CN107248920B - 一种基于主从博弈的可再生能源分配算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向分布式无线回传链路的绿色取能技术，该无线回传链路上的每一个节点由绿色能源节点功能。该公开技术通过一种基于主从博弈的可再生能源分配方法实现，能使整个分布式绿色无线链路稳定组网。算法包含以下步骤：第一步，回程链路上的能源供应商设置合适的能源价格；第二步，运营商根据能源价格设置订购量和服务费用；第三步，每个节点的能源供应商之间组成联盟，重复第一、二步，达到稳定的联盟结构。与现有技术相比，本发明设计的资源定价技术，可以使得无线回传链路运营商和多个分布式绿色能源供应节点协同稳定工作，使各方获得合理效用，进而构建了一种高效、稳定的绿色无线回传链路系统。

Description

一种基于主从博弈的可再生能源分配算法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，具体涉及的是一种无线网络回程链路节点上基于主从博弈的可再生能源分配算法。

背景技术

近年来，随着无线网络的快速发展，回程链路需要传输的数据越来越多，对能源的需求也与日俱增，如何降低能耗以及为多跳回传链路中的每个节点分配能量将成为下一代绿色无线网络设计的关键。多跳回传链路能够大大降低由于远距离传输数据带来的路径损失，其中每个节点既是终端又是接入设备，在网络规模大、用户多的场景下，可以显著提高能量的利用率。现有文献大多是针对回程链路的节点提出能量分配策略，并没有考虑终端用户对数据流量价格的敏感程度。另外，对于单个节点上多个供应商之间的竞争以及多个节点间供应商的合作对能源分配产生的影响也没有进行深入研究。

经对现有技术文献的检索发现，Y.Chia等人在《IEEE，Dec 2014,pp.6996-7010》上发表了题为“Energy cooperation in cellular networks with renewable poweredbase stations”一文，该文针对基站提出的能源分配策略，在保证用户服务质量的前提下使得运营成本和能源消耗达到最低，但是此策略只是针对物理层，并未考虑无线网络中的能源分配情况。

另检索发现，H.Liu，H.Zhang等人在《IEEE International Conference onCommunications(ICC),Kuala Lumpur,2016,pp.1-5》上发表题为"Energy efficientpower allocation and backhaul design in heterogeneous small cell networks"一文，该文在无线网络环境下，解决了回程链路上的能源分配问题，但并没有考虑使用可再生能源以及多跳回程链路情况下，每个节点的能源分配情况。

经检索还发现，D.Li等人在《IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,vol.34,no.8,pp.1140-1159,May.2016》上发表题为"DecentralizedRenewable Energy Pricing and Allocation for Millimeter Wave CellularBackhaul"一文，该文在蜂窝网络多跳链路上设计了一种分配可再生能源的分布式算法。该文虽然提出了能源分配的分布式算法，但没有考虑终端用户的需求情况以及节点间能源供应商的合作模型。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，给出了一种无线网络多跳回程链路下基于主从博弈的可再生能源分配算法。该分布式算法为每个供应商找到唯一的均衡出价策略，无线运营商可根据该策略制定相应的能源订购策略和数据服务价格。同时该分布式算法也将同一节点上多个供应商之间的竞争关系考虑在内，并观察了竞争关系是如何通过影响供应商的出价策略来提高系统各部分的收益的。

本发明采用的技术方案为一种基于主从博弈的可再生能源分配算法，包含以下步骤：

第一步，回程链路上的能源供应商设置合适的能源价格；

第二步，运营商根据能源价格设置订购量和服务费用；

第三步，每个节点的能源供应商之间组成联盟，重复第一、二步，达到稳定的联盟结构。

进一步，上述设置合适的能源价格包括设置每个节点供应商的能源成本c_i和其竞争对手的能源成本

按照

设置每个节点的竞争激烈程度。

系统达到纳什均衡时，竞争激烈程度的均衡值为

并从第一个节点开始，将此节点竞争激烈程度与

比较，若不大于

则该节点的能源供应商将选择其竞争对手的成本值作为自己的能量售价；若大于

则该节点的能源供应商将设置

作为能量售价，其中

是第1个到第i-1个节点处能源供应商竞争对手的成本，C_{i，n}是第i个到第n个节点处能源供应商的成本，R是数据传输速率，c₀表示运营成本π(m)表示当一条回程链路上的m个联盟达到均衡时每个联盟所获得的收益。

上述组成联盟是指在确定了每个节点的能源供应商之后，它们之间可以进行联盟，假定经过自由联盟后形成的联盟结构为A＝{A₁，…，A_m}，从第一个联盟开始分析，定义

如果联盟中只有一个成员,当U(m)≤||A₂||+1，这个成员保持当前状态，否则，这个成员会选择任何一个联盟加入；如果联盟中不止一个成员,当U(m)≥||A_m||，这个成员保持当前状态，否则，这个成员会背叛当前联盟加入其他联盟；循环若干次直到遍历完所有联盟，||A_m||表示联盟A_m中的成员个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过分析用户对数据流量价格的敏感程度以及可再生能源供应商的能量出价，使得无线运营商做出关于流量需求量和服务价格的决策；

2)通过设计分布式算法，使得能源供应商的出价达到当前存在竞争情况下的最优价格；

3)通过分析合作模式，进一步提高了系统各部分的收益。

附图说明

图1是某一回程链路上竞争和合作情况示意图；

图2是博弈过程逆向分析法示意图；

图3是合作模型中的第一级博弈分析示意图；

图4是均衡和非均衡情况下每个供应商收益对比示意图；

图5是合作与非合作情况下对供应商的能源需求量对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1系统模型所示，无线网络n跳回程链路中每个节点上的可再生能源供应商通过竞争来成为该节点的唯一供应商，确定每个节点的供应商之后，他们之间可以通过建立合作关系来进一步提高整个系统的收益。

实施例

本实施例用于无线网络中，包括步骤如下：

第一步，回程链路上的能源供应商设置合适的能源价格。

第二步，运营商根据能源价格设置订购量和服务费用。

第三步，每个节点的能源供应商之间组成联盟，重复第一、二步，达到稳定的联盟结构。

由于运营商在设置数据回传价格时需要考虑到价格弹性指数，在设置订购量时需要考虑到每个地点不同的路径损耗

所以，运营商从每个供应商处订购的能量可以表示为:

其中b表示价格弹性指数，R表示数据传输速率，α表示用户数量，β表示用户接受运营商设置的服务价格的概率，运营商在选择p和q时只由W(所有供应商的出价总和)决定。

我们采用逆向分析法，如图2所示，先分析每个供应商的利润函数π_i(w_i|W_-i)＝(w_i-c_i)q_i,其中，W_-i＝W-w_i，表示除当前节点的其他节点上供应商的出价总和，通过对每个供应商的利润函数求偏导，我们可以得到每个供应商的出价：

联立n个供应商的出价方程可以得到这一博弈的唯一Nash均衡解：

其中

m＝min{j：j∈[0，n-1]，b＞n-j}，有了供应商的最优策略，运营商可以根据自己想要获得的最大利润来设置能源订购量和对用户收取的服务费用。

在合作模型中，假设供应商在将能源卖给运营商之前可以自由组成联盟，则能源供应者和运营商之间的问题可以分成两级来考虑：第一级，某个供应商应该选择和谁组成联盟从而使自已获得更多的收益，如图3所示；第二级，和竞争模型相同。合作模型中能源供应者和运营商的相互作用同样可以用主从博弈描述，但是此时的博弈参与者为运营商和能源供应商组成的联盟。需要注意的是，第一级问题的分析是建立在第二级博弈问题达成的均衡基础之上的，所以，我们依旧使用逆向分析法来解决这两级问题。

由于本发明的用户需求函数为指数函数模型，本实施例得到的合作关系具有唯一性，当回程链路中有奇数个节点时，A₍₁₎₍₂₎是唯一的Nash均衡稳定结构；当回传链路中有偶数个节点时，A₍₂₎₍₂₎是唯一的Nash均衡稳定结构。其中：

A₍₁₎₍₂₎＝{A₍₁₎，...，A_(m)}＝{||A₍₁₎||＝1，||A₍₂₎||＝…＝||A_(m)||＝2}，

A₍₂₎₍₂₎＝{A₍₁₎，…，A_(m)}＝{||A₍₁₎||＝||A₍₂₎||＝…＝||A_(m)||＝2}。

本实施例方法得到均衡和非均衡情况下每个供应商收益对比图如图4所示，从图中可知，若每个供应商都采用Nash均衡情况下的出价策略，则可以提高收益，证明了算法的可行性。

本实施例方法合作与非合作情况下对供应商的能源需求量对比如图5所示。从图中可知，供应商之间进行合作时，运营商会提高能源订购量从而使整个系统获益，显示出算法的正确性。

Claims (1)

1.一种面向无线回传链路分布式节点取能的基于主从博弈的可再生能源分配方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，无线回传链路上的每个节点的能源供应商设置能源价格；

第二步，无线回传链路的运营商根据每个节点的能源价格设置能源配置量即预先存储量和设置面向数据回传业务服务价格；

第三步，每个节点的能源供应商之间组成联盟，重复第一、二步，达到稳定的联盟结构；

所述设置能源价格包括设置每个节点供应商的能源成本c_i和其竞争对手的能源成本

按照

设置每个节点的竞争激烈程度；系统达到纳什均衡时，竞争激烈程度的均衡值为

并从第一个节点开始，将此节点竞争激烈程度与

比较，若不大于

则该节点的能源供应商将选择其竞争对手的成本值作为自己的能量售价；若大于

则该节点的能源供应商将设置

作为能量售价，其中

是第1个到第i-1个节点处能源供应商竞争对手的成本，C_{i，n}是第i个到第n个节点处能源供应商的成本，R是数据传输速率，c₀表示运营成本，π(m)表示当一条回传链路上的m个联盟达到均衡时每个联盟所获得的收益；

所述组成联盟是指在确定了每个节点的能源供应商之后，它们之间进行联盟，经过自由联盟后形成的联盟结构为A＝{A₁，…，A_m}，从第一个联盟开始分析，定义

如果联盟中只有一个成员,当U(m)≤||A₂||+1，这个成员保持当前状态，否则，这个成员会选择任何一个联盟加入；如果联盟中不止一个成员,当U(m)≥||A_m||，这个成员保持当前状态，否则，这个成员会背叛当前联盟加入其他联盟；循环若干次直到遍历完所有联盟，||A_m||表示联盟A_m中的成员个数。

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