本發(fā)明涉及一種基于排隊論的認知無線電網絡信道定價與服務選擇聯合優(yōu)化方法，屬于無線通信網絡中資源分配領域。
背景技術：
無線電頻譜資源是一種有限的自然資源，一般由政府授權使用。近年來各種無線通信業(yè)務的增長導致對無線頻譜資源的需求越來越大，頻譜需求與可用頻譜資源之間的矛盾更加突出。當前的頻譜管理主要采用固定的頻譜分配策略，也就是頻譜資源被分配給固定的授權用戶，雖然這樣能有效避免用戶之間的過多相互干擾，但同時也帶來另一個問題，那就是，頻譜資源的嚴重浪費。
針對這種不合理的頻譜使用方式，需要引入動態(tài)頻譜接入技術將那些未被充分使用的頻譜資源加以利用，實現頻譜的動態(tài)分配從而極大地提高頻譜的利用率。認知無線電(cognitiveradio，cr)是一種靈活的和智能的無線電，它可通過觀察周圍環(huán)境和學習來智能動態(tài)調整網絡傳輸參數，提高網絡的服務性能。認知無線電技術通過允許從用戶(secondaryuser，su)自適應地感知頻譜資源，機會式地占用空閑頻譜，只要在不對主用戶(primaryuser，pu)產生有害干擾的前提下，從用戶可以接入主用戶頻段，提高頻譜利用率，很大程度上緩解日益增長的無線頻譜資源需求與頻譜資源緊缺之間的矛盾。在認知無線電網絡頻譜接入中由于主用戶相對從用戶有信道的絕對優(yōu)先權，多個從用戶同時請求接入信道的情況，利用排隊論可以分析在此場景下用戶的接入行為。動態(tài)頻譜接入模型最常見的分類有三種，一種是獨占使用，一種是分級接入，還有一種是開放共享。獨占式的接入模型中頻譜所有者可以在某個特定的時間段內將頻譜使用權轉移給其他從用戶。分級接入模型中在su不對pu造成干擾的前提下，pu和su在該模型下可以共享頻譜資源，pu和su之間沒有協調配合。開發(fā)共享模型中，所有用戶擁有同等的頻譜接入權利，不存在具有優(yōu)先級的用戶。
引入動態(tài)頻譜接入技術后，如果頻譜提供商沒有從中獲取利潤那就失去了提供服務的動力，所以提供了一個新的頻譜交易市場機制。在頻譜交易中，頻譜提供商的目的是通過出售頻譜最大化自己的利潤，su則是根據頻譜的價格和自己的需要，通過頻譜使用來最小化自身的花費。對于現有的認知無線電頻譜交易機制利用排隊論來分析su的延遲情況，和利用博弈論的方法分析su的接入行為和頻譜提供商的定價行為。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種基于排隊論的認知無線電網絡信道定價與服務選擇聯合優(yōu)化方法。該方法結合排隊論和博弈論為次級頻譜交易提供解決方案，在考慮獨占式接入模型下，引入異構從用戶概念，聯合優(yōu)化信道價格和服務選擇，實現頻譜提供商利潤最大化和從用戶花費的最小化。
為實現上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：
一種基于排隊論的認知無線電網絡信道定價與服務選擇聯合優(yōu)化方法，所述認知無線電網絡包括兩個頻譜提供商poi，其中i＝1,2和n個從用戶sun，其中n＝1…n；頻譜提供商poi擁有可用信道，將其中空閑的信道分配給需要信道的從用戶，由于考慮到現實場景中頻譜資源會出現短缺的情況，這里每個頻譜提供商poi只分配一個信道給從用戶，而多個從用戶請求接入一個信道需要排隊；考慮到從用戶對延遲的敏感程度不一，頻譜提供商poi提供一個信道，兩種服務給從用戶，服務一提供給延遲敏感的從用戶，服務二提供給延遲非敏感的從用戶；頻譜提供商poi提供服務一的出價為pi1，提供服務二的出價為pi2，從用戶的總到達率為λ，選擇接入頻譜提供商poi的服務的從用戶的到達率為λij，其中i＝1,2；j＝1,2；頻譜提供商poi通過分配頻譜獲得的利潤函數為πi，從用戶的花費函數用c表示；包括以下步驟：
步驟1：頻譜提供商poi初始化價格(p11,p12,p21,p22)；
步驟2：從用戶以總到達率λ到達，先選擇哪個頻譜提供商的信道進行接入，再選擇哪項服務，從用戶根據頻譜提供商的出價和列隊的延遲情況選擇信道和服務，選擇頻譜提供商poi和服務j的從用戶的花費函數cij：
cij＝αtij+pij
其中α表示單位延遲花費，tij表示從用戶選擇頻譜提供商poi和服務j的延遲，pij表示頻譜提供商poi提供服務j的出價價格；
步驟3：頻譜提供商根據從用戶的選擇行為做出定價策略，考慮到兩種出價策略，一種是同時出價，一種是順序出價，poi計算利潤函數πi＝(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2，其中pi表示頻譜提供商相對提供服務一和服務二的平均價格；
步驟4：利用wardrop均衡：αti1(λi1)+pi1＝αti2(λi1,λi2)+pi2，從用戶選擇相應的服務。
所述步驟2的具體步驟為：
步驟2-1：根據步驟1所述初始化價格，各頻譜提供商進行參數初始化，并將其廣播給所有的從用戶；
步驟2-2：從用戶根據接收的信息以及觀察到隊列的情況計算出選擇各個頻譜提供商和各個服務的隊列的平均等待時間tij，即延遲；這里考慮到異構從用戶情況，引入了優(yōu)先列隊的概念，選擇同一頻譜提供商的服務一的從用戶比選擇服務二的從用戶在接入信道方面有絕對的優(yōu)先權；先計算選擇頻譜提供商poi的列隊的平均等待時間ti：
約束條件為λ＜1/e(ye)，
其中e(ye)，
步驟2-3：從用戶計算選擇頻譜提供商poi服務一的列隊的平均等待時間ti1：
步驟2-4：從用戶計算選擇頻譜提供商poi服務二的列隊的平均等待時間ti2：
步驟2-5：從用戶計算相對于各頻譜提供商和服務的花費函數cij；
步驟2-6：從用戶利用wardrop均衡理論最小化自身的花費函數：(1)從用戶選擇頻譜提供商po1的花費和選擇頻譜提供商po2的花費相同αt1(λ11,λ12)+p1＝αt2(λ21,λ22)+p2；(2)選擇同個頻譜提供商的從用戶選擇服務一的花費和選擇服務二的花費相同，即ci1＝ci2，由此，得到：
約束條件為
所述步驟3的具體步驟為：
步驟3-1：同時出價策略下，頻譜提供商poi需要計算最優(yōu)的出價，計算表達式為：
步驟3-2：在順序出價中，po1作為頻譜出價的領導者先作出出價決策，po2作為頻譜出價的跟從者根據po1的出價行為再作出決策，此出價策略利用逆向歸納法來求解；先假設已知po1價格p1下計算po2的最優(yōu)價格，具體表達式為：
步驟3-3：計算出p2的表達式之后，頻譜提供商po1計算出使利潤最大化的最優(yōu)價格：
所述步驟4的具體步驟為：
步驟4-1：頻譜提供商poi確定使選擇服務一的利益最大的價格pi1，其計算表達式為：
約束條件為(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2；
步驟4-2：頻譜提供商poi確定使選擇服務二的利益最大的價格pi2，其計算表達式為：
約束條件為(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2。
本發(fā)明與現有技術相比較，具有以下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點：
本發(fā)明提出了一種基于排隊論的認知無線電網絡信道定價與服務選擇聯合優(yōu)化方法，且提出了一種獨一無二的wardrop均衡理論，比較了兩種出價機制下的決策行為，實現了從用戶的花費最小化，同時也保證了頻譜提供商利潤的最大化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明針對異構從用戶選擇信道與服務的排隊模型。
圖2為本發(fā)明適用認知無線電網絡頻譜分配聯合信道定價和服務選擇的流程圖。
圖3為本發(fā)明的認知無線電網絡頻譜提供商在兩種出價機制下不同服務間價格的比較。
圖4為本發(fā)明的認知無線電網絡頻譜提供商在兩種出價機制下不同服務間利潤的比較。
圖5為本發(fā)明的認知無線電網絡頻譜分配在同時出價機制下從用戶的延遲和價格的比較。
圖6為本發(fā)明的認知無線電網絡頻譜分配在順序出價機制下從用戶的延遲和價格的比較。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施例做進一步的說明。
如圖1所示，所述認知無線電網絡包括兩個頻譜提供商poi，其中i＝1,2和n個從用戶sun，其中n＝1…n；頻譜提供商poi擁有可用信道，將其中空閑的信道分配給需要信道的從用戶，由于考慮到現實場景中頻譜資源會出現短缺的情況，這里每個頻譜提供商poi只分配一個信道給從用戶，而多個從用戶請求接入一個信道需要排隊；考慮到從用戶對延遲的敏感程度不一，頻譜提供商poi提供一個信道，兩種服務給從用戶，服務一提供給延遲敏感的從用戶，服務二提供給延遲非敏感的從用戶；頻譜提供商poi提供服務一的出價為pi1，提供服務二的出價為pi2，從用戶的總到達率為λ，選擇接入頻譜提供商poi的服務的從用戶的到達率為λij，其中i＝1,2；j＝1,2；頻譜提供商poi通過分配頻譜獲得的利潤函數為πi，從用戶的花費函數用c表示。
如圖2所示，一種基于排隊論的認知無線電網絡信道定價與服務選擇聯合優(yōu)化方法，具體步驟如下：
步驟1：頻譜提供商poi初始化價格(p11,p12,p21,p22)；
步驟2：從用戶以總到達率λ到達，先選擇哪個頻譜提供商的信道進行接入，再選擇哪項服務，從用戶根據頻譜提供商的出價和列隊的延遲情況選擇信道和服務，選擇頻譜提供商poi和服務j的從用戶的花費函數cij：
cij＝αtij+pij
其中α表示單位延遲花費，tij表示從用戶選擇頻譜提供商poi和服務j的延遲，pij表示頻譜提供商poi提供服務j的出價價格；
步驟3：頻譜提供商根據從用戶的選擇行為做出定價策略，考慮到兩種出價策略，一種是同時出價，一種是順序出價，poi計算利潤函數πi＝(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2，其中pi表示頻譜提供商相對提供服務一和服務二的平均價格；
步驟4：利用wardrop均衡：αti1(λi1)+pi1＝αti2(λi1,λi2)+pi2，從用戶選擇相應的服務。
所述步驟2的具體步驟為：
步驟2-1：根據步驟1所述初始化價格，各頻譜提供商進行參數初始化，并將其廣播給所有的從用戶；
步驟2-2：從用戶根據接收的信息以及觀察到隊列的情況計算出選擇各個頻譜提供商和各個服務的隊列的平均等待時間tij，即延遲；這里考慮到異構從用戶情況，引入了優(yōu)先列隊的概念，選擇同一頻譜提供商的服務一的從用戶比選擇服務二的從用戶在接入信道方面有絕對的優(yōu)先權；先計算選擇頻譜提供商poi的列隊的平均等待時間ti：
約束條件為λ＜1/e(ye)，
其中e(ye)，
步驟2-3：從用戶計算選擇頻譜提供商poi服務一的列隊的平均等待時間ti1：
步驟2-4：從用戶計算選擇頻譜提供商poi服務二的列隊的平均等待時間ti2：
步驟2-5：從用戶計算相對于各頻譜提供商和服務的花費函數cij；
步驟2-6：從用戶利用wardrop均衡理論最小化自身的花費函數：(1)從用戶選擇頻譜提供商po1的花費和選擇頻譜提供商po2的花費相同αt1(λ11,λ12)+p1＝αt2(λ21,λ22)+p2；(2)選擇同個頻譜提供商的從用戶選擇服務一的花費和選擇服務二的花費相同，即ci1＝ci2，由此，得到：
約束條件為
所述步驟3的具體步驟為：
步驟3-1：同時出價策略下，頻譜提供商poi需要計算最優(yōu)的出價，計算表達式為：
步驟3-2：在順序出價中，po1作為頻譜出價的領導者先作出出價決策，po2作為頻譜出價的跟從者根據po1的出價行為再作出決策，此出價策略利用逆向歸納法來求解；先假設已知po1價格p1下計算po2的最優(yōu)價格，具體表達式為：
步驟3-3：計算出p2的表達式之后，頻譜提供商po1計算出使利潤最大化的最優(yōu)價格：
所述步驟4的具體步驟為：
步驟4-1：頻譜提供商poi確定使選擇服務一的利益最大的價格pi1，其計算表達式為：
約束條件為(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2；
步驟4-2：頻譜提供商poi確定使選擇服務二的利益最大的價格pi2，其計算表達式為：
約束條件為(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2。
如圖3所示，根據本發(fā)明的網絡信道定價和服務選擇方法，基于兩種定價，同時出價和順序出價下頻譜提供商出價的比較圖。在同時出價下兩個頻譜提供商給定的平均價格相差不大，順序出價下由于po1作為出價的領導者給出的平均價格高于po2給出的平均價格。在順序出價策略下，領導者先滿足了自身利益的最大化，擁有優(yōu)先權。順序出價下頻譜提供商間的競爭比采用同時出價策略下的競爭更大。由于設定了從用戶對延遲有敏感和非敏感類型之分，po提供了兩種服務：服務一和服務二，選擇服務一的從用戶在接入信道上有絕對的優(yōu)先權。從實驗結果可以看到選擇服務一的從用戶無論在哪種出價策略下需要支付的價格明顯高于選擇服務二需要支付的價格。
如圖4所示，兩個頻譜提供商，根據本發(fā)明的網絡信道定價和服務選擇方法，在不同總到達率下po1在兩種出價策略下的利潤變化情況，從實驗結果看出隨著總到達率的增加，po1的利潤也在隨之增加；順序出價策略下，po1的利潤比在同時出價策略下po1的利潤高，這可能由于在順序出價策略下，兩個頻譜提供商間的競爭更大。
圖5示出了有兩個頻譜提供商，提供兩種服務，根據本發(fā)明的網絡信道定價和服務選擇方法，在同時出價策略下從用戶選擇兩種服務的延遲和價格隨著總到達率的變化情況。從實驗結果可以看出，選擇服務一的從用戶的平均等待時間明顯少于選擇服務二的從用戶的平均等待時間，而相應地選擇服務一的從用戶需要支付更多的價格。圖6示出了有兩個頻譜提供商，提供兩種服務，根據本發(fā)明的網絡信道定價和服務選擇方法，在順序策略下從用戶選擇二種服務的延遲和價格隨著總到達率的變化情況。同樣反應了相應的結果。