CN101753234A - 认知复合无线网络中基于诚实合作的频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知复合无线网络中基于诚实合作的频谱资源分配方法。其分配过程为：(1)接入网估计自己的最小带宽需求，并将该最小带宽需求通知给网络重构管理器；(2)网络重构管理器根据合作博弈模型及纳什议价解的方法给接入网动态分配频谱资源；(3)网络重构管理器依次计算所有接入网中的一个接入网给其他接入网带来的效用损失，将该效用损失作为这个接入网的代价因子，计算该接入网需要支付的代价；(4)网络重构管理器将分配好的频谱资源和代价分别发送给接入网。本发明能有效鼓励接入网诚实提出最小带宽需求，在满足各个接入网频谱需求的基础上，尽力缓解频谱资源过度使用状况，提高所有接入网整体效用，可用于认知复合无线网络中频谱资源动态分配。

Description

认知复合无线网络中基于诚实合作的频谱资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及认知复合无线网络中各个接入网之间频谱资源动态分配方法，可用于满足各个接入网的频谱需求，缓解部分频谱资源过度使用状况。

背景技术

现有通信网络场景中，接入网通过预先规划覆盖范围，根据覆盖范围与相互干扰水平划分操作频段，然后根据操作频段选择无线通信设备，在这种布置方式下，各个接入网及无线通信设备的操作频段在网络建成之后不会发生变化。但是随着无线技术的发展和无线服务的增加，因时间不同地理位置不同服务请求到达不同，存在有些接入网的频谱资源过度使用，而有些接入网的频谱资源未充分利用的问题。

认知无线电最初被提出用来解决提高频谱利用率问题，具有认知功能的无线通信设备按照某种“伺机”(Opportunistic Way)方式工作在已授权的频段内。随着技术发展和进步，认知无线网络、认知网络已成为目前大家关注的课题，认知复合无线网络也成为无线通信网络发展的趋势。在认知复合无线网络场景中，接入网之间动态分配频谱资源，以合理利用频谱资源。

IEEE 1900.4标准提出认知复合无线网络(CWN-Composite Wireless Network)的概念，如图3(a)所示。它由一个核心网和与其连接的多个具备认知重构能力的接入网(RAN-Radio Access Network)构成。在CWN的环境下还提出几个实体，分别是：网络重构管理器NRM(Network Reconfiguration Manager)管理CWN及终端以达到频谱优化利用的目的；OSM(Operator Spectrum Manager)来帮助运营商控制NRM制定的动态频谱分配策略；RMC(RAN Measurement Collector)、RRC(RAN Reconfiguration Controller)与终端等。该标准还定义了三种频谱使用方式：动态频谱分配、动态频谱共享与动态频谱优化利用。其中通过NRM在RAN之间动态分配频谱资源，如图3(b)所示，在满足RAN频谱资源需求的基础上，尽量缓解有些RAN频谱资源过度使用状况。

博弈论被应用到很多资源分配领域，根据参与者相互之间是否达成某种协议，可分为合作博弈和非合作博弈。目前有些频谱分配就是利用非合作博弈技术，接入网从自己利益角度出发选择策略，其对应的纳什均衡解使各个接入网的策略达到均衡，但不能满足帕累托最优(Pareto Optimality)。合作博弈用于频谱分配，其对应的纳什议价解(NBS-Nash Bargaining Solution)满足帕累托最优，比例公平，同时具有单调性，但在合作博弈中接入网之间存在信息不完全状况，导致接入网有动机不诚实参与合作的问题出现，造成频谱部分过度使用部分未充分利用，降低整体效用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种认知复合无线网络中基于诚实合作的频谱资源分配方法，以鼓励合作博弈中接入网之间诚实提供信息，在满足各个接入网频谱需求的基础上尽量缓解频谱过度使用状况，提高整体效用。

本发明所提供的基于诚实合作的频谱资源分配方法，是通过网络重构管理器NRM管理N个具有认知重构能力的接入网RAN，固定时间间隔T进行动态频谱资源分配，具体步骤包括如下：

(1)每个RAN通过认知模块，收集该RAN覆盖区域内的信道状况、终端用户数量和终端业务类型信息，估计该RAN的最小带宽需求，并将该最小带宽需求通知给NRM；

(2)NRM接收到N个RAN的最小带宽需求信息{F₁ ^min，F₂ ^min，…，F_N ^min}后，根据合作博弈模型及纳什议价解的方法求解RAN的频谱资源带宽F＝{F₁，F₂，…，F_i-1，F_i，F_i+1，…，F_N}：

式中，C为系统总资源带宽；

(3)NRM利用接入网的频谱资源带宽F，按照如下公式计算接入网需要支付的代价p_i：

其中，P为固定值；

$F_j^{\min }(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,j\≠i)$ 是除第i个接入网外的其他接入网提出的最小带宽需求；

F_j(j＝1，2，…，N，j≠i)是在N个接入网参与频谱资源分配时，除第i个接入网外的其他接入网得到的频谱资源带宽；

F_j ^*(j＝1，2，…，N，j≠i)是在假设第i个接入网不参与频谱资源分配，即N-1个接入网(即N\{i})参与频谱资源分配时，N-1个接入网得到的频谱资源带宽，

(4)NRM将频谱资源带宽F_i和代价p_i发送给RAN。

本发明具有以下优点：

(1)本发明由于采用频谱资源的代价因素，鼓励接入网诚实提出最小带宽需求，解决了合作博弈中网络重构管理器和接入网之间信息不完全的问题；

(2)本发明由于在接入网诚实提出最小带宽需求的基础上，采用合作博弈资源分配方法，通过网络重构管理器给接入网动态分配频谱资源，因而能够在满足各个接入网的频谱需求的基础上，尽量缓解频谱资源过度使用状况，提高整体效用。

附图说明

图1为本发明频谱资源动态合作分配过程图；

图2为本发明分配过程中接入网支付代价计算的子过程图；

图3为本发明使用的认知复合无线网络场景示意图；

图4为本发明使用的认知复合无线网络系统架构图；

图5为用本发明方法与现有固定分配、比例分配的性能仿真比较图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明做详细描述。

1.场景介绍

本发明使用的认知复合无线网络场景如图3(a)所示，其中接入网RAN采用不同的接入技术，例如基于IEEE802.11的WLAN接入点AP，或者是基于IEEE802.16的WMAN基站BS，或者是3G网络的基站BS。各个接入网由于覆盖范围不同和请求服务到达的时间不同而存在部分频谱资源过度使用，而部分频谱资源未充分利用的状况，如图3(b)所示，频谱资源动态分配以在尽量满足各个RAN频谱需求的基础上，缓解部分频谱资源过度使用状况。

2.认知复合无线网络系统介绍

本发明使用的认知复合无线网络CWN系统架构基于IEEE1900.4标准，如图4所示。

在此CWN架构中，每个核心网通过OSM控制网络重构管理器NRM制定的动态频谱分配方案；NRM管理CWN和终端，目的是频谱资源的优化利用；在动态频谱分配中，NRM动态给予接入网RAN分配频谱资源。RAN包括接入网认知模块RMC和接入网重构控制模块RRC，RMC帮助RAN收集无线通信环境信息以便辅助NRM完成频谱资源动态分配，RRC控制RAN完成重构功能；类似，终端包括终端重构管理器TRM、终端认知模块TMC和终端重构控制模块TRC，TRM管理终端选择接入相应的RAN，TMC帮助终端感知无线通信环境以便辅助TRM选择相应的RAN，TRC允许终端完成重构以便进行通信。

3.频谱资源动态合作分配

在图4所示的认知复合无线网络的系统架构上，本发明进行动态频谱资源分配，其分配时间间隔为T，分配过程如图1所示：

过程1，终端根据业务类型及该终端认知模块TMC收集的无线通信环境信息，选择相应的RAN进行服务请求。

过程2，各个RAN通过接入网认知模块RMC，收集信道状况、终端数量、终端业务类型这些无线通信环境信息，决定该接入网的最小带宽需求，并将该最小带宽需求通知给NRM。

过程3，NRM接收到N个RAN的最小带宽需求信息{F₁ ^min，F₂ ^min，…，F_N ^min}后，根据合作博弈模型及纳什议价解的方法求解RAN的频谱资源带宽F＝{F₁，F₂，…，F_i-1，F_i，F_i+1，…，F_N}，其中，

C为系统总资源带宽，分配得到的频谱资源带宽F具有满足帕累托最优、比例公平的优点，但是具有单调性，即当第i个RAN不诚实地增大它的最小带宽需求而其他RAN的最小带宽需求保持不变时，第i个RAN可以获得较多频谱资源，造成该RAN的频谱资源未充分利用，同时其他RAN的频谱资源过度使用状况。这是由于频谱分配依赖RAN的最小带宽需求信息，而RAN之间、NRM与RAN之间信息不完全导致，故引入代价机制抑制此类不诚实合作行为。

过程4，NRM利用过程3得到的接入网的频谱资源带宽F，计算N个RAN需要支付的代价Q＝{p₁，p₂，…，p_i，…p_N}。

参照图2，本过程的具体实现如下：

4A，假设i＝1，计算第i个RAN需要支付的代价p_i：

首先，设每个RAN期望得到频谱资源带宽F_j带来的效用为 $v_j=F_j-F_j^{\min }(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N),$ 其中F_j ^min为RAN估计的最小带宽需求，则除了第i个RAN之外的其他N-1个RAN的总效用为

其次，假设第i个RAN不参与频谱分配，即N-1个接入网合作参与频谱资源分配时，频谱资源带宽为：此时再设每个接入网期望得到频谱资源带宽F_j ^*带来的效用为则N-1个接入网的总效用为

最后，由前两步得到的除第i个RAN外其他N-1个RAN在两种情况下的总效用

和

得到第i个接入网参与频谱分配给其他N-1个接入网带来的效用损失

将该效用损失作为第i个接入网的代价因子，得到第i个接入网的代价p_i：

其中，P为固定值；

4B，依次假设i＝2，3，…，N，类似步骤4A计算其他RAN的代价p_i；

当第i个RAN不诚实地增大它的最小带宽需求，而其他RAN的最小带宽需求保持不变时，该RAN需要支付的代价p_i计算公式中的分子部分与该RAN的最小带宽需求无关，而分母部分会因该RAN得到较大频谱带宽而减小，故该RAN的代价p_i会增大；只有当该RAN诚实参与合作频谱资源分配时，它才付出最小代价。

过程5，NRM将频谱资源带宽F_i和代价p_i发送给RAN。

过程6，RAN接收到NRM通知的频谱资源带宽F_i后，通过接入网重构控制模块RRC重构接入网。

过程7，终端在它接入的相应RAN重构完成之后，通过终端重构控制模块TRC进行终端重构；终端重构完成后，与RAN之间进行通信。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

如图3(a)所示的认知复合无线通信网络场景由WMAN、WLAN1、WLAN2和3G网络组成，分别标记为RAN1、RAN2、RAN3和RAN4。本发明基于图3(a)所示的场景进行了仿真，NRM分别采用本发明分配方法与现有固定分配方法、比例分配方法给RAN1、RAN2、RAN3和RAN4进行频谱资源动态分配。

其中：

固定分配方法给RAN1、RAN2、RAN3和RAN4分配带宽固定为：Band_fix＝[15，10.5，10.5，3]mbps；

比例分配方法给RAN1、RAN2、RAN3和RAN4分配带宽按此公式进行

式中F_i ^min为接入网的最小带宽需求。

仿真中系统总资源带宽为C＝39mbps。

本发明分配方法与现有固定分配、比例分配关于满足RAN的带宽需求的比较如图5(a)所示。从图5(a)可以看出，当每个RAN的带宽需求小于固定分配带宽时，如第2次分配，三种分配方法都可以满足RAN的带宽需求；当有些RAN的带宽需求大于其固定分配带宽时，如第1次分配，本发明分配方法与比例分配方法可以满足所有RAN的带宽需求，而固定分配方法不能，此时本发明分配方法与比例分配方法增加了系统容量；当RAN带宽需求之和大于总带宽资源时，如第8次分配，得到满足的带宽受到了系统总资源带宽的限制。

RAN2、RAN3和RAN4的最小带宽需求固定为6Mbps、6Mbps、2Mbps，变化RAN1的最小带宽需求从1Mbps增加到25Mbps，对所有RAN满意度参数

与频谱资源使用系数

在本发明分配方法与比例分配方法这两种分配方法下进行了比较，如图5(b)所示。从图5(b)可以看出，就所有RAN满意度参数值而言，本发明分配方法得到的值比比例分配方法得到的值高，而就频谱资源使用系数值而言，本发明分配方法得到的值比比例分配方法得到的值低。

综合图5(a)和图5(b)，本发明分配方法相比于现有固定分配方法、比例分配方法，在尽力满足各个RAN的频谱需求的基础上，缓解频谱资源过度使用状况，提高整体满意度。

本发明的频谱资源的代价机制有效鼓励RAN诚实参与合作的性能如表1所示。

表1频谱资源的代价机制有效鼓励RAN诚实参与合作的性能列表

从表1可见，假设RAN2发生不诚实行为，申请最大带宽需求时，RAN2可以得到较多频谱资源，非诚实合作得到的带宽约为诚实合作得到的带宽的2倍，造成了其他接入网的频谱资源过度使用，同时使频谱资源的价格升高，其他接入网付出了较大的代价，RAN2也付出了很大的代价，非诚实合作支付的代价约为诚实合作支付的代价的4倍，可见诚实合作对RAN而言是明智选择。为清楚表述本发明的技术过程，以下给出本发明的术语解释：

复合无线网络            CWN-Composite Wireless Network

运营商频谱资源管理者    OSM-Operator Spectrum Manager

网络重构管理器          NRM-Network Reconfiguration Manager

接入网                  RAN-Radio Access Network

接入网认知模块          RMC-RAN Measurement Collector

接入网重构控制器        RRC-RAN Reconfiguration Controller

终端重构管理器          TRM-Terminal Reconfiguration Manager

终端认知模块            TMC-Terminal Measurement Collector

终端重构控制器          TRC-Terminal Reconfiguration Controller。

 

Claims (2)

1.一种认知复合无线网络中基于诚实合作的频谱资源分配方法，包括如下过程：

(1)每个接入网通过认知模块，收集该接入网覆盖区域内的信道状况、终端用户数量和终端业务类型信息，估计该接入网的最小带宽需求，并将该最小带宽需求通知给网络重构管理器；

(2)网络重构管理器接收到N个接入网的最小带宽需求信息{F₁ ^min，F₂ ^min，…，F_N ^min}后，根据合作博弈模型及纳什议价解的方法求解接入网的频谱资源带宽F＝{F₁，F₂，…，F_i-1，F_i，F_i+1，…，F_N}：

$F_i=F_i^{\min }+\frac{C-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^{\min }}{N}(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N)$

式中，C为系统总资源带宽；

(3)网络重构管理器利用接入网的频谱资源带宽F，按照如下公式计算接入网需要支付的代价p_i：

$p_i=\frac{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(F_j^{*}-F_j^{\min })}{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(F_j-F_j^{\min })}*P$

其中，P为固定值；

F_j ^min(j＝1，2，…，N，j≠i)是除第i个接入网外的其他接入网提出的最小带宽需求；

F_j(j＝1，2，…，N，j≠i)是在N个接入网参与频谱资源分配时，除第i个接入网外的其他接入网得到的频谱资源带宽；

F_j ^*(j＝1，2，…，N，j≠i)是在假设第i个接入网不参与频谱资源分配，即N-1个接入网(N\{i})参与频谱资源分配时，N-1个接入网得到的频谱资源带宽；F_j ^*与F_j的计算方法相同；

(4)网络重构管理器将频谱资源带宽F_i和代价p_i发送给接入网。

2.根据权利要求1所述的频谱资源分配方法，其中步骤(3)所用的代价公式p_i，按如下步骤构建：

(2a)当N个接入网参与频谱资源分配时，设每个接入网期望得到频谱资源带宽F_j带来的效用为 $v_j=F_j-F_j^{\min }(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N),$ 其中F_j ^min为接入网估计的最小带宽需求；

(2b)网络重构管理器分配频谱资源带宽 $F_j=F_j^{\min }+\frac{C-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_j^{\min }}{N}(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N),$ 此时除第i个接入网外的其他N-1个接入网的总效用为

(2c)当假设第i个接入网不参与频谱资源分配，即N-1个接入网合作参与频谱资源分配时，设每个接入网期望得到频谱资源带宽F_j ^*带来的效用为

$v_j^{*}=F_j^{*}-F_j^{\min }(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,j\≠i);$

(2d)网络重构管理器分配频谱资源带宽为： $F_j^{*}=F_j^{\min }+\frac{C-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_j^{\min }}{N-1}(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,j\≠i),$ 此时N-1个接入网的总效用为

(2e)由步骤(2b)和步骤(2d)得到第i个接入网参与频谱分配给其他N-1个接入网带来效用损失，将该效用损失作为第i个接入网的代价因子，得到第i个接入网的代价p_i：

$p_i=\frac{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{v}_j^{*}}{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{v}_j}*P=\frac{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(F_j^{*}-F_j^{\min })}{\underset{j=1,j\∈N,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(F_j-F_j^{\min })}*P.$

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