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绿色计算和通信的智能便携设备

把这个特殊的问题

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体积 2017年 |文章的ID 9423534 | https://doi.org/10.1155/2017/9423534

库恩,邢Liu Zheyi Chen明月, 基于博弈论的方法对权力高效车辆特设网络”,无线通信和移动计算, 卷。2017年, 文章的ID9423534, 9 页面, 2017年 https://doi.org/10.1155/2017/9423534

基于博弈论的方法对权力高效车辆特设网络

学术编辑器:羌族段
收到了 2017年9月01日
接受 2017年12月04
发表 2017年12月25日

文摘

绿色通信车载ad hoc网络中扮演关键角色(VANETs),而权力有效的部署VANET是在实践中相当具有挑战性。添加更多的蔬菜到这样的复杂时变的移动网络,我们专门为实时调查吞吐量和传输延迟的表演和延迟敏感的服务通过重复博弈理论解决方案。本文采用非合作的博弈模型的纳什均衡,分析其效率。仿真结果表明通过这些努力对权力的一个明显的改善效率。

1。介绍

指数增长的能源消耗在无线通信、绿色通信已经吸引越来越多的关注近年来(1- - - - - -3]。据报道,超过3%的全球范围的能源是使用信息和通信技术(ICT),这样的能源消耗将增加在未来不断(4]。传动功率,特别是,对提高无线通信的吞吐量的影响至关重要。然而,无限的极高的传动功率无法提高吞吐量在许多情况下,因为它只会导致一个可怕的Signal-to-Interference-and-Noise比(SINR)环境为每个节点。另一方面,能源消费的效率也无法在低SINR环境下(5- - - - - -8]。

功率效率成为一个主要的问题在车载ad hoc网络(VANETs),因为意识的环境友好型社会9,10]。VANETs高流动性的本质,不幸的是,自组织,导致功率效率一般被忽略。根据VANETs通道的结构,控制通道(CCH)允许节点传播包与一个固定的传输速率(11]。剩下的六个服务渠道(原理图)允许每个节点选择功率和调制类型传播数据包;有可能产生不可预知的干扰。此外,由于DSRC覆盖范围的限制,很难扩展端到端服务在一个大的规模和动态。许多实验是基于条件是每个节点执行的强制参与合作(10,12]。如图1发送者之间的距离( )和接收器( 短距离的覆盖范围之外)。建立的链接 ,强制性的合作必将改善VANETs的接收增益。然而,某些节点可能不适合这种合作,因为他们有严重的沟通环境。在图1,一些中继节点(例如, )恰巧位于边缘的报道目的地;强制性的合作可能会导致降低在中继节点的功率效率。在本文中,我们研究了合作的基本成分组成的包转发(13]。我们使用包转发策略在每个节点作为入口点发现VANETs的功率效率。提出了博弈论模型分析每个球员的行为(本文节点和球员是可以互换的),每个球员都有目标最大化其效用函数。在拟议的非合作的游戏中,每个节点调整功率和传输速率通过包转发策略,实现能源消耗之间的平衡和吞吐量基于当前环境。此外,球员知道对方的策略集和回报。上述特征总结如下:(1)球员是理性的;(2)独立玩家选择自己的战略;(3)完整的信息是共享的。在以下系统模型部分,我们将讨论的纳什均衡(NE)非合作的博弈模型,分析其效率。

在这个方案中,我们创造性地部署了VANETs通过考虑节点密度和节点移动性的影响。此外,该方案由路边单元实现(限制),因为在VANETs限制通常作为一个互联网网关和一个集中的角色分配信道资源(14]。

剩下的论文结构如下:部分2讨论了相关工作。部分3介绍了系统模型和制定功率效率的游戏。节4,我们检查和分析实验结果基于VANETs环境。最后,提出了本文的结论部分5

由于信息通信技术的发展,能源消耗和 在学术和工业排放正成为一个主要问题(2,9,10,15]。在[16),作者提出了一个定向路由和调度方案,考虑交通拥堵,缓冲区,并为绿色VANETs延迟。摘要(17)提出了一个基于VANETs城市救援行动。这个城市救援行动的目标是减少能源消费对绿色通信。参数来衡量绿色VANETs通信吞吐量时间指数的旅行时间和缓冲时间。另一方面,提高带宽效率,18,19]介绍了几个频道IEEE 802.11 p / 1609车载网络的协调方案。此外,在6),作者提出了一个方案,应用动态间隔CCH和原理图。它表明,该方案提高饱和吞吐量基于IEEE 802.11 p / 1609协议。中提到的SINR的影响是(6,7),作者提供了一个模型来评估的SINR多通道和多用户环境。论文(20.,21)提出了一种基于博弈论的基本框架(即包括一些基本假设。理性的球员)。

此外,描述的行为在无线ad hoc网络中,每个节点(20.)提出了一个非合作的博弈模型来分析影响功率的远近模型(NFE)。摘要(21)研究基于博弈论的功率的影响。不同的是(21几层)分离系统;然后作者研究了一个独立的决定如何影响网络的性能在相应的层。论文(13,22)应用博弈论分析了合作和包转发机制静态无线ad hoc网络。尤其是在[13,23),作者指出,与不同的拓扑节点的相互作用是不同的。他们也决定合作的条件和包转发可以没有激励机制。在[24,25),作者研究了belief-based数据包转发方案。摘要(24)假设概率分布函数(PDF)来衡量节点上的信念。然后,节点基于PDF的结果,采取行动和信念函数利用贝叶斯更新规则。类似于(24)、作者(25)也提出了belief-based方案,该方法绕过信念函数计算的复杂性。摘要(26)设计了基于声誉机制的功率控制机制。水平传播的策略集由权力和转发概率。在每一轮中,节点选择发送交通能源消耗;节点将更新转发概率基于信仰。在[27],作者研究了上行功率控制环境,球员们自私功率约束下最大化吞吐量的场景。他们既非合作的合作模式在电力约束情况下,提供的最好的回应策略非合作的博弈模型。摘要(5)提出了一个算法,结合功耗和传输速率不同的SINR条件。节点之间的合作可以达到虽然该算法是基于非合作的博弈模型,这样将提高网络吞吐量。

许多先前的工作已经完成了合作,在无线ad hoc网络数据包转发策略。然而,一些以前的作品要修改由于VANETs动态拓扑和节点的移动性。

3所示。系统模型

3.1。部分

我们第一次建立了基本模型在VANETs拓扑具有显著的高流动性。泊松到达过程的速率函数被认为是一个适当的交通生成模型([28- - - - - -31日]在[32])。泊松到达过程的假设之后,路上的平均节点密度是由 在哪里 代表一个随机的速度符合高斯分布的节点。 代表每个节点的发生概率。 代表的泊松率。因此,平均节点号很容易计算 在哪里 代表了最大通信距离。泊松假设到来后,距离 两个相邻节点之间可以表示在一个pdf格式如下: 相应地,距离 两个不相邻节点之间的总和(3),它表示在pdf格式如下: 在哪里 表示指定的不相邻节点之间的节点的数量 代表节点密度。然后,基于节点密度和节点之间的距离,我们讨论了比特误码率(BER)性能VANETs。两个节点之间的干扰是反映在SINR (33]。 在哪里 代表了目标节点, 代表了噪声目标节点, 从节点表示链接的路径损耗 , 代表节点使用的电力传输时间槽。

两个节点之间的信道衰落是应该遵循瑞利衰落。实验车辆通道测量是用来估计路径损耗。路径损耗之间的线性关系和发送者之间的距离 和接收方 讨论了(34- - - - - -36]。因此,该路径损耗模型简化但非常准确;它是表达如下: 代表一个参考距离,通常选择1米。 代表了路径损耗观察到参考距离。 代表两个玩家之间的距离, 代表了路径损耗指数 是一个随机值后与零均值正态分布。

此外,在游戏中一个节点的吞吐量表示如下: 代表了数据长度。 表明系统在接收节点引用的平均延迟节点。在VANETs,马尔可夫链模型在图2比安奇提议在37)已广泛应用在VANETs估计每个节点的延迟。由于本文不关注每个节点的延迟分析,结论(37,38引用。 在哪里 代表的包应该是网络中传输。假设VANETs中的所有节点具有相同的概率将包在一个时间段(一次槽= 100 ms在IEEE802.11p协议(18,19,38]);很容易引出的节点数量的增加将导致交通负荷的显著增长。一个数据包的平均传输时间 可以表示如下(的证明(9)是在附录部分): 在哪里 代表了时间的通道是免费的(免费槽时间等于32 年代)。 代表的时间传输碰撞。 完成负载传输所需的时间来表示。它可以计算的数据长度除以数据速率。 代表了在IEEE802.11p dif。 代表一个成功传输的时间成本,表示如下: 在哪里 代表了sif IEEE802.11p。 代表了持续时间用于传输一个ACK飞行员。此外,每个传输情况的概率也需要计算 在(9)。 在哪里 当通道空闲概率表示。 在当前环境下节点的数目表示。 代表固定概率节点发送数据包的一次性槽。 一个成功的概率是传输和 通道碰撞发生的概率,表示,到目前为止,所有的元素会影响延迟性能介绍了拟议的博弈模型。

3.2。B部分

在本部分中,我们应用上述参数在一个非合作的博弈模型。游戏的核心思想理论来预测其他玩家策略和选择最好的策略取决于他们的效用。纳什均衡是最流行的方法来预测哪些战略选择是广泛使用。纳什均衡的数学定义是定义如下。

定义1(纳什均衡)。 ,当且仅当 被称为纳什均衡。

在哪里 球员来标示, 代表 的球员。 代表的效用函数 th。 代表了 玩家的策略和 代表了其他玩家的策略。纳什均衡是指在比赛中,每个球员都选择一个最好的回应对方的策略。换句话说,他们不能提高效用除非其他玩家改变策略。

不同的支付函数和成本函数将有助于不同的纳什均衡,甚至没有纳什均衡。列举所有的可能性没有实际假设将是混乱和不确定的,因此将在详细分析仿真VANETs部分结合现实的假设。

如果满意Kakutani不动点定理,至少一个纳什均衡存在,所有的理性的玩家将会选择属于纳什均衡策略。否则,玩家会选择策略基于概率模型由于没有纳什均衡。后找到纳什均衡、帕累托最优和社会最优将用于分析纳什均衡的效率。

定义2(帕累托最优)。当且仅当只有一个策略 令人满意的 ,该战略 被称为帕累托最优(PO)。

定义3(社会最优)。当且仅当 在哪里 代表的重量 th球员,策略 被称为社会最优(所以)。

阿宝是用于分析每个球员的效率。是用于分析整个网络的效率与不同重量的球员。

此外,一种动态博弈模型重复游戏介绍,进一步提高效率。重复博弈的博弈理论经常被用于增强纳什均衡的性能通过惩罚自私节点。

如果玩家互动玩游戏无数次类似的阶段,这个游戏被定义为一个重复游戏。如前所述,玩家集表示 是一组用可用的策略 玩家在每一轮的重复博弈。我们表示 为一组,每一轮行动概要文件和记录 在圆代表了玩家的策略

在重复博弈中,历史性的效用函数的一个球员会影响当前的效用函数的球员。通常一轮衰变的影响是通过采用指数衰减。贴现因子是 ,在哪里 ;当 球员没有影响的历史,当前的效用。当 一样,球员的历史影响当前的效用。球员的效用函数 在轮 可以表示为 从方程,很容易观察到圆的效用 将减少的一个因素 当估算圆的效用 。这个因素可以用于模型服务有不同的优先级。在VANETs关闭后的方案中,有四个不同的交流,指不同的QoS的服务。通过给延迟敏感的玩家小折扣因素 ,和延迟不敏感的球员大折扣的因素 ,纳什均衡的效率可以通过减少吞吐量的损失显著增加。

功率效率的游戏(挂钩)模型总结了表1。我们假设所有的球员在这个游戏是理性的玩家,与每个节点试图选择策略,可以最大化效用,函数的地方 代表吞吐量增益和能源消耗。


组件的一个游戏 象征 VANET的元素

球员 VANETs决策节点的集合

策略 行动组节点 :
节点的作用 : (拒绝转发) (参与转发)
联合行动:所有的笛卡儿积 ,
,

效用函数 采取行动的收益函数
采取行动的成本函数
效用函数采取行动 :

考虑最基本的博弈模型,其中 如表所示2,表示只有两个策略可以选择:转发数据包与权力 和数据率 转发数据包。


玩家B

一个球员 策略 转发 Nonforwarding (0)
转发
Nonforwarding (0)

玩家的效用函数是支付函数减去成本函数(一个线性函数)5,20.,21]。值得注意的是两个玩家之间的交互需要考虑。当两个玩家同时传输时,我们可以使用(5为每个节点)来评估SINR。

4所示。模拟

本节用的分析不同类型游戏的配方中提到的部分3。同时,最优解进行比较找出最合适的一个根据特定的环境。在我们的模拟中,我们首先显示缺陷的强制性的合作基于延迟变异,然后我们讨论了拟议的博弈论模型,球员号码 已经设置为2。不失一般性,连续功率选择的战略空间。根据标准的IEEE 802.11便士,最大功率设置为760 mw。V2V LOS环境,路径损耗指数= 1.66,参考路径损耗在距离1米设置为54.02。增益矩阵假设所有的联系好的司机驾驶行为,这意味着所有节点与前面保持相同的速度节点后当他们;因此,多普勒频移效应被认为是零。在MATLAB仿真已经完成基于功率控制游戏的开发工具(4]。

考虑到绿色通信、吞吐量本身并不是适当的效用函数。很明显,在更高的SINR吞吐量性能更好。然而,当我们提到的部分1,在某些情况下,强制性的合作将有助于吞吐量性能的退化,由于延迟和SINR将暴力的影响。仿真结果图5显示,平均延时的增加是一个非线性的过程随着节点数量的增加。绿线在图3被认为与强制性合作以来的总传输数据包是一个随机现象,很难没有知识的近似的若干经验。假定相对,蓝线匹配数据包转发没有强制性的合作至少从一个节点存在,拒绝将数据包转发或保持沉默。如果可以选择转发节点策略本身是可能的方法在现实世界中蓝线。

与此同时,在高SINR条件,增加的吞吐量性能不能赶上的花费额外的权力。每个玩家提高功率效率、效用函数被定义为吞吐量权力支出的差异。仿真结果图4可视化上面的讨论;此外,找到最佳的SINR (5.7 dB)导致最高效用。因此所有的球员最好的响应(BR)为5.7分贝,以及在此基础上,一个独特的纳什均衡(NE)存在当所有的球员选择策略,使他们的SINR 5.7 dB。

添加成本函数是第一个最佳解决方案探讨。仿真结果图5找到最合适的成本因素的双人游戏功率效率。绿色通信涉及整个网络的性能,所以是选为标准来评估成本因素。所以是评价每位玩家的加权效用的总和 在哪里 球员的重量吗 在我们的模拟中,我们假设所有的球员都有相同的优先级;因此,效用 。从图5,它表明,所以成本因素时达到最大值0.7621 0.141。

仿真结果图6纳什均衡的效率。水平轴表示玩家1的归一化效用和纵轴表示玩家2的规范化的效用。最好的应对任何球员1的策略是灰色区域,这对于球员2是相同的情况。基于PO的定义,灰色区域是PO地区,坚实的曲线是阿宝边境。绿色十字标记代表两人的纳什均衡的功率效率和成本因素等于0。蓝色星号代表最好的增强的纳什均衡成本因素(0.141)。实心圆表示重复的功率效率的增强的纳什均衡博弈。红色的空心方形点,全球最佳性能的所在。正如我们从图6,简单的纳什均衡阿宝地区代表的纳什均衡,提高电源效率,使玩家选择最好的根据最优SINR回应对方。然而,它仍有一些距离,这意味着仍然有一些空间来提高性能。最好的纳什均衡成本因素(蓝色星号)更接近于比简单的纳什均衡。由于成本因素是一个线性的方法,很难完全达到。通常情况下,仍然会有一些空间增强纳什均衡的性能如图6。同时,重复博弈的纳什均衡(黑色实心圆)正值。通常情况下,仍然会有一些空间增强纳什均衡的性能如图6。同时,重复博弈的纳什均衡(黑色实心圆)正值所以,这表明重复博弈可以提供最有效的策略在绿色通信。

提到也是宝贵的,因此,玩家2的效用 比玩家1的效用 因为球员的链接条件2比玩家1,得到全球最佳性能,球员比球员1 2起着更重要的作用。它是非常重要的,当我们讨论公平问题在博弈理论,以防止玩家放弃比赛。在我们的假设,避免通过迫使所有的球员参加比赛。红线和PO前沿交叉是玩家1和球员2具有相同效用这意味着所有的球员都共享相同的公平。

不考虑公平问题,重复博弈显然有最好的效率性能;然而,所有的球员都需要掌握所有之前的策略。游戏与成本函数有很好的性能,但它需要一个适当的成本因素。根据不同的场景中,可以选择不同的最优解。

5。结论

部署一个绿色车辆临时网络复杂、时变的移动环境下,我们专门为实时调查吞吐量和传输延迟的表演和延迟敏感服务通过一个功率效率重复博弈模型。纳什均衡是应用于非合作的博弈模型,及其效率分析了基于IEEE 802.11 p / 1609协议。仿真结果显示,重复的游戏,应用成本函数可以在绿色通信提供最有效的策略。未来的研究工作将集中在公平问题和各种速度的场景。

附录

一个人 的概率是 时段之间存在两个成功的传输。

是这些时段的期望价值。

自成功传输的概率 小于1,大于0的极限 方法无穷可以表示如下:

的平均时间槽持续时间可以写成

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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