0 引言

    未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)能將現(xiàn)有和未來(lái)的各種無(wú)線系統(tǒng)有機(jī)融合在一起的開(kāi)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(lái)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(yíng)等問(wèn)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)用戶與網(wǎng)絡(luò)的相互博弈來(lái)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，…，N_M}、Usr={U₁，U₂，…，U_N}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(yǔ)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(lái)分別建立用戶與網(wǎng)絡(luò)雙方各自目標(biāo)函數(shù)F_aim。

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(lái)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。

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

    (3)計(jì)算各決策因素的權(quán)重：

    得判斷矩陣的權(quán)向量：ω=[ω₁，ω₂，…，ωn]^T；

    (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）。

    X_i表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下的用戶值，X_max為用戶業(yè)務(wù)所要求的最大值限制，X_min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(yǔ)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。

    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(wú)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 β γ 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。

    根據(jù)層次分析法計(jì)算權(quán)重得：

    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。

3.2 網(wǎng)絡(luò)選擇用戶

    網(wǎng)絡(luò)選擇用戶的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(yǔ)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。

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(wèn)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。

參考文獻(xiàn)

[1] HYO S P，SUNG H Y，TAE H K，et al.Vertical handoff procedure and algorithm between IEEE 802.11 WLAN and CDMA cellular network[C].Proceedings of 7th CDMA International Conference on Mobile Communications.Berlin：IEEE press，2003：103-112.

[2] NOVATO D，HUSAIN E.Dynamics of network selection in heterogeneous wireless network：evolutionary game approach[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58(4)：2008-2017.

[3] JIA H，ZHANG Z，CHENG P.Study on network selection for next-generation heterogeneous wireless networks[C].Proceedings of IEEE 17th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications：IEEE，2006：1-5.

[4] JOSEPHINA A，ANDREAS P.4G Converged Environment: Modeling Network Selection as a Game[C].Proceedings of the 16th IST Mobile and Wireless Communications Summit.Budapest，Hungary：IEEE，2007：l-5.

[5] CHARLES D，Mar kaki O，TRAGUS E.A theoretical scheme for applying game theory and network selection mechanisms in access admission control[C].Proceedings of the 3rd International Symposium on Wireless Pervasive Computing.Santorin，Greece：IEEE，2008：303-307．

[6] NOONAN J，PERRY P M J.Client controlled network selection[C].Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on 3G Mobile Communication Technology.Savoy Place London，UK：IEEE，2004：543-547.

[7] 徐鵬，方旭明.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇中的一種新博弈模型[J].電訊技術(shù)，2011，51(2)：27－33.

[8] Yu Wei，Wei Sixiao，Xu Guobin.On effectiveness of routing algorithms for satellite communication networks[C].Proc.SPIE8739Q(May 21，2013).

[9] XU L，GUO D，CHEN X.A network selection algorithm based on AHP in satellite heterogeneous networks[C].Proceeding ICETCE′12.IEEE Computer Society Washington，2012：100-10.i