本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時間演化的小小區(qū)微基站頻譜拍賣方法。

背景技術(shù)：

如今越來越多的用戶依賴于移動通信，隨著無線通信的蓬勃發(fā)展移動通信成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。與之相應(yīng)的，移動終端的數(shù)量和用戶對于頻譜資源的需求也呈現(xiàn)大量的增長。目前商用最快的移動通信技術(shù)升級版長期演進(jìn)lte-a也不得不面對新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對移動通信用戶需求的不斷激增，通信運(yùn)營商和設(shè)備商將設(shè)立小小區(qū)微基站。在宏蜂窩下設(shè)立多個小小區(qū)微基站，形成兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)作為提升系統(tǒng)容量的解決方案。

小小區(qū)微基站是一種低功率的無線接入節(jié)點(diǎn)可以覆蓋10米到200米的范圍；如今運(yùn)營商均開始使用小小區(qū)微基站來擴(kuò)展覆蓋范圍和提升網(wǎng)絡(luò)容量，尤其是用在諸如商業(yè)中心或者學(xué)校區(qū)域等通信數(shù)據(jù)流量大的繁忙地區(qū)進(jìn)行分流；

近年來，許多研究人員對認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜分配進(jìn)行了深入研究，特別是基于拍賣理論的動態(tài)頻譜分配研究。

拍賣是一個經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，是一種售賣商品的手段。頻譜拍賣是近年來新興起的理論，將具有頻譜需求的小小區(qū)微基站看作經(jīng)濟(jì)學(xué)中的買家，擁有頻帶授權(quán)的宏蜂窩基站作為賣家的拍賣行為。當(dāng)小小區(qū)微基站中的移動終端需要使用頻段時，通過拍賣獲得授權(quán)頻帶的使用權(quán)。采用頻譜拍賣機(jī)制可以有效優(yōu)化分配頻譜資源的使用效率，同時為宏蜂窩基站提供收益，提升其共享頻譜資源的積極性。事實(shí)證明頻譜拍賣是一種有效解決頻譜資源分配問題，提升頻譜資源利用率的有效手段。

但是對于小小區(qū)微基站中的拍賣式分配頻譜資源的研究尚處于起步階段。

申請?zhí)枮?010102767804名稱為一種基于拍賣和滿意度模型的動態(tài)頻譜分配方法的中國專利公開了一種依據(jù)用戶滿意度技術(shù)。該技術(shù)采用了按用戶對頻譜滿意度的頻譜分配，但該技術(shù)存在直接比較出價決定支付的缺點(diǎn)，不能有效保證誠實(shí)性，抑制買家虛報(bào)價格，影響拍賣的公平性，同時沒有考慮到用戶間的干擾而盲目的進(jìn)行拍賣。這將導(dǎo)致用戶在拍賣獲得頻譜后可能會獲得質(zhì)量差的通信過程，影響用戶收益和系統(tǒng)效益。

申請?zhí)枮?014104363803名稱為一種基于干擾信息的真實(shí)性動態(tài)雙向頻譜拍賣方法的中國專利公開了基于微基站產(chǎn)生的干擾進(jìn)行頻譜拍賣的技術(shù)。該技術(shù)通過對微基站產(chǎn)生干擾和頻譜占用時間的乘積與機(jī)會成本比較判斷是否進(jìn)行頻譜分配。該技術(shù)只考慮了干擾，如果滿足條件則直接進(jìn)行頻譜分配，這是一種沒有競爭性的頻譜拍賣，沒有明顯的競價過程，同時分配只考慮干擾，而不考慮用戶的收益，用戶對于信道的興趣度，以及用戶是否具有支付分配信道的能力。

現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：

1)拍賣分配頻譜的過程趨近于直接進(jìn)行分配，對于競價者的信息考慮過少。實(shí)際上用戶對于信道的興趣度，使用后的收益，競標(biāo)者的支付能力都是影響拍賣的重要因素。

2)現(xiàn)有的拍賣分配頻譜過程停留在靜態(tài)拍賣階段，沒有考慮多時間的情況。在多時間拍賣下，用戶將根據(jù)先前時隙的使用情況獲得經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)時隙參與拍賣的行為。

3)現(xiàn)有的的頻譜拍賣方法沒有將用戶出價和小小區(qū)微基站購買頻段通信獲得的利益聯(lián)系起來。通常只針對有無干擾進(jìn)行分配，分配后直接進(jìn)行支付，沒有明顯的競價過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是如何合理分配宏蜂窩基站空閑時授權(quán)頻帶的使用權(quán)，提升頻譜利用率，減少相鄰小小區(qū)微基站干擾，提高通信質(zhì)量并最得最大經(jīng)濟(jì)效益。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時間演化的小小區(qū)微基站頻譜拍賣方法，在由宏蜂窩網(wǎng)、小小區(qū)微基站和手機(jī)用戶構(gòu)成的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配拍賣模型，將宏蜂窩基站提供的授權(quán)頻譜劃分為多個時隙，賣方根據(jù)設(shè)定的收益函數(shù)和拍賣目標(biāo)函數(shù)對時隙頻譜作為商品進(jìn)行拍賣，買方每輪競拍后，根據(jù)自身對于頻譜的需求程度和自身收益作為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整出價，直至完成整個授權(quán)頻譜分配過程，具體步驟以下：

步驟1開始拍賣準(zhǔn)備階段，宏蜂窩網(wǎng)作為賣方公布準(zhǔn)備出售用于共享的頻譜資源，用于共享的頻譜資源是以劃分時隙的形式進(jìn)行出售，小小區(qū)微基站覆蓋的用戶作為買家為滿足自身通信需要購買一至多個時隙，小小區(qū)微基站作為買家提交所需時隙請求；

步驟2選取所有對第t時隙有需求的買家，若待拍賣分配時隙t大于剩余可用時隙t'，則說明全部時隙分配完畢；

步驟3搭建采用誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入歷史上的買家的綜合信息和成交記錄作為訓(xùn)練集，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直至誤差小于千分之一，其具體過程如下：

(1)計(jì)算獲得第l層與第l+1層的神經(jīng)元誤差，設(shè)加權(quán)輸入為定義記為神經(jīng)元的誤差為則可以求得第l層第j個神經(jīng)元的誤差其中對于二次成本函數(shù)易得則對于第l個隱層第j個神經(jīng)元的誤差有其中k為第k+1層神經(jīng)元的個數(shù)；

聯(lián)立上述方程獲得第l層與第l+1層的誤差為δ^l＝δ^l+1w^l+1f'(z^l)；

(2)初始化誤差反向傳播算法，輸入訓(xùn)練集，生成權(quán)重初始值ω0∈[-1,1]，設(shè)置激活函數(shù)為sigmoid函數(shù)，其表達(dá)形式為

(3)計(jì)算各層各層誤差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出為輸入訓(xùn)練集input訓(xùn)練，可獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層1和層2的輸出output1,output2，

計(jì)算輸出層誤差，層2誤差為error2＝output訓(xùn)-output2，層2權(quán)值調(diào)整量為δω＝error2·f'(output2)；

計(jì)算反向傳播誤差，層1誤差為error1＝δω2·ω2，層1權(quán)值調(diào)整量為δω＝error1·f'(output1)；

(4)更新層1和層2的權(quán)值ωi＝ωi+δωi，返回步驟2更換訓(xùn)練集，并重復(fù)循環(huán)n次，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程；

步驟4向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)⑴c競拍的買方對于當(dāng)前時隙各個信道的興趣度，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力，以及進(jìn)行通信時受到的干擾，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行頻譜分配，判定輸出1為獲得信道，輸出0為競拍失?。?/p>

步驟5根據(jù)頻譜分配結(jié)果，計(jì)算競拍成功的小小區(qū)用戶的支付值，其具體過程如下：

(1)計(jì)算接受信號：統(tǒng)中只被宏蜂窩覆蓋的授權(quán)用戶記做mu，第m個mu收到的信號為：

式中，zm表示宏蜂窩網(wǎng)發(fā)送給第m個mu的信號，gm、gj表示宏蜂窩網(wǎng)傳輸?shù)降趍和j個用戶所使用的信道的信道估計(jì)值；pt表示宏蜂窩網(wǎng)的發(fā)射功率，pi表示第i根天線的發(fā)射功率；hpi表示小小區(qū)微基站微基站到第i個mu的信道估計(jì)值；fi是第i根天線對應(yīng)的波束成形因子，np表示高斯白噪聲；

系統(tǒng)中被小小區(qū)微基站覆蓋的用戶記做su，第k個小小區(qū)微基站收到的信號：

式中，x表示傳輸?shù)男盘枺琻k表示高斯白噪聲；

(2)計(jì)算信噪比：

對于第k個su信噪比為：

(3)計(jì)算支付值：

則第k個小小區(qū)微基站在第t時刻的支付為pk,t＝(1-δ)s-i(c,sinrt)

其中

步驟6小小區(qū)用戶調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，為下一輪拍賣的出價做準(zhǔn)備；依據(jù)買家對于下一時隙頻譜的需求急切程度調(diào)整貼現(xiàn)因子，依據(jù)自回歸模型調(diào)整信干噪比，若小小區(qū)用戶i是贏家，則調(diào)整經(jīng)驗(yàn)為sinri,t+1＝sinri,t+αsinri,t-1+β。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，采用本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果：

1)將頻譜資源以時隙劃分，考慮了不同買家在多個時隙使用不同信道的場景，通過時間演化的支付函數(shù)調(diào)整買家的成本，有效提升小小區(qū)用戶的收益，增加頻譜拍賣的合理性；

2)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到頻譜拍賣中，同時考慮用戶所受到的干擾，買家對于不同時隙不同信道的興趣度，以及其參與競拍的經(jīng)濟(jì)能力，能夠有效提高拍賣的合理性，提高拍賣效率，提升用戶實(shí)際收益。

3)提出一個加權(quán)因子的概念，將買家出價和小小區(qū)微基站購買頻段通信獲得的利益聯(lián)系起來。同時在頻譜分配完成后，小小區(qū)微基站將采用波束成形技術(shù)進(jìn)行通信，以提高用戶信干噪比，提升通信質(zhì)量。

本發(fā)明既能實(shí)現(xiàn)移動通信資源的有效分配，又能通過具有時間演化的支付機(jī)制保證用戶效用，提高了頻譜資源的使用效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1為包含小小區(qū)微基站的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)示意圖；

圖2為單位神經(jīng)元模型；

圖3為采用誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

圖4為本發(fā)明流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不是對本發(fā)明的限定。

圖1示出了通信系統(tǒng)模型，一個宏基站下覆蓋若干小小區(qū)微基站，由于微基站是未授權(quán)的，小小區(qū)微基站用戶將作為買家競拍共享頻帶。其中小小區(qū)微基站在通信時采用波束成形技術(shù)以提高其信噪比。

圖2示出了單個神經(jīng)元的系統(tǒng)模型，一個神經(jīng)元對三個輸入同時進(jìn)行加權(quán)，并通過激活函數(shù)進(jìn)行輸出。

圖3示出了采用bp算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型，該模型由三個輸入，隱藏層4個神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)整權(quán)重，通過訓(xùn)練得到數(shù)據(jù)間的非線性關(guān)系。

圖4示出了本發(fā)明流程，其過程如下：

s201，開始程序；

進(jìn)入s202，開始拍賣準(zhǔn)備階段，宏蜂窩網(wǎng)作為賣方公布準(zhǔn)備出售用于共享的頻譜資源；用于共享的頻譜資源是以劃分時隙的形式進(jìn)行出售，小小區(qū)微基站覆蓋的用戶作為買家為滿足自身通信需要購買一至多個時隙，小小區(qū)微基站作為買家提交所需時隙請求。

進(jìn)入s203，選取所有對第t時隙有需求的買家。這些買家由于對同一時隙具有需求，彼此存在競爭關(guān)系，將成為同一輪拍賣的買家。若待拍賣分配時隙t大于剩余可用時隙t'，則說明全部時隙分配完畢，跳轉(zhuǎn)至s209。

進(jìn)入s204，搭建采用誤差反向傳播(bp)算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入歷史上的買家的綜合信息和成交記錄作為訓(xùn)練集，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直至誤差小于千分之一或訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到要求。

進(jìn)入s205，向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)⑴c競拍的買家對于當(dāng)前時隙各個信道的興趣度，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力，以及進(jìn)行通信時受到的干擾。依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行頻譜分配。

進(jìn)入s206，根據(jù)頻譜分配結(jié)果，計(jì)算競拍成功的小小區(qū)用戶的支付值。根據(jù)圖4我們可以獲得系統(tǒng)中只被宏蜂窩覆蓋的用戶記做mu，第m個mu收到的信號為：

系統(tǒng)中被小小區(qū)微基站覆蓋的用戶記做小小區(qū)微基站，第k個小小區(qū)微基站收到的信號為：

依據(jù)接受信號，得到第k個小小區(qū)微基站的信噪比為：

則第k個小小區(qū)微基站在第t時刻的支付為：

pk,t＝(1-δ)s-i(c,sinrt)

其中

進(jìn)入s207，判斷宏蜂窩網(wǎng)出售的資源是否分配完畢。若頻譜池為空進(jìn)入s209，若頻譜池內(nèi)有剩余，去除已分配資源，更新剩余待分配時隙t'，跳轉(zhuǎn)至s208。

進(jìn)入s208，用戶調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，為下一輪拍賣的出價做準(zhǔn)備。依據(jù)用戶對于下一時隙頻譜的需求急切程度調(diào)整貼現(xiàn)因子，依據(jù)自回歸模型調(diào)整信干噪比。更新t為t+1，跳轉(zhuǎn)至s203。

進(jìn)入s209，結(jié)束程序。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案可以合理分配宏蜂窩基站空閑時授權(quán)頻譜的使用權(quán)，提升頻譜利用率，減少相鄰小小區(qū)微基站干擾，提高通信質(zhì)量并提升經(jīng)濟(jì)效益。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做出了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，對這些實(shí)施方式進(jìn)行各種變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。