[论文解读] Congestion games with resource reuse and applications in spectrum sharing

Sahand Haji Ali Ahmad, Mingyan Liu+1 more|ArXiv.org|Oct 22, 2009

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 2被引用 23

一句话总结

本文提出了资源重用型拥塞博弈（CG-RR），一种无线频谱共享的广义模型，其中用户的收益取决于干扰邻居的数量，而非总用户数。当所有信道具有相同的收益函数时，该博弈保证存在纳什均衡和有限改进性质，确保在具有空间重用的去中心化环境中收敛。

ABSTRACT

In this paper we consider an extension to the classical definition of congestion games (CG) in which multiple users share the same set of resources and their payoff for using any resource is a function of the total number of users sharing it. The classical congestion games enjoy some very appealing properties, including the existence of a Nash equilibrium and that every improvement path is finite and leads to such a NE (also called the finite improvement property or FIP), which is also a local optimum to a potential function. On the other hand, this class of games does not model well the congestion or resource sharing in a wireless context, a prominent feature of which is spatial reuse. What this translates to in the context of a congestion game is that a users payoff for using a resource (interpreted as a channel) is a function of the its number of its interfering users sharing that channel, rather than the total number among all users. This makes the problem quite different. We will call this the congestion game with resource reuse (CG-RR). In this paper we study intrinsic properties of such a game; in particular, we seek to address under what conditions on the underlying network this game possesses the FIP or NE. We also discuss the implications of these results when applied to wireless spectrum sharing

研究动机与目标

• 通过引入空间重用和干扰约束，更准确地建模无线频谱共享。
• 将经典拥塞博弈扩展至考虑无线网络中非均匀干扰影响的情形。
• 识别广义博弈保持有限改进路径和纳什均衡存在性等理想性质的条件。
• 为具有性能保证的去中心化频谱接入算法提供理论基础。

提出的方法

• 提出一种新的博弈论模型——资源重用型拥塞博弈（CG-RR），其中收益取决于同一资源上干扰用户数量。
• 基于共享同一资源的用户对数量定义势函数，以分析改进动态。
• 使用图论建模表示干扰关系，用户作为节点，干扰链路作为边。
• 应用势博弈理论，在特定收益函数条件下证明收敛性和均衡存在性。
• 通过证明每次单边改进严格减少势函数，分析有限改进性质（FIP）。
• 通过单一资源收益函数占主导地位或所有资源收益函数相同，建立纳什均衡存在的充分条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，资源重用型拥塞博弈（CG-RR）具有纳什均衡？
• RQ2 当存在多个资源时，CG-RR博弈是否保持有限改进性质（FIP）？
• RQ3 干扰约束和空间重用如何影响去中心化频谱共享中均衡的存在性和收敛性？
• RQ4 何种收益函数结构可确保博弈保持为势博弈并实现保证收敛？

主要发现

• 当所有资源具有相同的收益函数时，CG-RR博弈具有有限改进性质（FIP），确保通过任意最佳响应序列收敛至纳什均衡。
• 若某一资源的收益函数在所有其他资源上占主导地位，则无论网络结构如何，纳什均衡均被保证存在。
• 对于具有三个或更多资源的网络，FIP通常不成立，表明在任意收益函数下收敛性无法保证。
• 当所有资源产生相同收益时，该博弈为势博弈，且势函数与共享同一信道的干扰用户对数量成正比。
• 当收益函数关于干扰用户数量对称且非增时，一般网络中纳什均衡的存在性得到保证。