CN101657019B - 无线电网络中的空闲频道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信技术领域的无线电网络中的空闲频道分配方法。包括步骤：每个频道拥有者统计自身的空闲频道数目，并通过公共控制信道广播其初始价格；每个二级用户选择使自身收益最大的频道拥有者发起竞买请求；每个频道拥有者动态更新其价格并通过公共控制信道广播出去；直到系统状态到达均衡状态，频道拍卖过程结束，根据每个二级用户当前的竞买请求分配频道。本发明复杂度低；节省信令开销，频道拥有者之间不需要信息交互，二级用户之间也不需要信息交互；当选择合适的价格更新步长时，所得到的频道分配结果近似于全局最优。

Description

无线电网络中的空闲频道分配方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种无线电网络中的空闲频道分配方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，使得无线频谱成为越来越紧缺的资源。认知无线电，通过允许非授权用户在一定限制下接入频道，从而提高频谱利用率。在认知无线电网络中，一般分为主要用户和二级用户(也称次级用户，记为SU)。主要用户为授权用户，拥有对频道的所有权，能够随时地接入频道而不会受到任何干扰；二级用户为非授权用户，只有在不对主要用户造成干扰的条件下才可以占用频道，也即是机会式地占用频道从而获得最大吞吐量。为了提高频谱效率，一个关键的问题是频道拥有者(记为PO)如何分配其空闲频道(给二级用户)。所谓空闲频道，是指当前未被主要用户(记为PU)所使用的频道。借助于经典的数学理论以及微观经济学理论，目前已有不少学者为认知无线电网络中的频谱分配问题提出了分析模型，常见的主要有以下几类：图论模型、博弈论模型和定价拍卖模型。基于图论的分配模型，由于需要中心式的优化算法，复杂度很高且信令开销大；基于博弈论的分配模型，由于博弈者独立进行决策，博弈的解(纳什均衡)通常是局部最优解而非全局最优解；基于竞价拍卖的分配模型，网络结构一般是集中式，拍卖人是频道拥有者，竞买人是二级用户，拍卖物品是空闲频道，频道拥有者将其所拥有的空闲频道以一定的价格销售给二级用户使用。目前的频谱拍卖方式主要基于静态拍卖模型，具有较高的计算复杂度，且不适用于多个拍卖人的网络。

经对现有技术文献的检索发现，Xia Zhou等2008年在ACM MobiCom会议上发表的“eBayin the Sky：Strategy-Proof Wireless Spectrum Auctions”(策略一致的无线频谱拍卖)，该技术提出了一种基于静态拍卖的频谱分配模型VERITAS，可实现策略一致且全局最优的频谱分配。正如之前所述，该模型具有较高的计算复杂度，且不适用于多个频道拥有者的网络。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种无线电网络中的空闲频道分配方法。本发明适用于具有多个频道拥有者的认知无线电网络，分布式执行，复杂度低；节省信令开销，频道拥有者之间不需要信息交互，二级用户之间也不需要信息交互。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括如下步骤：

步骤一，每个频道拥有者i在保证用户通信的前提下，统计自身的空闲频道数目，记为N_i，频道拥有者在拍卖的每一阶段，每一阶段分为前一子阶段和后一子阶段，每个频道拥有者更新并通过公共控制信道广播其初始价格，记为P_i；

每个频道拥有者更新并广播其价格，每个二级用户发送竞标请求。具体的，前一子阶段(记为Asking阶段)用于频道拥有者更新并通过公共控制信道广播各自的价格，后一子阶段(记为Bidding阶段)用于二级用户向相应的频道拥有者发1-bit竞标请求。

步骤二，在每一阶段的Bidding阶段，每个二级用户j接收每个频道拥有者的报价，估算每个频道拥有者的频道的使用价值，并计算收益函数，选择使自身收益最大的频道拥有者发起竞买请求，即：

$i^{*}=\underset{i}{\arg \max }{U}_{\mathrm{ji}}$ 式一

其中，U_ji为二级用户j购买频道拥有者i的频道时的收益函数，即：

U_ji＝v_ji-P_i

           。               式二

同一个频道对于不同的二级用户来说，其使用价值可能是不同的。不同的频道对于同一个二级用户来说，其使用价值也可能是不同的。通常，频道的使用价值可定义为带宽和信噪比的函数，即：

v_ji＝f_j(Γ_ji，w_i)

                           式三

其中，Γ_ji为二级用户j接入频道拥有者i的频道时的信噪比，通常和两者之间的距离有关，w_i为频道拥有者i的每个频道的带宽。一般情况下，可将每个频道的香农容量定义为该频道的使用价值，即：

v_ji＝f_j(Γ_ji，w_i)＝a_jw_ilog(1+Γ_ji)

                           式四

其中，a_j为二级用户j的容量收益转换因子，即每单位信道容量对于用户j的收益函数的贡献。对于速率要求高的业务，二级用户j可设置较大的转换因子，反之，对于速率要求低的业务，可设置较小的转换因子。

该模型并不需要二级用户解调所有频道拥有者的价格。具体的，当二级用户j距离频道拥有者i非常远时，以至于用户j无法正确解调i的报价，此时用户j只需要将频道拥有者i的价格设为无穷大即可；

当二级用户j没有购买任何频道时，其收益设为0。因此，当max_iU_ji＜0时，用户j不会发起任何竞买请求。

步骤三，在每一阶段的Asking阶段，每个频道拥有者i统计向其发起竞买请求的二级用户的数量D_i，动态更新其价格P_i并通过公共控制信道广播出去。

步骤三中所述的动态更新其价格P_i，价格更新的规则为：当频道需求量D_i大于供应量N_i时(记为需求过剩状态)，将其价格增加一个步长ε，否则，保持其价格不变，即：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_i=P_i+\mathrm{\ϵ}& D_i>N_i\\ P_i=P_i& D_i\≤N_i\end{array}\right..$ 式五

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到系统状态到达均衡状态，频道拍卖过程结束，根据每个二级用户当前的竞买请求分配频道。

步骤四中所述的均衡状态，即步骤三中所有频道拥有者均不处于需求过剩状态，则其价格均保持不变；相应的，所有二级用户的竞标请求也保持不变。此时，拍卖过程进入一个稳定状态，继续重复步骤二和三，频道拥有者的价格或二级用户的竞买请求不会发生任何改变。该发明中，随着频道拥有者价格的逐步提高，二级用户逐渐放弃购买频道；当频道拥有者的价格抬高到一定程度时，可保证所有频道拥有者均不处于需求过剩状态，即拍卖过程必然收敛到稳定状态，即均衡状态。

步骤四中所述的分配频道为：当拍卖达到均衡状态时，根据每个二级用户当前的竞买请求分配频道，即：每个频道拥有者分配频道给向其发起竞买请求的二级用户。在均衡状态时，所有频道拥有者均不处于需求过剩状态，因此当前每个发起竞买请求的二级用户均可获取一个频道。定义频谱效率为所有空闲频道的使用价值之和，全局最优的频道分配策略为使频谱效率最大化的频道分配策略。通过仿真可以发现，当价格更新步长ε足够小时，该发明的频道分配结果近似于全局最优。

本发明的每个拍卖人从底价逐步抬高自己的频道价格，每个竞买人决定是否购买频谱以及购买哪个拍卖人的频道，最终拍卖过程收敛到均衡点。本发明适用于具有多个频道拥有者的认知无线电网络，分布式执行，复杂度低；节省信令开销，频道拥有者之间不需要信息交互，二级用户之间也不需要信息交互；均衡状态的频道分配结果近似于全局最优。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(i)分布式执行，复杂度很低；(ii)频道拥有者之间不需要信息交互，二级用户之间也不需要信息交互，节省信令开销。事实上，在拍卖的每一阶段，每个频道拥有者只需要广播其价格，每个二级用户只需要向相应的频道拥有者发1-bit的竞标请求；(iii)最终的频道分配结果近似于全局最优的。

附图说明

图1本发明的实施例多个频道拥有者的认知无线电网络的结构示意图。

图2本发明的实施例仿真场景的拓扑结构图。

图3是本发明的实施例方法的收敛速度示意图。

图4是本发明的实施例方法与最优频谱分配的频谱效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包含多个频道拥有者和多个二级用户，每个频道拥有者含有一定数量的空闲频道。基于干扰考虑，每个空闲频道只能分配给一个二级用户使用；基于频谱聚合技术尚未成熟的考虑，每个二级用户在同一时刻只能使用一个空闲频道。

本实施例的环境参数为：

存在5个频道拥有者，100个二级用户，平均分布于1000m*1000m的矩形区域。每个频道拥有者均拥有6个空闲频道，初始价格均为0)。每个频道拥有者的频道可位于900MHz、2.4GHz或5GHz频段等，相应的频道带宽可为200KHz，1MHz-20MHz等。每个二级用户均将频道的香农容量定义为使用价值，其容量收益因子均设为1。拍卖每一阶段的时长为10ms，分为2个子阶段，其中前一子阶段(Asking阶段，1ms)用于频道拥有者广播各自的价格，后一子阶段(Bidding阶段，9ms)用于二级用户发送竞标请求。

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，每个频道拥有者i在保证主要用户通信的前提下，统计自身的空闲频道数目，即N_i，并通过公共控制信道广播其初始价格，记为P_i；

本实施例中仿真场景的网络拓扑结构如图2所示，其中三角符号为频道拥有者，圆点符号为二级用户。对于每个频道拥有者来说，其空闲频道数目N_i＝6，初始价格P_i＝0。

步骤二，在每一阶段的Bidding阶段，每个二级用户i接收每个频道拥有者的报价，估算每个频道拥有者的频道的使用价值，并计算其收益函数，选择使自身收益最大的频道拥有者i^*发起竞买请求；

本实施例中，每个二级用户j接收每个频道拥有者广播的报价；同时，通过检测该报价消息，用户j可估算每个频道拥有者i到其的路径损耗，由此估算出该频道拥有者的频道(对于用户j)的信噪比Γ_ji；结合每个频带拥有者i的频道带宽w_i以及用户j的容量收益转换因子a_j，即可估算出该频道对于用户j的使用价值，具体计算公式为式四。进而，通过公式二，每个二级用户j可计算其收益U_ji，即：

U_ji＝a_jw_ilog(1+Γ_ji)-P_i，i＝1，2，3，4，5    式六

当最大收益大于0时，用户j选择使自身收益最大的频道拥有者i^*发起1-bit的竞买请求；当最大收益小于等于0时，用户j不发起任何竞买请求，为方便书写，可设此时的i^*为-1。由此可得：

$i^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{i}{\arg \max U_{\mathrm{ji}}}& \underset{i}{\max }{U}_{\mathrm{ji}}\&GreaterEqual;0\\ -1& \underset{i}{\max }{U}_{\mathrm{ji}}<0\end{array}\right.$ 式七

步骤三，在每一阶段的Asking阶段，每个频道拥有者i统计向其发起竞买请求的二级用户的数量D_i，动态更新其价格P_i并通过公共控制信道广播出去。价格更新的规则为式五。

本实施例中，每个频道拥有者i可通过下式，统计向其发起竞买请求的二级用户的数量：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{100}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ji}},i=\mathrm{1,2,3,4,5}$ 式八

其中，如果用户j的最优竞买对象i^*＝i，则I_ji＝1；否则，I_ji＝0。

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到系统状态到达均衡状态，频道拍卖过程结束，根据每个二级用户当前的竞买请求分配频道。

本实施例中，如果该阶段的所有频道拥有者的报价均与上一阶段相同，则可判断系统达到稳态。可以发现，所有频道拥有者的报价不变时，所有二级用户的竞标请求也保持不变。

如图3所示，本实施例随着频道拥有者的价格更新步长ε的增大，收敛速度越快；此外，收敛时间随着二级用户的增长，呈现线性增长，因此具有良好的伸缩性。

如图4所示，本实施例中，当价格更新步长ε≤20时，本实施例方法的频谱效率与全局最优的频谱效率近似相同；当ε＞20ε＞20时，本实施例方法的频谱效率略有下降，在仿真的最大步长ε＝100时，其频谱效率下降不到2％。

Claims (5)

1.一种无线电网络中的空闲频道分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，每个频道拥有者i在保证用户通信的前提下，统计自身的空闲频道数目，记为N_i，频道拥有者在拍卖的每一阶段，每一阶段分为前一子阶段和后一子阶段，每个频道拥有者更新并通过公共控制信道广播其初始价格，记为P_i；

步骤二，在每一阶段的后一子阶段，每个二级用户j接收每个频道拥有者的报价，估算每个频道拥有者的频道的使用价值，并计算收益函数，选择使自身收益最大的频道拥有者发起竞买请求；

步骤三，在每一阶段的前一子阶段，每个频道拥有者i统计向其发起竞买请求的二级用户的数量D_i，动态更新其价格P_i并通过公共控制信道广播出去；

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到系统状态到达均衡状态，频道拍卖过程结束，根据每个二级用户当前的竞买请求分配频道。

2.根据权利要求1所述的无线电网络中的空闲频道分配方法，其特征是，所述的频道拥有者，相互之间在拍卖的每一阶段，每个频道拥有者广播其价格，每个二级用户向相应的频道拥有者发1-bit的竞买请求。

3.根据权利要求1所述的无线电网络中的空闲频道分配方法，其特征是，步骤三中所述的动态更新其价格P_i，价格更新的规则为：当二级用户的数量D_i大于空闲频道数目N_i，将其价格增加一个步长ε，否则，保持其价格不变，即：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_i=P_i+\mathrm{\&epsiv;}& D_i>N_i\\ P_i=P_i& D_i\&le;N_i\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的无线电网络中的空闲频道分配方法，其特征是，步骤四中所述的均衡状态，是指：步骤三中所有频道拥有者均不处于需求过剩状态，则其价格均保持不变；相应的，所有二级用户的竞买请求也保持不变；随着频道拥有者价格的逐步提高，二级用户逐渐放弃购买频道；当频道拥有者的价格抬高到所有频道拥有者均不处于需求过剩状态，拍卖过程必然收敛到稳定状态，即均衡状态。

5.根据权利要求1所述的无线电网络中的空闲频道分配方法，其特征是，步骤四中所述的分配频道为：当拍卖达到均衡状态时，根据每个频道拥有者分配频道给向其发起竞买请求的二级用户；在均衡状态时，当前每个发起竞买请求的二级用户均获取一个频道。

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