專利名稱：認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法。
背景技術(shù)：
隨著各種無線通信新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各種無線業(yè)務(wù)的興起，以及新一代寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的大量出現(xiàn)(如LTE-A和WiMAX)，頻譜資源短缺的問題日益嚴重。目前無線電頻譜是采取固定方式分配給不同的網(wǎng)絡(luò)(即為授權(quán)頻譜)，由國家統(tǒng)籌規(guī)劃管理。實際應(yīng)用中的大量測量結(jié)果表明，這種固定頻譜授權(quán)分配使用的方式導(dǎo)致某些頻譜承載的業(yè)務(wù)量很大，出現(xiàn)嚴重的擁塞現(xiàn)象；而同時，也有些頻譜的頻譜使用效率極低，造成了頻譜資源的嚴重浪費。認知無線電的提出被認為是解決這一問題最完美的技術(shù)方案，由此衍生的認知無線網(wǎng)絡(luò)也已被視為未來網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向。認知是指無線電必須具有自我感知能力，了解其工作環(huán)境的基本狀況，并使用無線電知識表示語言與其他的實體進行通信，從而實現(xiàn)無線電的控制問題。認知無線電技術(shù)為次用戶提供了擇機使用和共享頻譜的能力，主要包括頻譜檢測、頻譜分配(管理)以及頻譜切換等多方面的內(nèi)容，核心思想是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。頻譜分配是指根據(jù)需要接入系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)目及其服務(wù)要求將頻譜分配給一個或多個指定節(jié)點。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。在認知無線電中，為了解決頻譜資源的匾乏和目前固定分配頻譜利用率較低的問題，就要求找到更有效的方法來充分感知和利用無線頻譜資源?；就緩接袃蓷l其一，提高頻譜利用率，將已授權(quán)用戶的頻譜資源充分利用，減少浪費；其二， 提高系統(tǒng)通信效率，將已獲得的頻譜資源和其他資源綜合優(yōu)化分配，進而提高利用率，這些都涉及到頻譜分配的內(nèi)容。認知無線電中的頻譜共享問題一直是國內(nèi)外理論研究的熱點，自認知無線電概念的提出發(fā)展至今，不少學(xué)者提出了認知無線電中頻譜共享問題的分析模型，它們大多是借鑒于一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)理論以及微觀經(jīng)濟學(xué)理論等，現(xiàn)就較為常見的兩種頻譜分配模型介紹如下(1)基于圖論的頻譜分配模型基于圖論的頻譜分配模型是建立在相應(yīng)的干擾和約束條件之上的。在認知無線電的研究中，將認知用戶組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)抽象成圖，圖中的每一個頂點代表無線用戶，每一條邊表示一對頂點間的沖突或者干擾。特別的，如果圖中的某兩個頂點由一條邊連接，則假定這兩個節(jié)點不能同時使用相同的頻譜。另外，將每一個頂點與一個集合相關(guān)聯(lián)，這個集合代表該頂點所在區(qū)域位置可以使用的頻譜資源。由于每個頂點地理位置的不同，因而不同頂點所關(guān)聯(lián)的資源集合是不同的。在建立了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，便可以根據(jù)圖論著色理論對認知無線電用戶進行頻譜分配。但是，基于該模型的頻譜分配方法中，頻譜分配的完成時間與空閑信道數(shù)多少以及網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性有關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時候需要更新拓撲圖并重新著色進行頻譜的再分配，因而該模型無法適應(yīng)認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求，也不適應(yīng)認知無線電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。(2)基于定價拍賣的頻譜分配模型利用微觀經(jīng)濟學(xué)中定價拍賣原理而制定的無線電資源分配機制在近年來被廣泛研究，而且已經(jīng)證明是認知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配問題的有效解決方法。在這種基于拍賣的頻譜分配模型中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用集中式結(jié)構(gòu)，認知無線電用戶是投標者，中心接入點 (Access Point,AP)或基站(Base Station,BS)在一次拍賣中充當拍賣人。在一個拍賣輪回中，每個投標者為滿足自身需要給頻譜資源投標，由拍賣人根據(jù)最大化認知無線電網(wǎng)絡(luò)收益等原則確定勝利者?；诙▋r拍賣的頻譜分配模型根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)效用需要來確定自身的目標函數(shù)， 即確定贏家勝出的規(guī)則。例如采用最大化系統(tǒng)吞吐量原則將某段頻譜分配給在其上吞吐量投標值最大的用戶，利用效用公平原則和時間公平原則保證投標在競爭頻譜資源過程中的效用公平和時間公平等等。但是，基于該模型的頻譜分配方法中，只是根據(jù)次用戶的頻譜租用需求進行決策， 并未考慮主用戶的出租效益和空閑頻譜動態(tài)變化情況，決策時如果次用戶需要在需求和效益之間進行平衡，則有可能導(dǎo)致一個輪回的決策時間過長(多個次用戶多次調(diào)整需求值)， 因而該模型也無法適應(yīng)認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求，也不適應(yīng)頻譜分配的實時性要求。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本方案為了解決主用戶空閑頻譜利用率低的問題，提出了一種認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法，通過博弈論中的寡頭競爭抽象模型調(diào)整頻譜共享策略，使得主用戶得到額外的效用，次用戶也可以利用主用戶的頻譜傳輸信息，實現(xiàn)了頻譜共享，提高了頻譜利用率。(二)技術(shù)方案本發(fā)明適用于可實施集中式控制的網(wǎng)絡(luò)部署場景中，提出了一種認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法，所述方法包括步驟Si，次用戶檢測到空閑頻譜，與頻譜管理中心建立連接，將該次用戶的詳細信息傳送給所述頻譜管理中心，請求租借頻譜；S2，所述頻譜管理中心將各次用戶的租借頻譜請求信息進行公示；S3，不同的主用戶出租一定數(shù)量的頻譜，并觀察供需情況，隨時調(diào)整自己出租頻譜的數(shù)量進行博弈；S4，所述頻譜管理中心判斷主用戶博弈是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，若未達到穩(wěn)定狀態(tài)，則繼續(xù)等待博弈結(jié)束；若達到穩(wěn)定狀態(tài)，則進行公示，并選定主用戶出租頻譜；S5，主用戶觀察到博弈結(jié)束，則與次用戶建立通信連接，以穩(wěn)定狀態(tài)時自己決定出租頻譜的數(shù)量將頻譜出租給次用戶；S6，次用戶使用主用戶的頻譜，在結(jié)束通信之后將頻譜歸還給主用戶。
優(yōu)選地，步驟S3中，所有主用戶同時采取策略進行每次博弈，或者由一批主用戶先采取策略、其他主用戶后采取策略進行每次博弈。優(yōu)選地，步驟S3中，在每次博弈過程中，主用戶i調(diào)整自身出租的頻譜數(shù)量h的值，以使得主用戶i的實際效用up(h)最大。優(yōu)選地，主用戶i的實際效用函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法，其特征在于，所述方法包括步驟Si，次用戶檢測到空閑頻譜，與頻譜管理中心建立連接，將該次用戶的詳細信息傳送給所述頻譜管理中心，請求租借頻譜；S2，所述頻譜管理中心將次用戶的租借頻譜請求信息進行公示；S3，不同的主用戶出租一定數(shù)量的頻譜，并觀察供需情況，隨時調(diào)整自己出租頻譜的數(shù)量進行博弈；S4，所述頻譜管理中心判斷主用戶博弈是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，若未達到穩(wěn)定狀態(tài)，則繼續(xù)等待博弈結(jié)束；若達到穩(wěn)定狀態(tài)，則進行公示，并選定主用戶出租頻譜；S5，主用戶觀察到博弈結(jié)束，則與次用戶建立通信連接，以穩(wěn)定狀態(tài)時自己決定出租頻譜的數(shù)量將頻譜出租給次用戶；S6，次用戶使用主用戶的頻譜，在結(jié)束通信之后將頻譜歸還給主用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中，所有主用戶同時采取策略進行每次博弈，或者由一批主用戶先采取策略、其他主用戶后采取策略進行每次博弈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中，在每次博弈過程中，主用戶i 調(diào)整自身出租的頻譜數(shù)量h的值，以使得主用戶i的實際效用up(b》最大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，主用戶i的實際效用函數(shù)為1 ^Nτγ _ L·Ujbi) = (Iog2 (1 +-—-r)-V h )h - WM1 (B;eq - k J~'-)2 ；Λ" ν 52V Xn(^2IBERtar)‘臺"！ Λ 1 ‘ M1 ‘其中，N為系統(tǒng)中主用戶的數(shù)量，bi表示主用戶i出租的頻譜數(shù)量，Y表示接收機信噪比，BERtar為設(shè)定的比特錯誤概率的門限值，w為成本函數(shù)的權(quán)重，6廣是主用戶i連接需要的帶寬,WjPMi分別指主用戶i的頻譜寬度和連接數(shù)目，表示主用戶i的頻帶使用效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S4中，所述穩(wěn)定狀態(tài)指系統(tǒng)中出租的頻譜總量和各主用戶出租的頻譜數(shù)量均穩(wěn)定不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S4中，所述頻譜管理中心通過觀察連續(xù)若干次的博弈結(jié)果是否相同來判斷博弈是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述頻譜管理中心通過觀察連續(xù)三次的博弈結(jié)果是否相同來判斷博弈是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，提出一種認知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜博弈分配方法。該方法中，次用戶檢測到空閑頻譜后請求租借頻譜，頻譜管理中心收到次用戶的租借請求信息和詳細參數(shù)信息，調(diào)用主用戶的博弈算法，確定為次用戶提供頻譜的主用戶；在博弈過程中，每個主用戶每次博弈時根據(jù)供需情況調(diào)整當次出租頻譜數(shù)量，以期獲得最大效用；在博弈最終達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)后，根據(jù)次用戶的請求，在通信期間，多個主用戶為次用戶分配需要大小的頻譜。本發(fā)明的方法完全反映了認知無線電系統(tǒng)中頻譜分配的過程，通過主用戶之間的競爭使得各主用戶出租頻譜數(shù)量達到均衡狀態(tài)，將主用戶效用最大化，實現(xiàn)了頻譜共享，提高了主用戶的頻譜利用率。
文檔編號H04W16/10GK102316465SQ201110287190
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者俎云霄, 劉毅飛, 李鵬, 賈越 申請人:北京郵電大學(xué)