CN101662327A - 认知无线电中的多频带共享方法 - Google Patents

Abstract

一种通信技术领域的认知无线电中多频带共享方法，本发明中，当认知无线电网络中的频谱拥有者有空闲频谱时，它们可以出售空闲频谱给二级用户使用。当二级用户得到频带后，可以自由使用频带，例如两个用户之间直接通信，或是接入一个二级接入点。本方案提供一种分布式频谱交易模式，允许用户向多个拥有者购买多段频谱。分布式交易模式周期性触发，若认知无线电网络中存在多个二级用户，则启动分布式频谱交易模式。最终频谱共享达到稳态。本发明一方面为二级用户使用频谱提供灵活的方法，另一方面增加了拥有者(例如运营商)的收入。本发明的分布式频谱交易模式方法可以达到近似的全局最优解。

Description

认知无线电中的多频带共享方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种认知无线电中的多频段共享方法。

背景技术

一方面随着无线电的广泛使用，频谱的占用使得频谱资源愈加宝贵。另一方面随着不断发展的无线电技术给移动用户提供了更加灵活的接入方式。在认知无线电网络中，一般分为频带拥有者(例如各电信运营商)，主要用户和二级用户(也称次级用户)。主要用户为授权用户，能够随时地接入信道而不会受到任何干扰。二级用户为非授权用户并没有接入和服务质量保证，但是拥有更大的灵活性选择不同的运营商接入。因此基于认知无线电技术，各电信运营商可以把未被占用的频段出售给二级用户使用。近些年各种文献提出了大量的频谱拍卖方法。但是这些基于拍卖理论的方案大多需要一个中心式的拍卖者，然后二级用户可以按密封式拍卖或多轮拍卖的方式竟标频谱接入。可以想象在多电信运营商无线网络中引入一个中心管理者并将带来一些额外的复杂度和成本的增加。

经对现有技术文献的检索发现，X.Zhou等在《ACM International Conferenceon Mobile Computing and Networking，pp.3-13，Sept.2008》(计算机工程师协会移动计算和网络国际会议号，2008年9月，第3-13页)上发表的“eBay in the sky：Strategy-proof wireless spectrum auctions”(空中的eBay：基于真实策略的无线频谱拍卖)。该文提出一种低复杂度的无线频谱拍卖方案。在此方案中，每个用户报告真实需求，为每个用户的最优策略。另外D.Niyato等在《IEEE Transactionon Wireless Communications，vol.16，no.2，Apr.2009，pp.16-23》(电气电子工程师协会通信领域期刊，2009年4月出版，第16卷，第2期，第16-23页)上发表的“Dynamic spectrum access in IEEE 802.22-based cognitive wireless networks：A game theoretic model for competitive spectrum bidding and pricing”(基于IEEE 802.22的认知无线电网络中的频谱接入：竞标频谱的博弈模型)。该文提出一种复式拍卖频谱方案。众多买方和卖方提交他们愿意购买或出售某项物品的价格，然后通过一个中心拍卖者进行处理，并且就各方出价予以配对。以上两种频谱拍卖方案均需要一个中心式的拍卖管理者。

经检索还发现，D.Niyato等在《IEEE Transactions on Mobile Computing，vol.8，no.8，Aug.2009，pp.1009--1022》(电气电子工程师协会通信领域期刊，2009年8月出版，第8卷，第8期，第1009--1022页)上发表的“Dynamics ofmultiple-seller and multiple-buyer spectrum trading in cognitive radionetworks：A game theoretic modeling approach”(多卖家多买家的认知无线电网络中的动态频谱交易：一种基于博弈模型的方法)。该文提出了多频谱拥有者，多二级用户系统的中的频谱共享方法。但没有考虑用户的不同的服务质量需求，并且仅限于各个频谱拥有者对所有购买起频谱的用户收取同样的价钱的场景。而且该文的方法不支持一个用户向多个频谱拥有者购买频谱。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种认知无线电中的多频带共享方法。本发明采用分布式多频谱拥有者多频谱购买者的频谱交易的终端技术，使得二级用户可以从多个频拥有者手中购买多个频带以满足高速数据业务的需求，最终给二级用户提供了多样化的接入方式。

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，多个频谱拥有者和多个二级用户构成认知无线电网络。

当所述的频谱拥有者有空闲资源时，向网络中广播此消息，二级用户收到频谱拥有者的的广播消息，根据自己的服务要求计算使用各个频谱拥有者的频谱的效用。

由于各个频谱拥有者占据不同载波，因此来自不同频谱拥有者的频带有不同的空间衰落特性。二级用户又有着不同的通信距离和业务需求，因此不同频带对二级用户有不同的效用。

步骤二，假设认知无线电系统中的最小价钱单位是e，每个二级用户根据当前所允许的最小价钱计算它对于每个拥有者的净收益，具体方法如下：

二级用户根据对每个频谱拥有者的净收益值对频谱拥有者排序；

向它所喜好的频谱拥有者发送附带价钱的请求；

如果本请求被一个频谱拥有者拒绝，则在下次排序时，对被该频谱拥有者的价钱增加e。

所述的净收益不允许为负数，所以当请求不断被拒绝的情况下，价钱不会超过效用值，因此到一定步骤就不会有请求发出。

步骤三，接收到请求的每个频谱拥有者根据请求附带的价钱对请求排序，然后根据自己的容量选择二级用户，多余的请求被拒绝。

步骤四，步骤二和步骤三轮流叠代直到没有请求发出。

在所述的叠代过程中，新增加的二级用户，不允许发出请求；其频谱请求要到下次拥有者广播信息时，才可以发出。

在本发明中当二级用户得到频带后，可以自由使用频带，例如两个用户之间直接通信，或是接入一个二级接入点。

所述的二级接入点没有授权频带，但是可以为二级用户提供接入服务。

假设认知无线电网络中有M个频谱拥有者，N个二级用户。每个二级别用户对应一个接收端。

Bi代表二级用户i所得到的带宽集合，则其吞吐量分别：

$I_{i,B_i}=\underset{j=1}{\overset{\left|B_i\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_j*\log (1+{\mathrm{\Γ}}_{i,j})$ 式一

二级用户有两种业务类型，分别为语音业务和数据业务。对于拥有语音业务的二级用其效用为：

${\mathrm{\&eta;}}_{i,B_i}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&upsi;}}*r_{\mathrm{\&upsi;}},& I_{i,B_i}\&GreaterEqual;r_{\mathrm{\&upsi;}},{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&upsi;}}>0\\ 0,& I_{i,B_i}<r_{\mathrm{\&upsi;}}\end{array}\right.$ 式二

对于拥有数据业务的二级用户，其效用为：

${\mathrm{\&eta;}}_{i,B_i}={\mathrm{\&alpha;}}_d*I_{i,B_i},{\mathrm{\&alpha;}}_d>0$ 式三

对于语音业务的用户来说，其只能使用来自一个频谱拥有者的频谱。而数据用户可以使用来自多个频谱拥有者的频谱。在式二和式三中，α_υ代表语音业务的效用常数，γ_υ代表语音业务的速率要求。本发明对于语音用户来说过高的速率对其效用为零。对于数据业务用户，其效用随数据速率的增加而增加，α_d为数据业务的效用常数。

二级别用户为了得到频带的使用权，必须向频谱拥有者支付价钱。用p_i，j表示用户i和拥有者j之间的价钱。则二级用户i的净效用为：

$u_{i,B_i}={\mathrm{\&eta;}}_{i,B_i}-\underset{j=1}{\overset{\left|B_i\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{i,j}$ (式四)

对于拥有者j，其收入为：

$\mathrm{\&upsi;}{\mathrm{\&Phi;}}_{j,j}=\underset{i}{\overset{\left|{\mathrm{\&Phi;}}_j\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{i,j}$ (式五)

其中Φ_j＝{p_1，j，…，p_i，j，…，p|Φ_j|，_j}代表拥有者j和所有向拥有者j购买频谱的用户之间的价钱。

因此在认知无线电网络中存在许多拥有者购买者组成的对。每一对含有的效用是：b_i，j＝max(0，v_j+u_i)＝max(0，η_i，j-c_j)        (式六)

定义x_ij＝0，1，i ∈S，j∈O代表用户i是否向拥有者j购买了频谱。因此系统中的总共的最大效用为： $\underset{x_{\mathrm{ij}}}{\max }{z}_{\max }=\underset{j\&Element;O}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{i\&Element;S}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}$

s.t.    x_i，j≤1，i∈S，j∈O

$\underset{j\&Element;O}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;C_i$

$\underset{i\&Element;S}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;m_j$ (式七)

注意到，系统中的价钱并为影响系统的总共的效用值。价钱所代表的效用只是从用户端转移到了拥有者端。本专利设计算法，期望达到稳定的全局最优解答。下面定义此模型中的合理分配和稳定全局最优分配：

系统中的一个理性分配为(F；p)，其中F为{1，...，M}→{1，...，N}的映射函数，p为对应于F的所有用户和拥有着之间的价钱向量。定义O_i ^F代表对应于F分配给i的拥有者，定义S_i ^F为对应于F分配给拥有者j的用户，则理性分配(F；p)满足：

$p_{s_j,j}-c_j\&GreaterEqual;0,$ $\&ForAll;s_j\&Element;S_j^F$

${\mathrm{\&eta;}}_{i,o_i}-p_{i,o_i}\&GreaterEqual;0,$ $\&ForAll;o_i\&Element;O_i^F$ (式八)

如果对于一个理性分配为(F；p)，系统中没有用户和拥有者对(i，j)满足下式，则(F；p)为一个稳定最优分配：

$p^{\&prime;}-c_j>p_{s_j,j}-c_j,$ $\&ForAll;s_j\&Element;S_j^F$

${\mathrm{\&eta;}}_{i,j}-p^{\&prime;}>{\mathrm{\&eta;}}_{i,o_i}-p_{i,o_i},$ $\&ForAll;o_i\&Element;O_i^F$ (式九)

本发明具有如下有益效果：本发明在存在多频谱拥有者，多频谱购买者的认知无线电网络中，一方面为二级用户提供了多频带共享方法，另一方面使得频谱拥有者的收入增加，能够得到多频段共享中的稳定的全局最优解答。

附图说明

图1本发明的认知无线电网络中多频谱共享的结构示意图。

图2针对式八，式九的定义给出的一个分配F的例子。

图3是本发明的实施例在多拥有者，多二级用户网络中所有拥有者和所有二级用户的效用；

其中：A代表一个二级用户所允许购买的最大的频带数。这个值由系统本身二级用户本身硬件能力决定。

图4是本发明中，提出的频谱共享方法和中心式算法的比较。

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，多个频谱拥有者，多个二级用户构成了认知无线电网络。每个二级用户分别有不同的业务类型数据传输(语音业务或数据业务)。当频谱拥有者有空闲频谱时，向网络中广播此信号通知所有的二级用户。在图1中，有三个频谱拥有者，分别是GSM/800M，LTE/2GHz，IEEE 802.11a/5GHz.每个二级用户有多根天线/多接口，可以使用来自不用频谱拥有者的频谱。

本实施例的环境参数为：

频谱拥有者：三个频谱拥有者如前所述。假设每个频谱拥有者对空闲频谱的划分是固定的。分别为100k，200k和500k.也就是说，GSM的运营者在出售频谱时单位为100k.LTE为200k.IEEE 802.11a为500k。在本实例中，设定GSM，LTE，和IEEE802.11a的空闲频带数目分别为4，5和5。语音业务效用常数α_v＝10，语音速率要求r_v＝30kbps。数据业务效用常数α_d＝2。

二级用户：在本实例中，每个二级用户随机的设为语音用户，或者是数据用户。二级用户的通信距离满足0-1000m中的均匀分布。每个二级用户的发送功率设置为P_s＝1，每个接收端的噪声方差设置为δ²＝10^-6。价钱单位e设为0.1。

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，频谱共享机制在实际中可以周期性的触发。每次触发时，有空闲频谱的拥有者向网络中广播信息。

步骤二，有业务需求的二级用户收到此信息后，触发动态频谱购买机制。每个二级别用户i根据下式计算使用拥有者j的频谱的信噪比，其中f_j为拥有者j的载波频率。

${\mathrm{\&Gamma;}}_{i,j}=\frac{P_s{L}_{i,j}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}=\frac{P_s}{f_j^2{d}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}^2}$ (式十)

注意到，当所有用户第一次发起请求时，网络中所有拥有者的最初价钱都是e。当用户请求被某拥有者拒绝一次时，则在下次发送请求钱该用户对该拥有者的价钱增加e。因此每个请求时刻，对于每个二级用户都有个价钱向量，都有一个对于所有拥有者的价钱向量。

对于语音业务的二级用户根据下式对所有的频谱拥有者排序：

α_v*w_j*log(1+Γ_i，j)-p_i，j

其中要求w_j*log(1+Γ_i，j)≥r_v。即对于w_j*log(1+Γ_i，j)＜r_v的拥有者不排序。语音业务用户只选取一个频谱拥有者的频带。排序之后，发送附带价钱的频谱请求信息给排第一位频谱拥有者，如果多于两个的拥有者并列排第一位，则随机选择一个。如果没有满足要求的拥有者，则不发送请求。

对于语音业务的二级用户根据下式对所有的频谱拥有者排序

α_d*w_j*log(1+Γ_i，j)-p_i，j

排序之后，数据业务用户可以根据天线数目决定选择最大的频谱数目。本实例中A是代表移动台支持的最大频带数目的参数。p_i，j是当前用户i对于拥有者j的价钱。(当第一次叠代时，p_i，j＝e，e为最小价钱单位。如果用户i对于拥有者j被拒绝，则在下一次叠代时p_i，j＝p_i，j+e)。

步骤三，对于接收到请求的频谱拥有者，根据其附带的价钱对用户排序。根据其空闲频谱块的数目，选择用户。说明：(1)如果接收到的请求小于其空闲频谱数则全部接收。(2)如果大于空闲频谱数，则需要拒绝一些用户。如果一些用户的请求价钱相同，则随机拒绝。

步骤四，步骤二和步骤三叠代直到没有请求发出。

图3是在最后收敛时，系统中所有二级用户和所有拥有者收益的比较。其中用户的收益是式四中定义的净效用值。变换不同的A，可以看到当用户数目较少时，更大的A使得用户得到更多的收益。但是随着用户的增多，更大的A导致用户净收益下降，这是因为一个用户允许购买多频带时，将会引起用户间更激烈的竞争。针对图3，图4给出了系统总收益和最优值(式七)的比较。

如图4所示，比较仅限于所有二级别用户和所有频谱拥有者的总收益的比较。因为在中心式的情况下考虑分布式的价钱是没有意义的。从图4可以看到，当取价钱单位越小时，分布式频谱共享方案能取得和中心式算法相近的总收益。说明：最终得到式九所定义的解答。此解答当价钱单位e无限小时，能够趋于总收益的最优解(式七)。但是越小的价钱单位将会导致较长的收敛时间。

当e＝0.1时，虽然得到了近似最优解的总收益，但是收敛的叠代次数比e＝0.2时高大约10次。

Claims (8)

1、一种认知无线电中的多频带共享方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，多个频谱拥有者和多个二级用户构成认知无线电网络；

步骤二，假设认知无线电系统中的最小价钱单位是e，每个二级用户根据当前所允许的最小价钱计算它对于每个拥有者的净收益；

步骤三，接收到请求的每个频谱拥有者根据请求附带的价钱对请求排序，然后根据自己的容量选择二级用户，多余的请求被拒绝；

步骤四，步骤二和步骤三轮流叠代直到没有请求发出。

2、根据权利要求1所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，步骤一，当所述的频谱拥有者有空闲资源时，向网络中广播此消息，二级用户收到频谱拥有者的的广播消息，根据自己的服务要求计算使用各个频谱拥有者的频谱的效用。

3、根据权利要求2所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，所述第一步中，所有频谱拥有者向网络中广播信息，所有二级用户接收到信息后，根据所有拥有的的当前价钱对频谱拥有者排序。

4、根据权利要求1所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，步骤二的方法如下：

二级用户根据对每个频谱拥有者的净收益值对频谱拥有者排序；

向它所喜好的频谱拥有者发送附带价钱的请求；

如果本请求被一个频谱拥有者拒绝，则在下次排序时，对被该频谱拥有者的价钱增加。

5、根据权利要求4所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，所述的第二步中，所有接收到请求的频谱拥有者，对所接受所接收到的价钱对用户进排序：

如果接收到的请求小于其空闲频谱数则全部接收；

如果大于空闲频谱数，则需要拒绝一些用户；

如果一些用户的请求价钱相同，则随机拒绝。

6、根据权利要求4所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，所述的净收益不允许为负数，当请求不断被拒绝的情况下，价钱不超过效用值。

7、根据权利要求1所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，步骤四，在所述的叠代过程中，新增加的二级用户，不允许发出请求；其频谱请求要到下次拥有者广播信息时，才可发出。

8、根据权利要求1所述的认知无线电中的多频带共享方法，其特征是，当二级用户得到频带后，自由使用频带。

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