专利名称：异构融合网络带宽资源优化分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别是异构融合网络带宽资源优化分配技术。
背景技术：
随着各类通信技术的快速发展，以及用户业务需求的不断增长，现有各类无线接入技术将融合共存，为各类用户业务提供有效接入服务。各类典型接入技术包括无线个域网、无线局域网、无线城域网、公众蜂窝移动通信网、卫星网络，以及移动自组织(Ad Hoc)网络。图I所示为异构融合网络示例，多网络终端可通过有线接口或者无线接口通过有线接入技术(如有线电视网络，有线网络802. 3)或者无线接入技术(如GPRS (General PacketRadio Service), UMTS(Universal Mobile Telecommunications System), WLANCffirelessLocal Area Network) , WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access),CMMB DVB-S/H (China Mobile Multimedia Broadcasting，简称中国移动多媒体广播))连接到IP骨干核心网络共享无所不在的网络服务。各类异构接入网络的融合是下一代网络发展的必然趋势，可有效实现网络覆盖范围的增加、网络资源的充分利用及用户Q0S增强。多网融合场景下各接入网络的异构特性及用户业务需求的多样性对网络无线资源管理技术特别是带宽资源管理技术提出了新的困难及挑战。目前已有研究考虑多网融合场景下的带宽分配问题。文献[黄力，韦彬贵，李可长，无线接入网中带宽高效分配方法，公开号102014500A，
公开日2011-04-13]提出了一种无线接入网络中带宽分配方法。由位于基站MAC (Media Access Control)层和 OFDMA (Orthogonal FrequencyDivision Modulation Access)物理层的资源调度模块执行跨层资源调度，结合无线信道状态信息，执行分组调度机制，及相应子载波和功率分配。文献[D. Niyato andE. Hossain. A cooperative Game framework for bandwidth allocation in 4Gheterogeneous wireless networks. Proc. ICC 2006.]提出基于合作博弈理论解决4G (Fourth-Generation)异构无线接入网络带宽分配问题,将一个用户在多个网络中的带宽分配问题建模为破产博弈模型，并进行优化求解，但论文未考虑实际应用场景中多用户、多类业务需求并存情况下的资源分配问题。文献[D. Niyato and E. Hossain. Anoncooperative Game-theoretic framework for radio resource management in 4Gheterogeneous wireless access networks. IEEE Transactions on Mobile Computing,Vol. 7，No. 3，2008, pp. 332-345.]提出基于非合作博弈理论的异构网络带宽分配方案，通过建立各网络之间的非合作博弈模型，优化求解给定区域各接入网络的总带宽，进而基于容量门限优化方案，建模某连接在各接入网络中的带宽分配非合作博弈模型，并进行优化求解。论文仅基于网络及用户之间的非合作竞争关系进行建模，未考虑网络整体性能优化以及网络、用户之间可能存在的合作博弈关系。因此，异构融合网络场景下，如何综合考虑接入网络特性、用户业务特性以及网络、用户及各类业务之间的竞争、合作关系，进行网络带宽资源的高效、公平、合理分配，是实现网络综合性能优化及用户QoS保障的重要基础。
在异构融合网络中，各接入网络通过为用户提供接入服务，获得网络收益。一方面从网络运营的角度，希望实现网络收益最大化，但另一方面，各网络之间以及网络用户之间存在的用户资源、带宽资源的竞争关系，导致多个网络收益相互影响及制约，制约了收益最大化的实现。通过建立接入网络之间的联合资源协作管理机制，建模网络联合收益，实现网络整体收益的最大化成为可行高效的优化决策。目前已有研究基于效用函数进行通信系统优化设计，如文献[俞一帆，白勇，陈岚，在异构无线网络中选择网络的方法和装置，公开号101287280，
公开日2008年10月
15日]提出异构无线网络中选择网络的方法和装置，通过建模各网络的效用函数，并结合用户及网络的属性权重向量，评估各网络的综合效用值，从而选取最终候选网络；文
献[刘干，周亮，周鑫等，一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，公开号101321388，
公开日2008年12月10日]提出一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，建模二级用户的效用函数，各二级用户依次选择使其效用函数最大的传输信道，直至系统收敛，实现所有二级用户的信道优化选择。采用基于效用函数的通信系统优化设计，通过建模网络或者用户的效用函数，评估并优化其效用实现最优选择，但未综合考虑各异构接入网络特性及用户业务需求关系。由于用户业务体验和网络性能是受用户占用带宽，用户之间的竞争以及网络为用户提供服务所付出代价等多种因素共同影响的复杂的系统问题，因此在数学上很难建模。一方面，各接入网络均以自身收益最大化为资源分配及性能优化的目标，另一方面，各接入网络之间存在的用户资源激烈竞争的关系，导致各接入网络独立收益最大化无法实现。因此，本专利在满足用户业务需求、网络资源负载均衡等条件下，引入联合网络资源效用函数，通过优化网络联合收益，实现用户各类业务带宽资源的优化分配；进而基于破产博弈理论，建模用户带宽分配模型，采用夏普里值划分规则，确定各用户带宽分配优化方案。
发明内容
针对现有异构融合网络资源分配技术难以兼顾用户业务QoS保障及网络性能优化，本发明提出一种基于效用函数及破产博弈理论的异构无线网络带宽资源优化分配方法。在异构网络共同覆盖区域内，建立联合网络收益在满足网络可用带宽和用户业务带宽需求的条件下优化网络联合收益，实现网络各类业务带宽资源的优化分配(获得第i个网
络为第k类业务分配的带:I “ );进而基于经济学领域中的破产博弈理论，建模用户业务带
宽分配模型，采用夏普里值划分规则，确定各用户业务带宽分配优化方案(获得第k类业务
中用户j实际分配的带宽 <)。具体步骤为基于各用户对各业务(语音、数据、视频等)需求的差异性对用户进行分类，根据网络i业务带宽分配向量B，建立带宽分配矩阵=B=^B2, - ,Bm],
(Bi为网络i为K类业务分配的带宽集合，用向量珥=[夂圹,·· <]'表示)公式 =计算网络为各类业务提供服务所获收益函数P(B)，根据不同
^=I V^=I J
接入网络之间以及接入网络内各类业务之间的资源竞争导致网络效用损耗确定网络资源竞争函数E(B)，根据网络为用户提供不同类型业务需支付不同代价，调用公式
c =计算网络代价函数C(B)，根据接入网络收益函数P(B)，网络带宽资源
i=l k—\
竞争函数E (B)，网络代价函数C (B)，调用公式U (B) =P (B) -E (B) -C (B)计算网络联合效用函数，根据网络可用带宽和业务带宽总需求及业务公平性等限定因素优化网络联合效用函
数，得到网络业务带宽优化分配方案(获得第i个网络为第k类业务分配的带宽Bf);根据
获得的优化业务带宽分配量贫及用户业务带宽资源分配需求，建立破产博弈模型，根据夏普里值划分原则求解破产博弈模型，获得用户分配带宽第k类业务中用户j实际分配的带宽<。·定义业务带宽分配通用限定条件各网络各类业务实际分配的总带宽不大于网络可用带宽，即 式以及第k类业务分配的带宽总和应满足其带宽需求，即
护'·，其中为第i个网络可用带宽，i=i,2, -M,Btmax, Btmin分别为第k类
/=1I
业务的最大、最小带宽需求，k=l，2-K。确定联合网络收益函数Ρ(Β)，网络为尤类用户业务提供带宽接入服务所获取收益为用户业务带宽的非线性函数，第i个网络为用户提供业务支持所获得收益为
，则接入网络收益函数尸，其中，^及？1分别为收
V ^=I J1=1 V k=l J
益损耗因子及收益单价，ε i为带宽收益指数，i=l，2，"·，Μ，k=l,2, - ,K, M代表接入网络数目，K代表每个接入网络支持的业务类数，其取值依据当前异构网络所处的具体环境而定。如R=CM,表示网络接入一个新连接的收益C与M个连接相乘获得的总收益R ;U(b) = co log(l+a b)表亍网络分配带宽量为b获得的收益,其中ω，a为相关系数；
^(Χ^) = Σexp[- 4(X> ~~ ]，表示N个连接收益的和，其中Xi，Θ分别为实际分配的带宽和
J=IO
理想的要求带宽等。由于网络性能是受用户业务占用带宽，接入网络之间对用户的竞争以及各网络内不同用户为争取更多网络带宽资源而产生的竞争等多种因素所影响的。为了更好的建模这个复杂的网络系统，根据网络业务带宽分配向量Bi，即/i,=[/K，···，岑厂
，获取网络自身带宽损耗函数(片):，根据同类业务在不同网络中占有带
i=l k=l
宽确定不同接人网络之间的竞争损耗函数ρ< <，根据不同业务在
Z1=I k—\k=\
同一网络中占有带宽确定各接入网络内各类业务之间的带宽资源竞争损耗函数dixfx2，(其中，#妒为带宽分配向量&中任意两元素)，用二次效用函数
i=l ^1=I Ic2-IclA
权利要求
1.一种基于效用函数及博弈理论的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于基于各用户对业务需求的差异对用户进行分类，根据网络i业务带宽分配向量尽=[β· Jf-，建立带宽分配矩阵B=IiB1, B2,…，Bm],调用公式P(B) 二Λ建立网络为各类业务提供服务所获收益函数P(B)，根据不同接入
2.根据权利要求I所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于根据用户资源分配限定条件及夏普里值划分原则对破产博弈模型求解。
3.根据权利要求I所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于调用公式C(B) =计算网络代价函数C (B)，其中，y及0分别为第i个网络为第k类
4.根据权利要求I所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于采用二次效用函数表示网络资源竞争函数E(B)，根据网络自身带宽损耗函数，不同接人网络之间的竞争损耗函数，
5.根据权利要求I所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于当网络可用带宽资源充足，各类业务均获得最大带宽需求；当网络可用带宽资源部分受限，带宽资源分配应满足附加限制条件^，k1； k2=l, 2，…K，ki幸k2，标识各接入网络负载状况差异；当网络带宽资源严重受限，对高优先级业务优先提供接入服务及带宽分配。
6.根据权利要求I所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于所述用户业务带宽分配破产博弈模型具体为，每个用户都要求分配一个最大带宽分配量，所有用户要求分配的最大带宽量的总和超过目前网络业务带宽分配的带宽量贫，即玄4'酿2贫，网络i将网络业务带宽A分配给，个用户，在满足条件iX=5f下，得到
7.根据权利要求2所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于用户资源分配限定条件为用户j的第k类业务带宽需求#应满足及;^X=5f，
8.根据权利要求2所述的异构融合网络带宽资源优化分配方法，其特征在于用夏普里值划分原则求解破产博弈模型，具体为构造联盟子集S，建立以联盟子集S为参数的特征函数V(s)表示联盟子集S能够分配的最大带宽量，定义对个用户业务带宽分配量的集合为沴=，4，…，d]，· · ] = \Φ\ (''(S)X Φ, (v’(s)X · · ·, φ. (v’(s)X · · ·, (r(s))],其中，数值函数
全文摘要
本发明公开了一种基于效用函数及破产博弈理论的异构融合网络带宽资源优化分配方法，属于通信技术领域。本发明通过对异构无线接入网络共同覆盖区域用户的带宽需求进行优化，对用户业务进行分类，建模网络联合效用函数，在满足各类业务带宽需求条件下，通过最大化网络效用函数，得到网络中各类业务带宽资源优化分配方案；进而建立破产博弈模型，通过求解夏普里值，得到各用户优化带宽分配方案。本发明综合考虑网络之间及用户之间的合作及竞争关系，通过联合资源管理实现满足各类业务资源公平分配条件下的网络整体收益的优化，并基于博弈理论，实现对用户接入带宽的合理有效的分配，以提高网络资源利用率及用户服务质量QoS。
文档编号H04W72/04GK102946641SQ20121049136
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者陈前斌, 王秀娟, 柴蓉 申请人:重庆邮电大学