[論文レビュー] Power Allocation and Pricing in Multi-User Relay Networks Using Stackelberg and Bargaining Games

Qian Cao, Huanhuan Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、マルチユーザー中継ネットワークにおける電力割り当てと価格設定のための2段階ゲーム理論的フレームワークを提案する。中継局はスタックルベルクゲームを用いて価格を設定し、ユーザー間の公平な電力割り当てにはカライ＝スモロディンスキー交渉解（KSBS）を用いる。この手法により、中継局の収益を最大化するとともに、均等割り当てよりも優れた公平性とほぼ和レート最適性能を達成する。シミュレーションにより、供給と需要のダイナミクスと整合性があることが確認された。

ABSTRACT

This paper considers a multi-user single-relay wireless network, where the relay gets paid for helping the users forward signals, and the users pay to receive the relay service. We study the relay power allocation and pricing problems, and model the interaction between the users and the relay as a two-level Stackelberg game. In this game, the relay, modeled as the service provider and the leader of the game, sets the relay price to maximize its revenue; while the users are modeled as customers and the followers who buy power from the relay for higher transmission rates. We use a bargaining game to model the negotiation among users to achieve a fair allocation of the relay power. Based on the proposed fair relay power allocation rule, the optimal relay power price that maximizes the relay revenue is derived analytically. Simulation shows that the proposed power allocation scheme achieves higher network sum-rate and relay revenue than the even power allocation. Furthermore, compared with the sum-rate-optimal solution, simulation shows that the proposed scheme achieves better fairness with comparable network sum-rate for a wide range of network scenarios. The proposed pricing and power allocation solutions are also shown to be consistent with the laws of supply and demand.

研究の動機と目的

• 自己中心的なノードが参加するマルチユーザー無線ネットワークにおいて、中継協力を促進する課題に対処すること。
• 中継局が収益を最大化するとともに、ユーザー間の電力割り当てを公平に保証する価格設定メカニズムを設計すること。
• 中継局（リーダー）とユーザー（フォロワー）の相互作用を、最適価格設定を実現するスタックルベルクゲームでモデル化すること。
• カライ＝スモロディンスキー交渉解（KSBS）を用いた協力的交渉ゲームにより、ユーザー間の電力競合を解決し、公平性を確保すること。
• 実用的制約下で、ネットワークの和レート、公平性、中継局収益のバランスをとること。

提案手法

• 中継局とユーザーの相互作用を2段階のスタックルベルクゲームとしてモデル化：中継局がリーダーとして単位電力単価を設定し収益を最大化し、ユーザーがフォロワーとして電力購入量を決定する。
• カライ＝スモロディンスキー交渉解（KSBS）を適用して、中継電力の公平なユーザー間割り当てを実現し、比例的公平性と個人合理性を保証する。
• 中継電力割り当て問題を凸最適化問題に変換し、効率的な数値的手法で解けるようにする。
• KSBSに基づく電力割り当てとユーザー需要関数をもとに、最適中継価格を解析的に導出する。
• 計算複雑性を最小限に抑えるために、アンプリファイ・アンド・フォワード中継を用いるが、性能は維持する。
• 静的チャネル条件下で、中継電力制約と価格を変化させたシミュレーションにより、フレームワークの有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザー中継ネットワークにおいて、複数の自己中心的なユーザーに対して、中継局が収益を最大化すると同時に電力を公平に割り当てることはどのように達成できるか？
• RQ2 ユーザーの電力需要と公平性制約を満たす条件下で、中継局の収益を最大化する価格戦略は何か？
• RQ3 提案されたKSBSに基づく電力割り当ては、均等割り当ておよび和レート最適割り当てと比較して、公平性と和レートの面でどのように異なるか？
• RQ4 提案された手法は、供給と需要の経済法則をどの程度反映しているか？
• RQ5 ゲーム理論的フレームワークは、ほぼ最適な和レートを達成しながら、公平性と高い中継局収益を維持できるか？

主な発見

• 提案されたKSBSベースの手法は、最適価格における正規化されたレート差が0.7701にまで低下し、和レート最適解（0.8652）よりも顕著に優れた公平性を示している。
• 中継電力価格λ = 0.0027のとき、中継局の収益は最大に達し、売却電力は全中継電力の91%に達し、和レート最適解と2%の差にとどまる。
• 均等割り当てと比較して、収益最大化価格（λ = 0.0047）における提案手法は、中継局収益を向上させるとともに、和レートを23%高い水準にまで引き上げた。
• 中継電力制約が25 dBのとき、提案手法と和レート最適解との和レート差は6%未満であり、ほぼ最適性能であることが示された。
• 最適中継価格は中継電力の増加に伴い減少する傾向を示しており、システム内での供給と需要の法則が裏付けられた。
• すべてのテストシナリオにおいて、提案手法は均等割り当てよりも公平性（低いレート差）とネットワーク和レートの両面で一貫して優れていた。