蔣靜雅，郭道省

（解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)能將現(xiàn)有和未來的各種無線系統(tǒng)有機(jī)融合在一起的開放式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，要求用戶和網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要和滿意度等因素隨時(shí)選擇對(duì)自身最合適的接入系統(tǒng)，從而既滿足用戶越來越靈活多變的個(gè)性化業(yè)務(wù)需求，又兼顧網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營等問題。各種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供了功能側(cè)重不同的服務(wù)，用戶如何在保證自身滿意度的同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)的滿意度，同時(shí)達(dá)到用戶與網(wǎng)絡(luò)的雙贏是必須要研究的課題。

當(dāng)前，針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇的算法越來越多，大致可分為3類。第一類是以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)選擇算法[1-2]，第二類是以網(wǎng)絡(luò)為中心的選擇算法[3-5]，決策因素由少到多，漸趨完善。但這兩類算法都只從一方面考慮網(wǎng)絡(luò)選擇問題，僅能滿足用戶或網(wǎng)絡(luò)單方面需求。第三類算法兼顧了用戶與網(wǎng)絡(luò)雙方需求，但針對(duì)衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇的算法則較少，參考文獻(xiàn)[6]以網(wǎng)絡(luò)的特征與費(fèi)用為決策目標(biāo)；參考文獻(xiàn)[7]提出了網(wǎng)絡(luò)與用戶的雙向選擇算法,但并非衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；參考文獻(xiàn)[8]同時(shí)考慮到了用戶與網(wǎng)絡(luò)的滿意度，但并非針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；參考文獻(xiàn)[9]是在衛(wèi)星異構(gòu)條件下，但僅考慮了用戶一方的滿意度。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于博弈論的多用戶接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法，通過用戶與網(wǎng)絡(luò)的相互博弈來取得雙方效益最大化，提升衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

1 博弈模型的算法描述

假設(shè)有 限集 Net={N1，N2，…，NM}、Usr={U1，U2，…，UN}分別表示待選的網(wǎng)絡(luò)集和用戶集，集合Net是由衛(wèi)星窄帶網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、抗干擾網(wǎng)等構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，集合Usr由低速語音業(yè)務(wù)、高速寬帶多媒體業(yè)務(wù)和短消息傳真業(yè)務(wù)等用戶組成。各用戶至少被兩個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)所覆蓋，且每個(gè)用戶（網(wǎng)絡(luò)）對(duì)網(wǎng)絡(luò)（用戶）都有各自的偏好。為了便于分析，本文假定所有用戶都被Net中所有網(wǎng)絡(luò)所覆蓋，且網(wǎng)絡(luò)與用戶之間均可以做到相互選擇。

本文以業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量QoS(記為q，包括時(shí)延 α、抖動(dòng)β、誤碼率 γ）、帶寬(B)、負(fù)載情況(L)、用戶或網(wǎng)絡(luò)的偏好(F)及網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能(J)等作為決策因素并依據(jù)層次分析法來分別建立用戶與網(wǎng)絡(luò)雙方各自目標(biāo)函數(shù)Faim。

f為各決策因素的歸一化函數(shù)，ω為各決策因素權(quán)重。Fnaim為用戶可選擇的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)，F(xiàn)uaim為網(wǎng)絡(luò)可選擇的用戶目標(biāo)函數(shù)。對(duì)Fnaim和Fuaim進(jìn)行各自降序排列，排得越前，被選的可能性越大。

網(wǎng)絡(luò)與用戶雙方博弈算法描述如下：

(1)每個(gè)用戶首先選擇Fnaim中排名第一的網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求；

(2)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)把入網(wǎng)請(qǐng)求的用戶與Fuaim中靠前的用戶進(jìn)行對(duì)比，允許排序靠前的用戶入網(wǎng)，并拒絕其他用戶；

(3)被拒絕的用戶再向其他未拒絕其入網(wǎng)并且Fnaim排名靠前的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求；

(4)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)把請(qǐng)求用戶與Fuaim中排名靠前的用戶對(duì)比，選擇靠前的用戶入網(wǎng)，并拒絕其他用戶；

(5)重復(fù)步驟(3)～(4)，直至所有用戶入網(wǎng)。

2 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是多標(biāo)準(zhǔn)決策的常用方法之一，它是用兩兩決策因素的重要性程度之比來表示相應(yīng)重要性程度等級(jí)，步驟如下：

(1)根據(jù)決策因素建立階梯層次結(jié)構(gòu)，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇階梯層次結(jié)構(gòu)

(2)構(gòu)造判斷矩陣，采用 1～9標(biāo)度，記 aij為第 i和第j決策因素的重要性程度之比。

(4)權(quán)值合成，即全局權(quán)值由本地權(quán)值和上層相應(yīng)權(quán)值的乘積得到。

3 算法仿真及結(jié)果分析

3.1 用戶選擇網(wǎng)絡(luò)

3.1.1 接入網(wǎng)絡(luò)的決策因素歸一化

影響網(wǎng)絡(luò)選擇的決策因素大致分成兩類，一類為正向型因素，越大越好，如帶寬、負(fù)載能力、抗干擾性能等；另一類為負(fù)向型向量，越小越好，如時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率等，其歸一化如式（2）、式（3）。

Xi表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下的用戶值，Xmax為用戶業(yè)務(wù)所要求的最大值限制，Xmin為網(wǎng)絡(luò)所能提供的最小值。

3.1.2 仿真環(huán)境

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)集 Net={N1，N2，…，N6}中 N1、N2為 窄帶網(wǎng)，N3、N4為寬帶網(wǎng)，N5、N6為抗干擾網(wǎng)；用戶集 Usr={U1，U2，…，U6}中 U1、U2為第一類低速語音業(yè)務(wù)，U3、U4為第二類寬帶多媒體業(yè)務(wù)，U5、U6為第三類短消息傳真業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)和用戶類型參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)類型參數(shù)表

表2 業(yè)務(wù)類型參數(shù)表

設(shè)業(yè)務(wù)所能承受的最大時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率值分別為 60 ms、70 ms、6×10-4， 其余各決策因素采用相對(duì)無量綱數(shù)值。根據(jù)用戶自身特點(diǎn)，三類用戶對(duì)窄帶網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、抗干擾網(wǎng)的偏好可分別取 1、0.5、0.1；0.5、1、0.1；0、0、1。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)排序

第一類用戶：根據(jù)各決策影響因素歸一化方法可得該類用戶對(duì)于N1的歸一化向量為：

f=[α βγ B L F J]=[0.971 1 0.2 1 1 0]，構(gòu)造判斷矩陣，如表3、表4所示。

表3 第一類用戶第一層權(quán)重

表4 第二層權(quán)重計(jì)算

根據(jù)層次分析法計(jì)算權(quán)重得：

ω=[0.211 0.121 0.030 0.169 0.146 0.282 0.040]

FN1=f·ω=0.851

同理可得其余網(wǎng)絡(luò)的FN，用向量表示為：

Fn=[0.851 0.745 0.556 0.455 0.394 0.287]，即實(shí)時(shí)aim話音業(yè)務(wù)用戶偏好的網(wǎng)絡(luò)排序?yàn)?N1，N2，N3，N4，N5，N6。

第二類用戶的第一、二層權(quán)重判斷矩陣如表5、表4所示。得Fnaim=[0.636 0.536 0.916 0.887 0.619 0.519]，網(wǎng)絡(luò)排序?yàn)?N3，N4，N1，N5，N2，N6。

表5 第二類用戶第一層權(quán)重

第三類用戶由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力要求較高，第二層權(quán)重需重新構(gòu)造，判斷矩陣如表6、表7所示。

表6 第三類用戶第一層權(quán)重

表7 第三類用戶第二層權(quán)重

Fn=[0.142 0.097 0.165 0.127 0.966 0.896]，網(wǎng)絡(luò)aim排序?yàn)?N5，N6，N3，N1，N4，N2。

3.2 網(wǎng)絡(luò)選擇用戶

網(wǎng)絡(luò)選擇用戶的Fuaim也由以上各決策因素組成，但與用戶選擇網(wǎng)絡(luò)不同，這些決策因素中QoS、F、L為正向型向量，B為負(fù)向型向量，構(gòu)造判斷矩陣如表8、表 9所示。

與用戶選擇網(wǎng)絡(luò)方法相似，即窄帶、寬帶與抗干擾網(wǎng) 可 選 擇 的 用 戶 排 序 分 別 為 U1，U2，U4，U3，U5，U6；U3，U4，U1，U2，U5，U6；U5，U6，U1，U2，U4，U3。

3.3 博弈雙方互相選擇

根據(jù)算法思想及用戶與網(wǎng)絡(luò)各自可供選擇的目標(biāo)排序集，得最終雙向選擇結(jié)果，如表10所示。即窄帶網(wǎng)?低速語音業(yè)務(wù)，寬帶網(wǎng)?高速多媒體業(yè)務(wù)，抗干擾網(wǎng)?傳真短消息業(yè)務(wù)，符合實(shí)際要求。

表8 網(wǎng)絡(luò)第一層權(quán)重

表9 網(wǎng)絡(luò)第二層權(quán)重

表10 雙向選擇結(jié)果

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)選擇是衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵問題，本文提出了一種新的雙方博弈網(wǎng)絡(luò)選擇算法，既滿足了用戶的多化樣需求，同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)的滿意度，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了算法的可行性，確實(shí)做到了網(wǎng)絡(luò)與用戶雙贏，具有一定的實(shí)用性。

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