利用用户移动提高WiFi业务分担能力的用户激励机制研究

蔡世杰 肖立民 王 京 周世东



利用用户移动提高WiFi业务分担能力的用户激励机制研究

蔡世杰*①②③肖立民②③王 京②③周世东①③

①(清华大学电子工程系 北京 100084)②(清华大学信息技术研究院 北京 100084)③(清华大学信息科学与技术国家实验室 北京 100084)

WiFi网络可以分担蜂窝网络的通信业务压力，缓解其拥塞状况。然而，WiFi网络的业务分担只能在其覆盖范围内进行。由于用户具有移动性，如果通过提供一些奖励引导WiFi网络覆盖范围之外的用户延迟其在蜂窝网络中的业务、直至其进入WiFi覆盖区再接受服务，WiFi网络的业务分担能力将得到显著提升。该文探讨了运营商通过激励机制鼓励用户延迟其蜂窝网络业务转而接入WiFi网络的过程，并将其建模为两阶段斯塔克博格(Stackelberg)博弈。在该博弈中，运营商期望采取最优的奖励方案，能够兼顾蜂窝网络拥塞和付出的用户奖励。该文推导出了运营商的最优奖励方案。数值结果表明，所提激励机制可以有效降低包括蜂窝网络拥塞代价和奖励用户代价在内的运营商总代价。

蜂窝网络；WiFi覆盖；业务分担；用户移动；激励机制

1 引言

在蜂窝网络中，移动数据业务在快速增加，Cisco预测，数据业务从2011年至2016年将增长18倍[1]。单靠容量有限的蜂窝网络，难以满足激增的业务需求，因此网络运营商正在考虑将蜂窝业务大规模地转移到WiFi网络。例如，韩国SK运营商计划在2016年转移约的移动业务到WiFi网络。由于WiFi网络只能分担其覆盖范围内的蜂窝用户业务，运营商尝试拓展WiFi覆盖范围，大量的WiFi接入点(AP)已经部署。在WiFi普及的地区，如香港，电讯盈科(PCCW)运营商已部署数十万WiFi接入点。美国AT＆T公司和英国Orange公司也在其市场范围内部署了大量接入点。然而，实现WiFi网络的无缝覆盖需要相当高的部署成本，不具备现实可行性。

最近，业界提出一种被称为延迟WiFi业务分担的机制，可增强WiFi网络的业务分担能力。这一机制鼓励WiFi覆盖范围外的用户延迟一些可被延迟的业务(如电影下载、应用程序升级以及电子邮件更新)，直至进入WiFi覆盖区再重新接受网络服务。这一机制利用了用户的移动性，使WiFi网络得以为其覆盖范围外的用户提供服务。文献[5]表明，如果用户可容忍30 min的业务延时，WiFi网络可以分担80% 的蜂窝网络业务。该机制所带来的业务延时将不可避免地影响用户服务质量，一些研究试图对此做出权衡。然而，所有这些工作都假定用户总是会同意合作，延迟其蜂窝网络业务。实际上，用户往往不愿意合作，即便其业务可以延迟。

为了解决这一问题，本文考虑运营商通过激励机制鼓励用户延迟其在蜂窝网络中的业务，转而接入WiFi网络，以降低蜂窝网络拥塞。我们把蜂窝网络拥塞和付出的奖励视为运营商的代价，运营商的目的在于使这两个代价之和达到最小化。运营商的最优奖励求解和激励效果评估即为本文的研究内容。

2 系统模型和问题建模

接下来，我们考虑一个含有WiFi接入点的蜂窝网络，如图1所示。WiFi覆盖范围内的用户可以直接得到WiFi网络服务[9,10]。我们关注的是WiFi覆盖范围之外的用户，期望激励其接入WiFi网络(见图1中用户“”的案例)。我们把这些WiFi覆盖范围之外的用户用集合表示。假定WiFi接入点符合密度为的均匀泊松点过程(HPPP)，每个WiFi接入点都可为与之距离小于的用户提供服务。我们暂时不考虑WiFi接入点的容量限制。

本文把运营商和用户之间的相互作用建模为两阶段斯塔克博格(Stackelberg)博弈[11,12]：

图1 系统模型

然后，我们按照从第2阶段到第1阶段的顺序直观地解释该模型的意义及其合理性。

在第1阶段，由于运营商知道所有用户都是“最聪明的”，并且了解他们的决策代价(下文也将分情况讨论这一点)，所以可以预测出在声明任意奖励后用户达到的纳什均衡，进而预测出自己的总代价(下文将加以定义)。这样，运营商就可以选择一个可使总代价最小化的奖励。在之后的决策执行阶段，用户的行动将符合运营商的预测结果，因此，我们可以得出，运营商的决策确实是最优的。

注意，以上把整个模型分为两个阶段，只是为了便于分析说明。在实际操作中，运营商的决策是在一瞬间完成的，之后立即声明决策得出的奖励；用户获知奖励后，相互之间的博弈决策也是在一瞬间完成的，之后各个用户分别执行各自的决策。以上整个过程是由运营商发起的，运营商通过向用户声明奖励启动博弈过程。

2.1用户移动性与代价模型

在第2阶段，获知运营商声明的奖励之后，用户有两个选择：继续使用蜂窝服务或者延迟该服务直至移动至WiFi覆盖再接受WiFi服务。接下来，我们进行建模并比较用户在两种选择下的代价。

2.1.2留候的用户 留在蜂窝网络中的用户将不能获得奖励，且会遭遇一定程度的蜂窝网络拥塞，这与用户转向WiFi服务的数量有关。我们以表示切换用户的数量。那么存在个留侯用户。我们将蜂窝网络拥塞表达为的函数，，并考虑文献[14~17]中的线性方程，其中为蜂窝网络容量。

2.2运营商的代价模型

表1不同的信息可获取性情境

情境运营商一方用户一方 完整信息(第3节)全部信息全部信息 对称不完整信息(第4节)部分信息部分信息 不对称不完整信息(第5节)部分信息全部信息

3 完整信息情境研究

首先考虑完整信息的情境，在这一情境下，运营商和用户了解每位用户的等待成本。如果运营商能够实时检查用户的GPS定位，并计算用户距离最近WiFi热点的距离，上述情境将会发生。运营商可以向所有用户广播该信息。与式(1)不同，在完整信息情境下，所有均为确定值。不失一般性地，我们重新排列所有用户，使得。

接下来，我们通过逆向归纳分析斯塔克博格博弈(定义见第2节)。先从第2阶段开始，分析任意奖励下用户的均衡决策，然后通过预测用户接下来的反应，分析第1阶段中运营商的奖励决策。通过这一包含两个阶段的分析可以得到整个博弈的均衡。

3.1第2阶段的分析：用户的均衡决策

命题1 完整信息情境下的第2阶段：给定第1阶段运营商公布的任意奖励，第2阶段将达到以下纳什均衡。

3.2第1阶段的分析：运营商的最优奖励

备注1：完整信息情境下的第1阶段 运营商将声明提供最优奖励，最终成功鼓励个用户中等待代价最小的个用户延迟其蜂窝业务转而接入WiFi网络。其中，为问题式(7)的解，最优奖励通过将代入式(6)得出。

4 对称不完整信息情境研究

与完整信息情境不同，在对称不完整信息条件下，运营商和用户并不知道各个用户的等待代价。在用户并未频繁报告其所处地点或者查询WiFi接入点热点，且运营商并未从用户处获得上述信息的情况下，会出现对称不完整信息的情况。运营商和用户均仅能通过历史数据了解各个用户等待代价的公共累积概率函数。

4.1 第2阶段的分析：用户的均衡决策

命题2 对称不完整信息情境下的第2阶段 给定第1阶段的任意奖励，第2阶段的均衡如下：

4.2第1阶段的分析：运营商的最优奖励

定理1 对称不完整信息情境下的第1阶段：这一斯塔克博格博弈将获得如下均衡。

5 非对称不完整信息情境研究

5.1第2阶段的分析：用户的均衡决策

由于一些用户距WiFi覆盖区域非常近，我们假定用户的最低可能等待代价为0，将累积概率函数中的最大可能等待代价表示为。运营商声明提供的奖励不会高于，这是因为这个数值已经足以激励所有用户切换。当时，式(9)的解的存在性和唯一性可以证明。

5.2 第1阶段的分析：运营商的最优奖励

定理2 非对称不完整信息情境下的第1阶段：这个斯塔克伯格博弈将会达到以下均衡。

6 考虑用户随机性的扩展研究

现实中存在一些用户拒绝参与博弈过程而执意留在蜂窝网络中，我们称用户的这一不确定性为切换意愿的随机性。另外，用户的运动轨迹具有不确定性，我们称用户的这一不确定性为移动的随机性。接下来，我们将用户的这两种随机性引入到我们的问题中。

6.1 考虑用户移动随机性的扩展研究

在第3节关于完整信息情境、第4节关于对称不完整信息情境的研究中，决策过程和决策结果分别基于用户等待代价,的具体数值、用户等待代价的均值(与累积概率函数的具体形式无关)，也适用于考虑用户随机移动性后的情况。在第5节关于非对称不完整信息情境的研究中，网络侧和用户侧的决策过程和决策结果与累积概率函数的具体形式有关，不能用来解决考虑了用户移动随机性的扩展问题，因为此处累积概率函数的具体形式已改变。如果用户等待代价的统计特性(即累积概率函数)较稳定，网络侧只需要在较长的时间段内计算一次奖励方案即可，从而可以采取计算复杂度较高的数值搜索。具体来讲，先搜索找到一个使式(11)较小的：

6.2考虑用户切换意愿随机性的扩展研究

6.3 实际场景下的仿真

在边长为10 km的正方形内随机布置有WiFi接入点，每个WiFi接入点都可服务距离其小于m的用户。我们关注布置于正方形中央的一个宏蜂窝和其中的用户，并研究它们之间的博弈过程。蜂窝半径设为1 km。在宏蜂窝内WiFi覆盖范围外，随机安置了个用户，其中个用户愿意参与博弈，另外个用户拒绝参与博弈，而执意留在宏蜂窝网络中接收服务。对于愿意参与博弈的个用户来说，每个用户有特定的运动方向，该运动方向在360o内随机产生。用户的等待代价为其沿着该用户运动方向到达第1个WiFi热点的移动距离，该WiFi热点可以在宏蜂窝内，也可以在宏蜂窝外。我们假设上述等待代价为运营商和每个用户所了解，并给出完整信息情境下最优奖励作为用户数量和接入点密度的函数的数值结果，如图4所示。

随着WiFi接入点密度的降低，用户将会承担更高的平均等待代价，导致其切换意愿降低。因此，运营商需要声明提供更高的奖励作为切换补偿。当用户数量较小时，随着蜂窝网络业务量的增加，运营商需要声明提供更高的奖励来鼓励更多的用户切换。当用户数量较大时，奖励会随着的增加而降低，这是因为此时蜂窝网络中严重的网络拥塞也可以激励用户切换至WiFi网络。

图2 最优奖励作为用户数量           图3 运营商归一化代价作为         图4 最优奖励作为用户数

7 结束语

为了降低蜂窝网络拥塞，本文考虑运营商通过激励机制鼓励用户延迟其在蜂窝网络中的业务，移动至WiFi网络覆盖区域以切换至WiFi服务，并将这一过程建模为两阶段斯塔克博格博弈。考虑到运营商方和用户方对用户移动性与其等待代价信息的了解程度存在多种可能性，本文研究了各种用户等待代价的可获取性情境，并分别得出相应的最优奖励机制。数值结果表明，本文提出的激励机制可以有效降低包括蜂窝网络拥塞代价和奖励用户付出代价在内的运营商总代价。

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Incentive Mechanism Design for WiFi Offloading with Users’ Mobility

Cai Shi-jie①②③Xiao Li-min②③Wang Jing②③Zhou Shi-dong①③

①(,,100084,)②(,,100084,)③(,,100084,)

WiFi network helps offload the traffic pressure in cellular networks and alleviate its traffic congestion. However, it can merely offload the traffic within its coverage. In view of the mobility of users, if the users beyond WiFi coverage are incentivized with certain rewards to postpone their present cellular network services, and wait till they enter WiFi coverage, the traffic offloading capacity of WiFi Network will be significantly enhanced. This paper discusses an incentive mechanism for the operator to encourage users to delay their cellular network services and switch to WiFi network, and formulates the problem as a two-stage Stackelberg game. In this game, an operator expects to adopt an optimum reward solution, giving considerations to the extent of cellular network congestion and the required reward for users. Optimal reward mechanisms for the operators are proposed. According to the research result, the proposed incentive mechanism can effectively reduce the total costs of operators including the cellular network congestion costs and the user reward costs.

Cellular network; WiFi coverage; Traffic offloading; Users’ mobility; Incentive mechanism

TN929.52

A

1009-5859(2015)10-2431-07

10.11999/JEIT150285

2015-03-09；改回日期：2015-06-01；

2015-07-06

蔡世杰 caishijie.2003@163.com

国家自然科学基金(61201192, 61321061)，国家863计划项目(2014AA01A703)，国家973计划项目(2012CB316002)，国家重大专项(2013ZX03001008-004)，清华大学与爱立信的横向合作和东南大学重点实验室基金(2012D02)

The National Natural Science Foundation of China (61201192, 61321061); The National 863 Program of China (2014AA01A703); The National 973 Program of China (2012CB 316002); The National S&T Major Project (2013ZX03001008- 004); The Operation Agreement Between THU and SEC; The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (2012D02)

蔡世杰： 男，1987年生，博士生，研究方向为网络经济学、绿色通信.

肖立民： 男，1967年生，副教授，研究方向为数据传输、扩频通信、干扰抑制算法等.

王 京： 男，1958年生，教授，研究方向为4G网络、调制解调、信道编码、多用户检测、MIMO、分布式无线通信系统等.