基于贝叶斯博弈的WLAN节能机制研究
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第 １０期 ２０１９年 １０月
电 子 学 报 ＡＣＴＡＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ． ２０１９
基于贝叶斯博弈的 ＷＬＡＮ节能机制研究
韩珍珍，徐 川，王倩云，王新恒，赵国锋
（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 ４０００６５）
摘 要： 针对无线局域网（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＬＡＮ）中密集部署无线接入点（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＡＰ）导致
的能耗和同频干扰问题，提出了一种基于贝叶斯博弈的节能机制 （ＢａＹｅｓｉａｎＧａｍｅｂａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇｓｃｈｅｍｅ，ＢＹＧ
ＥＳ）．首先，对通用 ＡＰ设备的能耗进行测量与分析，构建 ＡＰ发射功率负载能耗的关系模型；然后，基于该关系模型
及软件定义网络控制器实时收集的网络状态信息，设计基于贝叶斯博弈的能耗优化模型；最后，利用社会选择函数求
解能耗优化模型，获得干扰限制下最优的休眠 ＡＰ集合和发射功率配置规则，完成用户流量卸载和 ＡＰ发射功率的调
整，同时保证 ＡＰ参与博弈的诚实性．实验结果表明，ＢＹＧＥＳ节能机制能在减小系统能耗的同时提高网络性能．
关键词： 无线局域网；软件定义网络；贝叶斯博弈；同频干扰；流量卸载；发射功率配置
中图分类号： ＴＰ３９３ 文献标识码： Ａ 文章编号： ０３７２２１１２（２０１９）１０２０８３０６
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｎｅｔｗｏｒｋ；Ｂａｙｅｓｉａｎｇａｍｅ；ｃｏｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ； ｔｒａｆｆｉｃｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
１ 引言
收稿日期：２０１７０９１７；修回日期：２０１９０６２８；责任编辑：蓝红杰 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６１４０２０６５）；重庆市研究生创新项目（Ｎｏ．ＣＹＢ１８１６７，ＮＯ．ＢＹＪＳ２０１８０３）；重庆市技术创新与应用示范 项目（Ｎｏ．ｃｓｔｃ２０１８ｊｓｚｘｃｙｚｄＸ０１２０）
电子学报 ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｊｏｕｒｎａｌ．ｏｒｇ．ｃｎ
பைடு நூலகம்
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０３７２２１１２．２０１９．１０．００９
ＴｈｅＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＳｃｈｅｍｅｏｆＷＬＡＮ ＢａｓｅｄｏｎＢａｙｅｓｉａｎＧａｍｅ
ＨＡＮＺｈｅｎｚｈｅｎ，ＸＵＣｈｕａｎ，ＷＡＮＧＱｉａｎｙｕｎ，ＷＡＮＧＸｉｎｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＧｕｏｆｅｎｇ
随着智 能 终 端 的 快 速 普 及，移 动 数 据 流 量 呈 现 出 指数增长 趋 势［１，２］．为 了 满 足 用 户 日 益 增 长 的 流 量 需 求，运营商在校园、企 业 等 公 共 区 域 计 划 部 署 了 越 来 越 多的无线接入设备（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＡＰ）．然而无线局域网 （ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＬＡＮ）中 ＡＰ设备多是 根据系统峰 值 时 段 流 量 需 求 进 行 规 划，但 是 峰 值 时 段
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｃｏｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｄｅｎｓｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆ ａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔｓ（ＡＰｓ）ｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｌｏｃａｌａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＬＡＮｓ），ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｓｃｈｅｍｅ （ＢＹＧＥＳ）．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅｍｅａｓｕｒｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅａｌＡＰｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｍｏｄｅｌｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇＡＰ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒ，ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇｌｏａｄａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｍｏｄｅｌａｎｄｎｅｔ ｗｏｒｋｓｔａｔｕｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ，ａＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｃｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅ ｓｅｔｓｏｆｓｌｅｅｐｉｎｇＡＰｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｕｓｅｒ ｔｒａｆｆｉｃｏｆｆｌｏａｄｉｎｇａｎｄＡＰｔｒａｎｓｍｉｔｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅＢＹＧＥＳｃａｎｇｕａｒａｎｔｅｅｈｏｎｅｓｔｙｏｆａｌｌｐａｒｔｉｃｉｐａｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇｔｈｅＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅＢＹＧＥＳｃａｎｍｉｎｉｍｉｚｅｓｙｓｔｅｍ ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｎｅｔｗｏｒｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．
很少发生［３］．当系统中流量业务较少时，大部分 ＡＰ处 于空闲且开启的状态［４］，产生了严重的能耗问题．
系统处于非峰值流量时，休眠部分 ＡＰ并均衡网络 负载，能够实现系统能耗的优化［５，６］．文献［７］根据系统 历史数据流 量 呈 现 的 特 性 设 定 休 眠 阈 值，在 不 同 时 段 动态地调整 ＡＰ开启数以满足网络需求．但该类方案缺 乏对网络状态实时 变 化 的 考 虑．为 此，研 究 者 们 引 入 了 基于网络状态 实 时 感 知 的 节 能 机 制 ［８，９］．文 献 ［９］通 过
电 子 学 报 ＡＣＴＡＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ． ２０１９
基于贝叶斯博弈的 ＷＬＡＮ节能机制研究
韩珍珍，徐 川，王倩云，王新恒，赵国锋
（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 ４０００６５）
摘 要： 针对无线局域网（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＬＡＮ）中密集部署无线接入点（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＡＰ）导致
的能耗和同频干扰问题，提出了一种基于贝叶斯博弈的节能机制 （ＢａＹｅｓｉａｎＧａｍｅｂａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇｓｃｈｅｍｅ，ＢＹＧ
ＥＳ）．首先，对通用 ＡＰ设备的能耗进行测量与分析，构建 ＡＰ发射功率负载能耗的关系模型；然后，基于该关系模型
及软件定义网络控制器实时收集的网络状态信息，设计基于贝叶斯博弈的能耗优化模型；最后，利用社会选择函数求
解能耗优化模型，获得干扰限制下最优的休眠 ＡＰ集合和发射功率配置规则，完成用户流量卸载和 ＡＰ发射功率的调
整，同时保证 ＡＰ参与博弈的诚实性．实验结果表明，ＢＹＧＥＳ节能机制能在减小系统能耗的同时提高网络性能．
关键词： 无线局域网；软件定义网络；贝叶斯博弈；同频干扰；流量卸载；发射功率配置
中图分类号： ＴＰ３９３ 文献标识码： Ａ 文章编号： ０３７２２１１２（２０１９）１０２０８３０６
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｎｅｔｗｏｒｋ；Ｂａｙｅｓｉａｎｇａｍｅ；ｃｏｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ； ｔｒａｆｆｉｃｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
１ 引言
收稿日期：２０１７０９１７；修回日期：２０１９０６２８；责任编辑：蓝红杰 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６１４０２０６５）；重庆市研究生创新项目（Ｎｏ．ＣＹＢ１８１６７，ＮＯ．ＢＹＪＳ２０１８０３）；重庆市技术创新与应用示范 项目（Ｎｏ．ｃｓｔｃ２０１８ｊｓｚｘｃｙｚｄＸ０１２０）
电子学报 ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｊｏｕｒｎａｌ．ｏｒｇ．ｃｎ
பைடு நூலகம்
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０３７２２１１２．２０１９．１０．００９
ＴｈｅＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＳｃｈｅｍｅｏｆＷＬＡＮ ＢａｓｅｄｏｎＢａｙｅｓｉａｎＧａｍｅ
ＨＡＮＺｈｅｎｚｈｅｎ，ＸＵＣｈｕａｎ，ＷＡＮＧＱｉａｎｙｕｎ，ＷＡＮＧＸｉｎｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＧｕｏｆｅｎｇ
随着智 能 终 端 的 快 速 普 及，移 动 数 据 流 量 呈 现 出 指数增长 趋 势［１，２］．为 了 满 足 用 户 日 益 增 长 的 流 量 需 求，运营商在校园、企 业 等 公 共 区 域 计 划 部 署 了 越 来 越 多的无线接入设备（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＡＰ）．然而无线局域网 （ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＬＡＮ）中 ＡＰ设备多是 根据系统峰 值 时 段 流 量 需 求 进 行 规 划，但 是 峰 值 时 段
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｃｏｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｄｅｎｓｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆ ａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔｓ（ＡＰｓ）ｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｌｏｃａｌａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＬＡＮｓ），ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｓｃｈｅｍｅ （ＢＹＧＥＳ）．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅｍｅａｓｕｒｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅａｌＡＰｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｍｏｄｅｌｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇＡＰ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒ，ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇｌｏａｄａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｍｏｄｅｌａｎｄｎｅｔ ｗｏｒｋｓｔａｔｕｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ，ａＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｃｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅ ｓｅｔｓｏｆｓｌｅｅｐｉｎｇＡＰｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｕｓｅｒ ｔｒａｆｆｉｃｏｆｆｌｏａｄｉｎｇａｎｄＡＰｔｒａｎｓｍｉｔｐｏｗｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅＢＹＧＥＳｃａｎｇｕａｒａｎｔｅｅｈｏｎｅｓｔｙｏｆａｌｌｐａｒｔｉｃｉｐａｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇｔｈｅＢａｙｅｓｉａｎｇａｍｅ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅＢＹＧＥＳｃａｎｍｉｎｉｍｉｚｅｓｙｓｔｅｍ ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｎｅｔｗｏｒｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．
很少发生［３］．当系统中流量业务较少时，大部分 ＡＰ处 于空闲且开启的状态［４］，产生了严重的能耗问题．
系统处于非峰值流量时，休眠部分 ＡＰ并均衡网络 负载，能够实现系统能耗的优化［５，６］．文献［７］根据系统 历史数据流 量 呈 现 的 特 性 设 定 休 眠 阈 值，在 不 同 时 段 动态地调整 ＡＰ开启数以满足网络需求．但该类方案缺 乏对网络状态实时 变 化 的 考 虑．为 此，研 究 者 们 引 入 了 基于网络状态 实 时 感 知 的 节 能 机 制 ［８，９］．文 献 ［９］通 过