基于博弈的WiFi分流流量选择方案

摘要

随着无线和移动通信技术的更新换代，固定宽带普及率逐步上升，多媒体应用方兴未艾，移动流量规模庞大且增长迅速。为了缓解传输需求与网络供给之间的矛盾，研究者考虑将移动数据分流（Offload）到WiFi网络上传输，以此缓解热点区域的网络负载、提高移动用户的传输质量、驱动新型的商业模式，并引起了各方的广泛兴趣。 顺应存储、计算与网络资源向无线边缘下沉的浪潮，已有研究提出在WiFi接入的本地局域网中建立允许缓存的分流系统，即借助本地通用设备的存储能力为延迟容忍数据（Delay-tolerant data）提供一种存储-转发的上传方式，以进一步地提升WiFi分流的性能表现。然而，相比于以往WiFi分流中的网络选择问题，新的场景中用户不仅需要关注如何选择网络，也同时需要考虑采用何种方式上传数据，即本文所述的流量选择问题。 作为一种研究理性个体之间资源竞争的经典方法，博弈论在无线网络资源管理中得到了广泛的应用。其中，网络拥塞博弈（Network Congestion Game）与瓶颈路由博弈（Bottleneck Routing Game）分别从不同角度评价了用户效益，但在上述的新场景中是否适用尚待分析。此外，由于分流方式的多样化与复杂性，求解算法在理论性能与实际表现上的差异也值得关注。 基于已有的技术架构与博弈模型，本文研究了上述情景下的流量选择方案。首先调研分析了研究现状，而后建立了非合作博弈模型，之后分析并证明了与已有博弈模型的一些等价情况，改进了已有算法并分析了其决策规律，最后提出了流量选择近似算法，并通过数值仿真评价了其性能表现。相比于已有算法的改进，本文提出的近似算法有效地降低了求解问题的时间开销，产生的效用损失也相对较小，达到了性能表现与运行效率之间的良好权衡。 此外，为了进一步评估流量选择算法在实际网络环境下的性能表现，本文建立了适用于系统模型的网络实验环境，在室内场景下运行了网络实验，并与数值仿真结果进行了比较，最后通过两个案例简介了实验环境的可扩展性。针对基于博弈的相关研究着重数值仿真的现状，网络实验环境的应用工作为类似研究在评估方法上提供了一定的参考。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容

1.4 行文结构

第二章 相关技术与博弈论基础

2.1 允许缓存的WiFi分流网络

2.2 博弈论基础与拥塞博弈

2.3 相关研究中常用的评估工具

2.4 本章小结

第三章 流量选择博弈模型的设计与分析

3.1 系统模型

3.2 博弈模型分析与求解算法设计

3.3数值仿真与结果分析

3.4本章小结

第四章 网络实验环境的建立与评估

4.1 网络实验环境的设计与建立

4.2 流量选择算法的网络实验

4.3 网络实验环境的可扩展性

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录

附录1：证明与限制的网络拥塞博弈的等价条件

附录2：证明与瓶颈路由博弈的等价条件

致谢

攻读硕士学位期间学术成果