盖和网络容量。随着小基站部署密度越来越大，宏蜂窝半径越来越小，小基站的回程接入选择变得越来越多。在某些情况下，考虑基础设施的建设成本，无线回程接入(微波，毫米波)取代光纤回程接入成为更理想的接入方式。

采用无线回程接入使得接入方式变得灵活简单，但是基站的能耗也相应增大。因此，在小基站部署密度增大的同时，如何保证在一定的能耗成本下，提升网络的可靠性是运营商在网络部署过程中的关键问题。

当前关于回程网络可靠性的学术研究主要包括网络的拓扑，网络的整体可用性方面，有学者通过增加回程网络备份节点或链路，来设计新型的拓扑结构，但是没有考虑网络元件的失效概率，缺乏合理的可靠性度量指标。还有学者提出通过引入与链路状态相关的马尔科夫模型来建立关于回程网络整体可用性的问题，但是模型没有考虑基站的能耗以及节点失效情况。如何通过合理的可靠性度量指标并且结合基站能耗来部署回程网络还没有足够的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置，能够考虑可靠性的同时，也考虑了基站运行的能耗。

基于上述目的本发明提供基于势博弈的移动回程网络部署方法，包括步骤：

获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数；

按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，确定所述小基站回程接入选择的策略空间；

将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署。

在本发明的一些实施例中，所述计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数，还包括：

根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)，并选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)(n＝0,1,2…)。

在本发明的一些实施例中，所述确定所述小基站回程接入选择的策略空间，还包括：

判断计算得到的所述小基站的上、下发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择，若没有超过则保留该回程选择。

在本发明的一些实施例中，所述将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者之后，还包括：

计算小基站的平均数据传输量，以及回程链路对应的小基站能耗，然后建立小基站的效用函数；

初始化博弈参与者的效用函数，然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。

在本发明的一些实施例中，所述求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和之后，包括：

计算每一小基站按序求解条件下的最优回程选择并求出效用函数值；

相加本轮所求效用函数值；

将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否收敛。

另外，本发明还提供了一种基于势博弈的移动回程网络部署装置，包括：

可靠性函数计算单元，用于获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数；

回程选择策略空间确定单元，用于按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，确定所述小基站回程接入选择的策略空间；

博弈单元，用于将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署。

在本发明的一些实施例中，所述可靠性函数计算单元根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)，并选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)(n＝0,1,2…)。

在本发明的一些实施例中，所述回程选择策略空间确定单元判断计算得到的所述小基站的上、下发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择，若没有超过则保留该回程选择。

在本发明的一些实施例中，所述博弈单元将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者之后，计算小基站的平均数据传输量，以及回程链路对应的小基站能耗，然后建立小基站的效用函数；

初始化博弈参与者的效用函数，然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。

在本发明的一些实施例中，所述博弈单元求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和之后，计算每一小基站按序求解条件下的最优回程选择并求出效用函数值；

相加本轮所求效用函数值；

将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否收敛。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置，能够综合考虑网络的平均吞吐量和基站能耗，合理提升回程网络部署的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于势博弈的移动回程网络部署方法的流程示意图；

图2为本发明实施例应用的场景图；

图3为本发明一个可参考实施例中基于势博弈的移动回程网络部署方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中基于势博弈的移动回程网络部署装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

作为本发明的实施例，参阅图1所示，为本发明实施例中基于势博弈的移动回程网络部署方法的流程示意图。其中，所述基于势博弈的移动回程网络部署方法包括：

步骤101，获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数。在本发明的一个实施例中，使用Weibull分布模型：来描述节点或链路的可靠性随时间的变化情况，其中λ是模型尺度参数，与平均失效时间有关，α是模型的形状参数。从而，得出节点或链路的可靠性为：如图2所示，为本发明实施例应用的场景图，宏基站通过光纤与核心网相连，小基站通过微波或者毫米波连接到宏基站并回传给核心网。

进一步地，从宏基站至核心网路径可靠性的计算基于R_macro(t)＝∏_k∈NR^k(t)∏_m∈LR^m(t)，其中R^k(t)，R^m(t)分别是路径中节点和链路的可靠性，N，L分别是路径中所通过节点或链路的集合。将它们相乘得到路径的可靠性，为便于后面应用可靠性进行计算，即取其离散化值。更进一步地，进行离散化时，可以选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)(n＝0,1,2…)。

步骤102，按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率。

作为实施例，已知各小基站上行容量C_UL，通过

C_UL＝B log₂(1+SNR_min)，P_TX[dBm]+G[dB]-N[dBm]≥10log SNR_min

得到第i个小基站至所在宏蜂窝基站及周边宏蜂窝基站的发射功率为限制条件为

其中，B是上行链路的带宽；SNR_min是满足条件的最低的性噪比；G_i是路径增益，可以根据路径损耗模型得到；N是噪声值，是发射功率上限。同样地，下行发送功率也可以根据上式求出。

步骤103，根据所述上、下行发射功率确定所述小基站回程接入选择的策略空间。

较佳地，可以判断计算得到的所述小基站每个回程选择的上、下行发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择。若没有超过则保留该回程选择，并进行步骤104。因此，可以得到保留下来的回程选择的一个集合，即确定所述小基站回程接入选择的策略空间s＝{S₁,S₂…S_n}；。

步骤104，将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署。

作为实施例，将有多种回程选择的小基站视为博弈的参与者，第i小基站吞吐量的数学期望是即计算小基站的平均数据传输量为其中是第i个小基站的上行、下行容量，回程链路连接宏基站的可靠性。根据小基站发射功率计算其能耗：公式为其中为发射功率，η_i为系数，P₀是基站的功率常量。然后建立小基站的效用函数进一步地，小基站i的效用函数为

较佳地，在建立小基站的效用函数之后，需要初始化博弈参与者的效用函数，然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。其中，初始化是指进行一轮回程接入选择后，根据小基站的选择策略计算出的 代入效用函数公式得出博弈参与者相应的效用值，然后求出所有博弈参与者的初始效用之和U₀。

进而，随机安排参与者的博弈顺序，对于参与者求解其条件下的最佳响应，即针对每一小基站按序求解其条件下的最优回程选择并求出效用函数值。较佳地，最佳响应策略是指在当前条件使小基站i效用函数最大的策略，即

然后，把本轮所求效用函数值相加得到U_i，将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否已经收敛。如果是，则终止迭代过程，完成回程网络部署。如果不是，则继续进行迭代过程。较佳地，将本轮与上轮的效用函数之和相比，判断两者的差是否小于预设的阈值ε，若满足收敛条件，说明已经求得最优的部署，否则继续新一轮的博弈。优选地，所谓的收敛是指相邻两轮博弈的效用之和的差值是否小于设定的收敛条件，即|U_i-U_i-1|<ε，若满足，就视为已达到纳什均衡。

需要说明的是，博弈过程中宏基站的限制条件有吞吐量限制：其中，分别是第j个宏基站的上行，下行的最大容量。还有，功率限制：即宏基站对所有小基站发射功率之和不超过总的发射功率上限。

可以看出，本发明所述基于势博弈的移动回程网络部署方法根据网络元件的参数得到各路径的可靠性，然后根据小基站和宏基站之间建立无线回程链路的条件，如吞吐量，发射功率限制，获得各小基站回程接入的选择集合。同时高可靠性宏基站的接入资源是有限的，因此利用小基站之间的博弈过程，分配接入资源。并在同时考虑可靠性和基站功耗情况下，通过最佳响应法获取回程网络的全局最优部署方案。

值得说明的是，步骤101可以在进行步骤102和步骤103之前执行，也可以在步骤102和步骤103之后执行，当然还可以在进行步骤101的同时执行步骤102和步骤103。

参阅如图3所示，为本发明一个可参考实施例中基于势博弈的移动回程网络部署方法的流程示意图，所述媒体接入控制方法包括：

步骤301，获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数。

较佳地，获取网络设备的可靠性参数λ,α，根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)。

步骤302，选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化。

较佳地，选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)(n＝0,1,2…)。

步骤303，按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率。

作为实施例，已知各小基站上行容量C_UL，通过

C_UL＝B log₂(1+SNR_min)，P_TX[dBm]+G[dB]-N[dBm]≥10log SNR_min

得到第i个小基站至所在宏蜂窝基站及周边宏蜂窝基站的发射功率为限制条件为

其中，B是上行链路的带宽；SNR_min是满足条件的最低的性噪比；G_i是路径增益，可以根据路径损耗模型得到；N是噪声值，是发射功率上限。同样地，下行发送功率也可以根据上式求出。

步骤304，根据所述上、下行发射功率确定所述小基站回程接入选择的策略空间。

较佳地，可以判断计算得到的所述小基站每个回程选择的上、下行发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择。若没有超过则保留该回程选择，并进行步骤305。因此，可以得到保留下来的回程选择的一个集合，即确定所述小基站回程接入选择的策略空间s＝{S₁,S₂…S_n}；。

步骤305，将有多种回程选择的小基站视为博弈的参与者，然后建立小基站的效用函数。

其中，小基站i的效用函数为

步骤306，初始化博弈参与者的效用函数，然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。

步骤307，随机安排参与者的博弈顺序，针对每一小基站按序求解其条件下的最优回程选择并求出效用函数值，把本轮所求效用函数值相加。

步骤308，将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否已经收敛，若是则进行步骤309，否则返回步骤307。

步骤309，终止迭代过程，完成回程网络部署。

还值得说明的是，如图4所示，为本发明实施例中基于势博弈的移动回程网络部署装置的结构示意图，包括可靠性函数计算单元401、回程选择策略空间确定单元402以及博弈单元403。其中，可靠性函数计算单元401获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数。而回程选择策略空间确定单元402按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，根据所述上、下行发射功率确定所述小基站回程接入选择的策略空间。之后，博弈单元403将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署。

作为实施例，可靠性函数计算单元401获取网络设备的可靠性参数λ,α，根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)。进一步地，从宏基站至核心网路径可靠性的计算基于R_macro(t)＝∏_k∈NR^k(t)∏_m∈LR^m(t)，其中R^k(t)，R^m(t)分别是路径中节点和链路的可靠性，N，L分别是路径中所通过节点或链路的集合。将它们相乘得到路径的可靠性，为便于后面应用可靠性进行计算，即取其离散化值。更进一步地，进行离散化时，可以选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)(n＝0,1,2…)。

作为一个较佳地实施例，回程选择策略空间确定单元402可以包括发射功率计算模块和策略空间建立模块。其中，发射功率计算模块通过已知各小基站上行容量C_UL，通过C_UL＝B log₂(1+SNR_min)，P_TX[dBm]+G[dB]-N[dBm]≥10log SNR_min得到第i个小基站至所在宏蜂窝基站及周边宏蜂窝基站的发射功率为限制条件为

其中，B是上行链路的带宽；SNR_min是满足条件的最低的性噪比；G_i是路径增益，可以根据路径损耗模型得到；N是噪声值，是发射功率上限。同样地，下行发送功率也可以根据上式求出。

策略空间建立模块根据所述上、下行发射功率确定所述小基站回程接入选择的策略空间。较佳地，可以判断计算得到的所述小基站的发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择。若没有超过则保留该回程选择。

作为另一个较佳地实施例，博弈单元403可以包括效用值之和计算模块以及判断模块。其中，效用值之和计算模块将有多种回程选择的小基站视为博弈的参与者，计算小基站的平均数据传输量以及对应的小基站能耗然后建立小基站的效用函数之后，随机安排参与者的博弈顺序，对于参与者求解其条件下的最佳响应，即针对每一小基站按序求解其条件下的最优回程选择并求出效用函数值。最后，把本轮所求效用函数值相加得到U_i。

判断模块将效用之和与上一轮博弈的效用之和相比较，判断是否已经收敛。如果是，则终止迭代过程，完成回程网络部署。如果不是，则继续进行迭代过程。较佳地，将本轮与上轮的效用函数之和相比，判断两者的差是否小于预设的阈值ε，若满足收敛条件，说明已经求得最优的部署，否则继续新一轮的博弈。优选地，所谓的收敛是指相邻两轮博弈的效用之和的差值是否小于设定的收敛条件，即|U_i-U_i-1|<ε，若满足，就视为已达到纳什均衡。

需要说明的是，在上面已经详细说明了基于势博弈的移动回程网络部署方法的整个过程，在此与基于势博弈的移动回程网络部署装置相同之处不再重复说明。

综上所述，本发明提供的一种基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置，创造性地针对异构蜂窝网络如何综合考虑可靠性和能耗的进行回程网络部署，从回程路径的选择出发，建立势博弈框架，将有多种选择的小基站作为博弈的参与者，得到相应的效用函数；并且，在给出网络部署需求的各项参数(信道容量，发射功率限制，基站吞吐量等)情况下，最终得到理想的回程网络部署方案；最后，整个所述的基于势博弈的移动回程网络部署方法和装置紧凑、易于控制，具有广泛、重大的推广意义。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于势博弈的移动回程网络部署方法，其特征在于，包括步骤：

获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数；

按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，确定所述小基站回程接入选择的策略空间；

将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序的效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署；

所述将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者之后，还包括：

根据第i小基站吞吐量的数学期望计算小基站的平均数据传输量为其中是第i个小基站的上行、下行容量，回程链路宏基站的可靠性；

根据小基站发射功率计算小基站能耗为其中为发射功率，η_i为系数，P₀是基站的功率常量；

建立小基站的效用函数

初始化博弈参与者的效用函数然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数，还包括：

根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)，并选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)，其中n＝0,1,2…。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述小基站回程接入选择的策略空间，还包括：

判断计算得到的所述小基站的上、下行 发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择，若没有超过则保留该回程选择。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和之后，包括：

计算每一小基站按序求解条件下的最优回程选择并求出效用函数值；

相加本轮所求效用函数值；

将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否收敛。

5.一种基于势博弈的移动回程网络部署装置，其特征在于，包括：

可靠性函数计算单元，用于获取网络设备的可靠性参数，计算从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数；

回程选择策略空间确定单元，用于按照小基站的上、下行容量，计算所述小基站的上、下行发射功率，确定所述小基站回程接入选择的策略空间；

博弈单元，用于将有多种回程选择的所述小基站视为博弈的参与者，当所述参与者的效用值之和相较于上一轮所述参与者的博弈顺序的效用值之和收敛时，获得所述小基站的回程网络部署；

所述博弈单元还用于实现：

根据第i小基站吞吐量的数学期望计算小基站的平均数据传输量为其中是第i个小基站的上行、下行容量，回程链路宏基站的可靠性；

根据小基站发射功率计算小基站能耗为其中为发射功率，η_i为系数，P₀是基站的功率常量；

建立小基站的效用函数

初始化博弈参与者的效用函数然后求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可靠性函数计算单元根据Weibull可靠性模型计算出从宏基站至核心网所通过路径的可靠性函数R_macro(t)，并选取适当的时间间隔Δt，将可靠性函数离散化R_macro(n)＝R_macro(Δt/2+nΔt)，其中n＝0,1,2…。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述回程选择策略空间确定单元判断计算得到的所述小基站的上、下行 发射功率是否超过发射功率上限若超过则放弃该回程选择，若没有超过则保留该回程选择。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述博弈单元求得初始化后的博弈参与者的效用函数之和之后，计算每一小基站按序求解条件下的最优回程选择并求出效用函数值；

相加本轮所求效用函数值；

将效用函数值之和与上一轮博弈的效用函数值之和相比较，判断是否收敛。