專利名稱：無線電網絡中的空閑頻道分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通信技術領域的方法，具體是一種無線電網絡中的空閑頻道分配方法
背景技術：
隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，使得無線頻譜成為越來越緊缺的資源。認知無線電， 通過允許非授權用戶在一定限制下接入頻道，從而提高頻譜利用率。在認知無線電網絡中 ， 一般分為主要用戶和二級用戶(也稱次級用戶，記為SU)。主要用戶為授權用戶，擁有 對頻道的所有權，能夠隨時地接入頻道而不會受到任何干擾；二級用戶為非授權用戶，只 有在不對主要用戶造成干擾的條件下才可以占用頻道，也即是機會式地占用頻道從而獲得 最大吞吐量。為了提高頻譜效率， 一個關鍵的問題是頻道擁有者(記為P0)如何分配其空 閑頻道(給二級用戶)。所謂空閑頻道，是指當前未被主要用戶(記為PU)所使用的頻道 。借助于經典的數(shù)學理論以及微觀經濟學理論，目前已有不少學者為認知無線電網絡中的 頻譜分配問題提出了分析模型，常見的主要有以下幾類圖論模型、博弈論模型和定價拍 賣模型?；趫D論的分配模型，由于需要中心式的優(yōu)化算法，復雜度很高且信令開銷大； 基于博弈論的分配模型，由于博弈者獨立進行決策，博弈的解(納什均衡)通常是局部最 優(yōu)解而非全局最優(yōu)解；基于競價拍賣的分配模型，網絡結構一般是集中式，拍賣人是頻道 擁有者，競買人是二級用戶，拍賣物品是空閑頻道，頻道擁有者將其所擁有的空閑頻道以 一定的價格銷售給二級用戶使用。目前的頻譜拍賣方式主要基于靜態(tài)拍賣模型，具有較高 的計算復雜度，且不適用于多個拍賣人的網絡。
經對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Xia Zhou等2008年在ACM MobiCom會議上發(fā)表的"eBay in the Sky: Strategy-Proof Wireless Spectrum Auctions"(策略一至燦勺無線頻譜拍賣) ，該技術提出了一種基于靜態(tài)拍賣的頻譜分配模型VERITAS，可實現(xiàn)策略一致且全局最優(yōu) 的頻譜分配。正如之前所述，該模型具有較高的計算復雜度，且不適用于多個頻道擁有者 的網絡。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足，提出了一種無線電網絡中的空閑頻道分配方法。本 發(fā)明適用于具有多個頻道擁有者的認知無線電網絡，分布式執(zhí)行，復雜度低；節(jié)省信令開銷，頻道擁有者之間不需要信息交互，二級用戶之間也不需要信息交互。 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的 本發(fā)明包括如下步驟
步驟一，每個頻道擁有者i在保證用戶通信的前提下，統(tǒng)計自身的空閑頻道數(shù)目，記 為Ni，頻道擁有者在拍賣的每一階段，每一階段分為前一子階段和后一子階段，每個頻道 擁有者更新并通過公共控制信道廣播其初始價格，記為Pi;
每個頻道擁有者更新并廣播其價格，每個二級用戶發(fā)送競標請求。具體的，前一子階 段(記為Asking階段)用于頻道擁有者更新并通過公共控制信道廣播各自的價格，后一子 階段(記為Bidding階段)用于二級用戶向相應的頻道擁有者發(fā)l-bit競標請求。
步驟二，在每一階段的Bidding階段，每個二級用戶j接收每個頻道擁有者的報價，估 算每個頻道擁有者的頻道的使用價值，并計算收益函數(shù)，選擇使自身收益最大的頻道擁有 者發(fā)起競買請求，艮口
<formula>formula see original document page 5</formula>
式-
其中，Uii為二級用戶j購買頻道擁有者i的頻道時的收益函數(shù)，艮卩 R, = —乃
。 式二 同一個頻道對于不同的二級用戶來說，其使用價值可能是不同的。不同的頻道對于同 一個二級用戶來說，其使用價值也可能是不同的。通常，頻道的使用價值可定義為帶寬和 信噪比的函數(shù)，艮口
<formula>formula see original document page 5</formula>式三
其中，rji為二級用戶j接入頻道擁有者i的頻道時的信噪比，通常和兩者之間的距離 有關，可為頻道擁有者i的每個頻道的帶寬。 一般情況下，可將每個頻道的香農容量定義為
該頻道的使用價值，艮口
<formula>formula see original document page 5</formula>
式四
其中，aj為二級用戶j的容量收益轉換因子，即每單位信道容量對于用戶j的收益函數(shù) 的貢獻。對于速率要求高的業(yè)務，二級用戶j可設置較大的轉換因子，反之，對于速率要 求低的業(yè)務，可設置較小的轉換因子。
該模型并不需要二級用戶解調所有頻道擁有者的價格。具體的，當二級用戶j距離頻道擁有者i非常遠時，以至于用戶j無法正確解調i的報價，此時用戶j只需要將頻道擁有者 i的價格設為無窮大即可；
當二級用戶j沒有購買任何頻道時，其收益設為0。因此，當maxiUji〈0時，用戶j不會 發(fā)起任何競買請求。
步驟三，在每一階段的Asking階段，每個頻道擁有者i統(tǒng)計向其發(fā)起競買請求的二級 用戶的數(shù)量Di，動態(tài)更新其價格Pi并通過公共控制信道廣播出去。
步驟三中所述的動態(tài)更新其價格Pi，價格更新的規(guī)則為當頻道需求量Di大于供應量 Ni時(記為需求過剩狀態(tài))，將其價格增加一個步長e，否則，保持其價格不變，艮口
步驟四，重復步驟二和步驟三，直到系統(tǒng)狀態(tài)到達均衡狀態(tài)，頻道拍賣過程結束，根 據(jù)每個二級用戶當前的競買請求分配頻道。
步驟四中所述的均衡狀態(tài)，即步驟三中所有頻道擁有者均不處于需求過剩狀態(tài)，則其 價格均保持不變；相應的，所有二級用戶的競標請求也保持不變。此時，拍賣過程進入一 個穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)重復步驟二和三，頻道擁有者的價格或二級用戶的競買請求不會發(fā)生任 何改變。該發(fā)明中，隨著頻道擁有者價格的逐步提高，二級用戶逐漸放棄購買頻道；當頻 道擁有者的價格抬高到一定程度時，可保證所有頻道擁有者均不處于需求過剩狀態(tài)，即拍 賣過程必然收斂到穩(wěn)定狀態(tài)，即均衡狀態(tài)。
步驟四中所述的分配頻道為當拍賣達到均衡狀態(tài)時，根據(jù)每個二級用戶當前的競買 請求分配頻道，S卩每個頻道擁有者分配頻道給向其發(fā)起競買請求的二級用戶。在均衡狀
態(tài)時，所有頻道擁有者均不處于需求過剩狀態(tài)，因此當前每個發(fā)起競買請求的二級用戶均 可獲取一個頻道。定義頻譜效率為所有空閑頻道的使用價值之和，全局最優(yōu)的頻道分配策
略為使頻譜效率最大化的頻道分配策略。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，當價格更新步長e足夠小時 ，該發(fā)明的頻道分配結果近似于全局最優(yōu)。
本發(fā)明的每個拍賣人從底價逐步抬高自己的頻道價格，每個競買人決定是否購買頻譜 以及購買哪個拍賣人的頻道，最終拍賣過程收斂到均衡點。本發(fā)明適用于具有多個頻道擁 有者的認知無線電網絡，分布式執(zhí)行，復雜度低；節(jié)省信令開銷，頻道擁有者之間不需要 信息交互，二級用戶之間也不需要信息交互；均衡狀態(tài)的頻道分配結果近似于全局最優(yōu)。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果(i)分布式執(zhí)行，復雜度很低；(ii)頻 道擁有者之間不需要信息交互，二級用戶之間也不需要信息交互，節(jié)省信令開銷。事實上，在拍賣的每一階段，每個頻道擁有者只需要廣播其價格，每個二級用戶只需要向相應的
頻道擁有者發(fā)l-bit的競標請求；(iii)最終的頻道分配結果近似于全局最優(yōu)的。


圖l本發(fā)明的實施例多個頻道擁有者的認知無線電網絡的結構示意圖。
圖2本發(fā)明的實施例仿真場景的拓撲結構圖。 圖3是本發(fā)明的實施例方法的收斂速度示意圖。 圖4是本發(fā)明的實施例方法與最優(yōu)頻譜分配的頻譜效率對比圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的 實施例。
如圖1所示，本實施例包含多個頻道擁有者和多個二級用戶，每個頻道擁有者含有一 定數(shù)量的空閑頻道?；诟蓴_考慮，每個空閑頻道只能分配給一個二級用戶使用；基于頻 譜聚合技術尚未成熟的考慮，每個二級用戶在同一時刻只能使用一個空閑頻道。
本實施例的環(huán)境參數(shù)為
存在5個頻道擁有者，100個二級用戶，平均分布于1000ii^l000m的矩形區(qū)域。每個頻 道擁有者均擁有6個空閑頻道，初始價格均為0。每個頻道擁有者的頻道可位于900MHz、 2. 4GHz或5GHz頻段等，相應的頻道帶寬可為200KHz， l腿z-20腿z等。每個二級用戶均將頻 道的香農容量定義為使用價值，其容量收益因子均設為l。拍賣每一階段的時長為10ms， 分為2個子階段，其中前一子階段(Asking階段，lms)用于頻道擁有者廣播各自的價格， 后一子階段(Bidding階段，9ms)用于二級用戶發(fā)送競標請求。
本實施例包括如下具體步驟
步驟一，每個頻道擁有者i在保證主要用戶通信的前提下，統(tǒng)計自身的空閑頻道數(shù)目 ，即Ni，并通過公共控制信道廣播其初始價格，記為Pi;
本實施例中仿真場景的網絡拓撲結構如圖2所示，其中三角符號為頻道擁有者，圓點 符號為二級用戶。對于每個頻道擁有者來說，其空閑頻道數(shù)目W' = 6 ，初始價格P'' = G 。
步驟二，在每一階段的Bidding階段，每個二級用戶i接收每個頻道擁有者的報價，估 算每個頻道擁有者的頻道的使用價值，并計算其收益函數(shù)，選擇使自身收益最大的頻道擁 有者^發(fā)起競買請求；
本實施例中，每個二級用戶j接收每個頻道擁有者廣播的報價；同時，通過檢測該報價消息，用戶j可估算每個頻道擁有者i到其的路徑損耗，由此估算出該頻道擁有者的頻道
(對于用戶j)的信噪比rji;結合每個頻帶擁有者i的頻道帶寬Wi以及用戶j的容量收益轉
換因子aj，即可估算出該頻道對于用戶j的使用價值，具體計算公式為式四。進而，通過公 式二，每個二級用戶.i可計算其收益Uii，艮卩
…,=log (1 + r》.)-《■，i = 1,2,3,4,5
式六
當最大收益大于o時，用戶j選擇使自身收益最大的頻道擁有者尸發(fā)起i-bit的競買請求 ;當最大收益小于等于o時，用戶j不發(fā)起任何競買請求，為方便書寫，可設此時的1*為-1
。由此可得
arg max m》x k 0
_1 mgxi7jY < 0
' 式七
步驟三，在每一階段的Asking階段，每個頻道擁有者i統(tǒng)計向其發(fā)起競買請求的二級 用戶的數(shù)量Di，動態(tài)更新其價格Pi并通過公共控制信道廣播出去。價格更新的規(guī)則為式五
本實施例中，每個頻道擁有者i可通過下式，統(tǒng)計向其發(fā)起競買請求的二級用戶的數(shù) j卵
"廣S、' —1,2,3,4,5
" 式八
其中，如果用戶j的最優(yōu)競買對象尸^，則lji^;否則，lji=0。 步驟四，重復步驟二和步驟三，直到系統(tǒng)狀態(tài)到達均衡狀態(tài)，頻道拍賣過程結束，根
據(jù)每個二級用戶當前的競買請求分配頻道。
本實施例中，如果該階段的所有頻道擁有者的報價均與上一階段相同，則可判斷系統(tǒng)
達到穩(wěn)態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，所有頻道擁有者的報價不變時，所有二級用戶的競標請求也保持不變。
如圖3所示，本實施例隨著頻道擁有者的價格更新步長e的增大，收斂速度越快；此 外，收斂時間隨著二級用戶的增長，呈現(xiàn)線性增長，因此具有良好的伸縮性。
如圖4所示，本實施例中，當價格更新步長e《20時，本實施例方法的頻譜效率與全
局最優(yōu)的頻譜效率近似相同；當^>2(^>2()時，本實施例方法的頻譜效率略有下降，在仿 真的最大步長e =100時，其頻譜效率下降不到2%。
權利要求
1.一種無線電網絡中的空閑頻道分配方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，每個頻道擁有者i在保證用戶通信的前提下，統(tǒng)計自身的空閑頻道數(shù)目，記為Ni，頻道擁有者在拍賣的每一階段，每一階段分為前一子階段和后一子階段，每個頻道擁有者更新并通過公共控制信道廣播其初始價格，記為Pi；步驟二，在每一階段的后一子階段，每個二級用戶j接收每個頻道擁有者的報價，估算每個頻道擁有者的頻道的使用價值，并計算收益函數(shù)，選擇使自身收益最大的頻道擁有者發(fā)起競買請求；步驟三，在每一階段的前一子階段，每個頻道擁有者i統(tǒng)計向其發(fā)起競買請求的二級用戶的數(shù)量Di，動態(tài)更新其價格Pi并通過公共控制信道廣播出去；步驟四，重復步驟二和步驟三，直到系統(tǒng)狀態(tài)到達均衡狀態(tài)，頻道拍賣過程結束，根據(jù)每個二級用戶當前的競買請求分配頻道。
2.根據(jù)權利要求l所述的無線電網絡中的空閑頻道分配方法，其特征是，所述的頻道擁有者，相互之間在拍賣的每一階段，每個頻道擁有者廣播其價格，每個二級用戶向相應的頻道擁有者發(fā)l-bit的競標請求。
3.根據(jù)權利要求l所述的無線電網絡中的空閑頻道分配方法，其特征是，步驟三中所述的動態(tài)更新其價格Pi，價格更新的規(guī)則為當頻道需求量Di大于供應量Ni時，將其價格增加一個步長e，否則，保持其價格不變，艮口
4.根據(jù)權利要求l所述的無線電網絡中的空閑頻道分配方法，其特征是，步驟四中所述的均衡狀態(tài)，是指步驟三中所有頻道擁有者均不處于需求過剩狀態(tài)，則其價格均保持不變；相應的，所有二級用戶的競標請求也保持不變；隨著頻道擁有者價格的逐步提高，二級用戶逐漸放棄購買頻道；當頻道擁有者的價格抬高到所有頻道擁有 者均不處于需求過剩狀態(tài)，拍賣過程必然收斂到穩(wěn)定狀態(tài)，即均衡狀態(tài)。
5.根據(jù)權利要求l所述的無線電網絡中的空閑頻道分配方法，其特 征是，步驟四中所述的分配頻道為當拍賣達到均衡狀態(tài)時，根據(jù)每個頻道擁有者分配頻 道給向其發(fā)起競買請求的二級用戶；在均衡狀態(tài)時，當前每個發(fā)起競買請求的二級用戶均 可獲取一個頻道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通信技術領域的無線電網絡中的空閑頻道分配方法。包括步驟每個頻道擁有者統(tǒng)計自身的空閑頻道數(shù)目，并通過公共控制信道廣播其初始價格；每個二級用戶選擇使自身收益最大的頻道擁有者發(fā)起競買請求；每個頻道擁有者動態(tài)更新其價格并通過公共控制信道廣播出去；直到系統(tǒng)狀態(tài)到達均衡狀態(tài)，頻道拍賣過程結束，根據(jù)每個二級用戶當前的競買請求分配頻道。本發(fā)明復雜度低；節(jié)省信令開銷，頻道擁有者之間不需要信息交互，二級用戶之間也不需要信息交互；當選擇合適的價格更新步長時，所得到的頻道分配結果近似于全局最優(yōu)。
文檔編號H04W72/04GK101657019SQ200910308188
公開日2010年2月24日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權日2009年10月12日
發(fā)明者徐友云, 王新兵, 甘小鶯, 胡晨暉, 林 高 申請人:上海交通大學