In this paper, we address the problem of associating mobile stations with base stations towards more energy-efficiency, from the perspective of population game. Using the population game, which allows tractable analysis of many selfish mobiles without growing mathematical complexity, our study provides two practical implications on energy-efficient BS associations: (i) how to control so-called association pricing so that an entire cellular network is operated with the goal of optimizing an socially optimal objective, and (ii) how to develop distributed, energy-efficient association algorithms. To that end, we first define a game, where mobile stations are the players, and their association portion for different base stations are their strategies. Then, from our equilibrium analysis, we prove that a simple power-dependent pricing by operators leads Nash equilibrium to be equal to the optimal solution of a social optimization problem (i.e., zero price-of-anarchy). Next, we study three evolution dynamics of mobile stations, each expressed as a differential equation, and connect each of them to a distributed association control mechanism, where all of those dynamics converge to the Nash equilibrium (which is equal to the socially optimal point).
본 논문은 게임이론 분야 중의 하나인 군집 게임 관점을 이용하여 기지국의 부하 분산과 에너지 효율을 높이는 기지국-사용자 연관 문제에 대한 해법을 제시한다. 군집 게임이론을 이용하면, 이기적으로 행동하는 많은 수의 사용자들의 행동을 수학적 복잡도 증가 없이 분석할 수 있다. 본 연구는 에너지 효율을 높이는 기지국 연관 기법에 대한 다음과 같은 고찰을 제공한다: (i) 기지국 연관을 위한 과금 정책을 어떻게 제어해야 이기적인 사용자들의 행동이 전체 시스템을 최적화 시키는 방향으로 갈 것인지와, (ii) 제시한 게임 모델을 바탕으로 에너지 효율을 높이는 분산 알고리즘을 어떤 식으로 설계할 것인지를 살펴본다. 이와 같은 분석을 위해 사용자들을 이기적인
전략을 택하는 주체로 보고, 기지국을 사용자들이 선택하는 전략으로 보아 게임 모델을 만든다. 그 다음, 게임의 평형점 분석을 통해 기지국 에너지 소모에 좌우되는 간단한 과금 모델을 만들어서 게임의 내쉬 균형이 전체 시스템을 최적화 시키는 지점으로 가는 것을 증명한다. 또한, 본 논문에서는 미분 방정식으로 표현된 세 가지 종류의 진화적 동력을 고려하고, 이 동력을 바탕으로 분산된 기지국 연관 제어 기법을 제시한다. 본 논문에서 설계한 게임 모델을 통해 고려된 동력들이 전체 시스템을 최적화 시키는 평형점으로 수렴함을 증명한다.