CN109618369B - 一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法，其特征是，异构网络中，宏蜂窝网络运营商提供数据卸载激励，由其他网络运营商部署的低功率节点在满足自身关联终端的服务需求下，竞相向宏蜂窝网络运营商提供数据卸载服务，基于主从博弈理论，决策出宏蜂窝网络运营商制定最优的租赁价格以获取最大收益，同时保证切换到低功率节点上宏蜂窝用户终端的服务质量，其他网络运营商决定出售最合适的带宽以获取自身最大收益。本发明可达到的有益效果：提高异构无线网络吞吐量，改善异构网络中用户的服务质量，缓减宏蜂窝数据拥塞。

Description

一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法，该方法在异构无线网络环境下，基于主从博弈决策出宏蜂窝网络运营商最优的租赁价格以及其他网络运营商最合适的出售带宽，通过数据卸载缓减宏蜂窝数据拥塞，同时保证关联终端的服务质量需求。

背景技术

随着智能手机和移动宽带服务的快速发展，移动数据流量的激增对当前的蜂窝网络构成新的挑战，尤其严重的是造成了网络拥塞和超载现象，降低了用户的业务体验。可以通过升级宏蜂窝网络或部署更多宏蜂窝基站缓减宏蜂窝网络拥塞，然而，这些解决方案需要巨额资本和运营费用。随着WiFi及毫微微蜂窝网络的普及，使得宏蜂窝网络运营商可以利用它们从宏蜂窝网络中卸载客户流量，增加网络吞吐量并同时降低无线接入网基础设施能耗。因而从宏蜂窝网络运营商的角度来看，更具成本效益的方法是动态租用其他网络运营商部署的低功率节点资源。因此，宏蜂窝网络运营商需要针对拥有低功率网络节点的运营商制定合适的经济激励机制，同时拥有低功率网络节点的运营商在满足已关联终端的服务质量的前提下，需要研究自身最优的网络资源租赁量。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明针对传统的宏蜂窝网络容易出现网络拥塞和超载，无法满足不断增长的用户数据流量需求，且其他网络运营商部署的低功率网络节点在没有经济报酬的情况下，不愿意为宏蜂窝网络运营商提供数据卸载必要的网络资源的问题，提出了一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法。该方法针对其他网络运营商部署的低功率网络节点固有的私有属性，通过宏蜂窝网络运营商向低功率网络节点运营商提供经济激励，租赁低功率网络节点未充分利用的网络资源去承接从宏蜂窝网络卸载的数据。通过主从博弈，根据宏蜂窝网络运营商提供的经济激励，在保证低功率节点自身用户终端的服务质量基础上，制定出不同的低功率网络节点运营商提供的最优的节点网络资源量以获取自身最大收益，同时，根据低功率网络节点运营商提供的最优的节点网络资源量，决策出最优的宏蜂窝网络运营商提供的经济激励。本发明可以提高异构无线网络吞吐量，改善异构网络中用户的服务质量，缓减宏蜂窝数据拥塞。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法，所述异构无线网络包括单个宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站、不同的小微型蜂窝运营商部署的提供小微型蜂窝的低功率网络节点，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点，低功率网络节点在宏蜂窝基站覆盖范围内；

该方法包括步骤：

(1)宏蜂窝网络运营商向宏蜂窝基站覆盖范围内的低功率节点的运营商发布经济激励总额P，P≤P^max，P^max为宏蜂窝网络运营商的最大的经济激励预算；

(2)计算低功率网络节点i的效用值：

其中，U_i表示低功率网络节点i的效用值，N为低功率网络节点的总数，b_i表示低功率网络节点i的网络带宽出租量，η_i表示低功率网络节点i的运营商向关联在低功率网络节点i下的用户终端所收取的单位数据量的价格，C_i为低功率节点i下关联的用户终端的集合，r_ij表示低功率网络节点i下关联的用户终端j的数据速率，r_ij的表达式为：

其中，B_i表示低功率网络节点i的总带宽，γ_ij表示低功率网络节点i下关联的用户终端j接收数据的下行速率，

p_i为低功率节点i的发射功率，h_ij为低功率节点i到终端j的信道功率增益，p₀为宏蜂窝基站的发射功率，h_0j为宏蜂窝基站到终端j的信道功率增益，σ²表示噪声功率，∑_{t∈N，t≠i}p_th_ij表示其他低功率网络节点对终端j的干扰；

(3)计算宏蜂窝网络运营商的效用值：

其中，U_m表示宏蜂窝网络运营商的效用值，N_i表示切换到低功率节点i的宏蜂窝用户终端的集合，η_mln(1+r′_ij)表示宏蜂窝网络运营商收取切换到低功率节点的宏蜂窝用户终端传输数据的费用，r′_ij表示宏蜂窝用户终端j切换到低功率节点i后能够获得的实际数据速率，

(4)构建博弈模型，包括宏蜂窝网络运营商侧问题模型和低功率网络节点运营商侧问题模型，其中，

宏蜂窝网络的运营商侧问题模型为：

s.t.0≤P≤P^max ②

低功率网络节点的运营商侧问题模型为：

b_i≤B_i，i∈{1，2，...，N} ⑤

其中，

表示关联低功率网络节点i的用户终端的最低速率需求；

(5)低功率网络节点的运营商根据宏蜂窝网络运营商的经济激励总额P，在满足关联自身终端用户的服务质量需求基础上，通过博弈决策出使得自身效用最大化的

是关于P的函数，记为

(6)将步骤(5)得到的

带入宏蜂窝网络运营商的效用值函数，根据公式①和②求解最优的经济激励总额P^*；

(7)将步骤(6)得到的P^*代入函数

中，计算得到最优的

进一步的，所述低功率网络节点的运营商通过博弈决策出使得自身效用最大化的

的具体步骤为：

在给定宏蜂窝网络运营商策略P的情况下，假定其他低功率节点的租赁策略已知，记为b_-i＝[b₁，b₂，...b_i-1，b_i+1...b_N]，根据P和b_-i，将公式③转化为公式⑥：

求解公式⑥，得到：

将⑦式带入公式①，得到公式⑧：

求解公式⑧，得到：

其中，

s_i＞0，x_k为

的解。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明提出的基于博弈的数据卸载方法，在异构网络中，宏蜂窝网络运营商通过向低功率网络节点运营商提供经济激励，租赁节点未充分利用的网络资源用于卸载宏蜂窝网络的用户终端数据，通过经济手段有效地激励了这些网络节点为宏蜂窝网络用户终端提供数据卸载服务，缓减了宏蜂窝网络的数据拥塞。

(2)本发明制定卸载策略时考虑了低功率网络节点自身关联终端的速率需求，在提升系统容量的同时满足终端用户的服务质量需求。

(3)本发明通过主从博弈理论，明确了低功率网络节点运营商愿意租赁的网络资源量，考虑了多个低功率网络节点运营商之间的竞争关系，与现有技术相比，所提出的机制成本更低，同时能够实现更高的效用。

附图说明

图1为异构无线网络中基于博弈的宏蜂窝数据卸载方法流程图；

图2为异构无线网络中基于博弈的宏蜂窝数据卸载决策流程图；

图3为异构无线网络中基于博弈的宏蜂窝数据卸载实现架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3所示为本发明所述异构网络的实现架构图，整个网络架构中包含宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站及其用户终端、以及其他运营商部署的小微型蜂窝的低功率网络节点及其用户终端，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点，低功率网络节点在宏蜂窝基站覆盖范围内。

基于上述异构无线网络，本发明提出的基于博弈的数据卸载方法的流程如图1所示，包括以下步骤：

1)宏蜂窝网络运营商向宏蜂窝基站覆盖范围内的低功率节点拥有者发布经济激励总额；

2)低功率网络节点运营商根据宏蜂窝网络运营商的经济激励总额，在满足关联自身终端用户的服务质量需求基础上，不同低功率网络节点运营商通过博弈，决策出使得自身效用最大化的带宽租赁量，这里，带宽租赁量的值与宏蜂窝网络运营商的经济激励总额有关；

3)将(2)中所得带宽租赁量值带入宏蜂窝网络运营商的效用值函数，根据后述最优问题可以求解最优的经济激励总额。

4)根据(3)中求取最优的经济激励总额，计算出各低功率网络节点运营商提供的最优的节点网络资源量。

5)执行相应决策结果，完成宏蜂窝数据的卸载。

如图2所示为本发明的卸载决策流程图，完成一次数据卸载的决策流程为：

1)宏蜂窝网络运营商向宏蜂窝基站覆盖范围内的低功率节点拥有者发布经济激励总额P，P≤P^max，P^max为宏蜂窝网络运营商最大的经济激励预算；

2)有N个低功率节点，单个节点效用值为

其中，η_i表示部署低功率网络节点i的运营商收取关联自身用户终端单位数据量的费用。C_i为低功率节点i区域内关联该节点的自身终端集合，b_i表示节点i的网络带宽出租量，

表示终端j关联节点i的数据速率，其中B_i表示节点i的总带宽，

表示终端j接收的下行信噪比，其中p_i为低功率节点i的发射功率，h_ij为节点i到终端j的信道功率增益，p₀为宏蜂窝基站的发射功率，h_0j为和宏蜂窝基站到终端j的信道功率增益，σ²表示噪声功率，∑_{t∈N，t≠i}p_th_ij表示其他基站对终端j的干扰。低功率网络节点运营商根据宏蜂窝网络运营商的经济激励总额P，在满足关联自身终端用户的服务质量需求基础上，不同低功率网络节点运营商通过博弈，决策出使得自身效用最大化的

这里，

的值与P有关，可以写成

3)在愿意为宏蜂窝网络运营商提供数据卸载服务的网络中，宏蜂窝用户终端关联到接收到的最大的参考信号接收功率的网络。宏蜂窝网络运营商的效用值为

η_mln(1+r′_ij)表示宏蜂窝网络运营商收取切换到低功率节点的宏蜂窝用户终端传输数据的费用，

表示宏蜂窝用户终端j切换到低功率节点i后能够获得的实际数据速率，其中N_i表示切换到低功率节点i的宏蜂窝用户终端数目。r′_ij的值与低功率网络节点运营商制定的最优的网络资源租赁量

有关，将(2)中所得

带入宏蜂窝网络运营商的效用值函数，根据后述最优问题可以求解最优的经济激励总额P^*。

4)根据(3)中求取最优的经济激励总额P^*，可以根据

求取各低功率网络节点运营商提供的最优的节点网络资源量

5)根据上述过程形成如下主从博弈优化内容：

宏蜂窝网络运营商侧的优化问题数学模型为：

单个低功率网络节点i侧的优化问题数学模型为：

b_i≤B_i，i∈{1，2，...，N} ⑤

其中，

表示节点i中关联自身用户终端的最低速率需求；

上述问题的约束②表示宏蜂窝网络运营商的经济激励限制；约束④表示低功率网络节点的自身关联终端需要满足最低的速率保证；约束⑤表示低功率网络节点租赁给宏蜂窝网络运营商的带宽不能超过拥有的带宽。

上述方案中，所述问题模型是一个主从博弈问题模型，问题③为子问题，涉及不同低功率节点网络资源租赁的非合作博弈，在给定宏蜂窝网络运营商策略P的情况下，假定其他低功率节点租赁策略b_-i＝[b₁，b₂，...b_i-1，b_i+1，...b_N]固定，问题③等效于通过求解如下问题优化节点i的策略b_i的值：

在给定其他变量的条件下，令z＝∑_{n∈N，n≠i}b_n≥0，

求U_i(b_i)关于b_i的导数

令

解得两个极值点：

可知U_i(b_i)在区间(-∞，b_i2)，(b_i1，+∞)单调减，在区间(b_i2，b_i1)上单调增。

如果b_i1≤0，即

那么

令

如果0＜b_i1≤q_i，即

那么

如果b_i1＞q_i，即

综上：

根据纳什均衡的存在性定理，N个节点的空间是非空的、闭的、有界的凸集，节点的效用函数U_i(b_i)是连续的，且是关于b_i的凹函数，因而多个节点存在唯一的最优策略

假设各节点的最优策略为

根据⑦式可得，

通过迭代求解上式，可得各节点的最优策略为：

问题①为主问题，将⑧式带入问题①，等效于求解如下问题：

由于

已知，令

则s_i已知，求U_m(P)关于P的导数

由于

因而

有唯一解，用x_k表示。

如果x_k＜0，那么P^*＝0；如果0≤x_k＜P^max，那么P^*＝x_k；如果x_k＞P^max，那么P^*＝P^max；

综上

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法，其特征在于，所述异构无线网络包括单个宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站、不同的小微型蜂窝运营商部署的提供小微型蜂窝的低功率网络节点，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点，低功率网络节点在宏蜂窝基站覆盖范围内；

该方法包括步骤：

(1)宏蜂窝网络运营商向宏蜂窝基站覆盖范围内的低功率节点的运营商发布经济激励总额P，P≤P^max，P^max为宏蜂窝网络运营商的最大的经济激励预算；

(2)计算低功率网络节点i的效用值：

其中，U_i表示低功率网络节点i的效用值，N为低功率网络节点的总数，b_i表示低功率网络节点i的网络带宽出租量，η_i表示低功率网络节点i的运营商向关联在低功率网络节点i下的用户终端所收取的单位数据量的价格，C_i为低功率节点i下关联的用户终端的集合，r_ij表示低功率网络节点i下关联的用户终端j的数据速率，r_ij的表达式为：

其中，B_i表示低功率网络节点i的总带宽，γ_ij表示低功率网络节点i下关联的用户终端j接收数据的下行速率，

p_i为低功率节点i的发射功率，h_ij为低功率节点i到终端j的信道功率增益，p₀为宏蜂窝基站的发射功率，h_0j为宏蜂窝基站到终端j的信道功率增益，σ²表示噪声功率，∑_{t∈[1，N]，t≠i}p_th_ij表示其他低功率网络节点对终端j的干扰；

(3)计算宏蜂窝网络运营商的效用值：

其中，U_m表示宏蜂窝网络运营商的效用值，N_i表示切换到低功率节点i的宏蜂窝用户终端的集合，η_mln(1+r'_ij)表示宏蜂窝网络运营商收取切换到低功率节点的宏蜂窝用户终端传输数据的费用，r'_ij表示宏蜂窝用户终端j切换到低功率节点i后能够获得的实际数据速率，

γ_ij表示宏蜂窝用户终端j切换到低功率节点i后的信干噪比；

(4)构建博弈模型，包括宏蜂窝网络运营商侧问题模型和低功率网络节点运营商侧问题模型，其中，

宏蜂窝网络的运营商侧问题模型为：

s.t.0≤P≤P^max ②

低功率网络节点的运营商侧问题模型为：

b_i≤B_i，i∈{1，2，...,N} ⑤

其中，

表示关联低功率网络节点i的用户终端的最低速率需求；

(5)低功率网络节点的运营商根据宏蜂窝网络运营商的经济激励总额P，在满足关联自身终端用户的服务质量需求基础上，通过博弈决策出使得自身效用最大化的

是关于P的函数，记为

(6)将步骤(5)得到的

带入宏蜂窝网络运营商的效用值函数，根据公式①和②求解最优的经济激励总额P^*；

(7)将步骤(6)得到的P^*代入函数

中，计算得到最优的

i∈{1,2...,N}。

2.根据权利要求1所述的一种异构无线网络中基于博弈的数据卸载方法，其特征在于，所述低功率网络节点的运营商通过博弈决策出使得自身效用最大化的

的具体步骤为：

在给定宏蜂窝网络运营商策略P的情况下，假定其他低功率节点的租赁策略已知，记为b_-i＝[b₁,b₂,...b_i-1,b_i+1,...b_N]，根据P和b_-i，将公式③转化为公式⑥：

求解公式⑥，得到：

将⑦式带入公式①，得到公式⑧：

求解公式⑧，得到：

其中，

x_k为

的解。

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