CN101827371A - 一种认知无线电中主次用户频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知无线电中主次用户频谱共享方法，包括以下步骤：(1)主用户将可租借频谱的频段范围通知给次用户，次用户向主用户报告其频谱效率；(2)主用户根据最大化自己效用的原则向次用户报出频谱的租价；(3)次用户根据最大化自己效用的原则决定向主用户购买频谱的数量，并向主用户报告购买频谱情况，双方达成协议；(4)次用户租借的频谱使用期到期了之后，将频谱使用权归还给主用户，次用户再根据实际情况决定是否再继续租用主用户频谱；如果继续租借，每次频谱租借过程重复以上步骤(1)至步骤(3)。本发明的认知无线电中主次用户频谱共享的方法，步骤简单，主次用户需要互相传递的信息较少。

Description

一种认知无线电中主次用户频谱共享方法

技术领域

本发明涉及一种用于认知无线电中主次用户频谱共享的方法，属于移动通信系统中频谱资源管理研究领域。

背景技术

随着无线通信市场的发展，移动通信用户数目越来越庞大，频谱资源匮乏现象日益突出。通信市场的扩大也推动着通信技术的迅猛发展，现在我们可以通过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、正交频分复用技术和多天线技术等能够提高频谱效率。但是，许多研究表明，目前的频谱分配制度也是造成频谱资源匮乏的一个主要原因。目前无线网络普遍采用固定频谱分配制度，将频谱分为2个部分：授权频段和非授权频段。大部分频谱资源用作授权频段，只有拥有授权的用户才能使用，如电视广播频段等等。这种固定频谱分配方式管理简单易行，但整体频谱利用率低下。固定的频谱分配方式在过去的几十年使用的很好，但在如今这个无线通信需求爆炸式增长的时代就给有限的频谱资源分配带来了巨大的压力。这就使得我们必须寻找新的频谱分配方案，以充分利用频谱使用率低下的频谱。为此，人们提出了认知无电线的概念。这种概念允许未授权的用户进入授权频段，动态地利用授权频段空闲(时间上或空间上)进行无线传输以提高频谱利用率。认知无线电技术是实现动态频谱接入的关键技术，它使得频谱的使用更加智能，更加有效。

在认知无线电技术中，只有主用户拥有授权频谱，次用户必须借用主用户的频谱才能进行信息传输。主用户将自己的授权频谱给次用户用，必然会收取一定的费用。次用户则要决定根据频谱定价决定购买频谱的数量。这里，主用户的授权频谱可以看成是一种商品，主系统先提出频谱租价，次系统再根据主系统租价决定购买频谱的数量。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对频谱使用率低下的问题，提供一种能够实现认知无线电主次用户频谱共享的方法。

技术方案：本发明所述的一种认知无线电中主次用户频谱共享方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)主用户通过公用控制信道将可租借频谱的频段范围通知给次用户。次用户利用公用控制信道向主用户报告其频谱效率k，它与次用户物理层所采用的技术有关；

(2)主用户提出频谱的出租价格p，每次决定价格都是综合考虑频谱定价对次用户效用的影响，本着最大化自己效用的原则来决定对出租频谱的报价。具体来说，就是主用户知道次用户的效用函数计算式u(b，p)，且该式只与购买频谱数量、频谱定价和频谱效率有关，则主用户知道若自己给出频谱定价p，在下一步中次用户会选择购买频谱的数量b使其效用函数u(b，p)最大化；

记次用户购买频谱最佳数量为b^*＝R(p)，表示次用户购买频谱数量的最优选择与主用户频谱价格有关，则主用户在本步骤面临的问题是选择频谱价格使其效用函数φ(p，b^*)最大化，然后主用户将使其效用最大化的频谱价格p^*通过公用控制信道通知给次用户；

(3)次用户计算出使其效用函数u(b，p^*)最大化的可购买频谱的数量b，但是次用户购买的频谱数量不能超过主用户的频谱总量(记为Q)。次用户对购得频谱的使用时间是主次双方事先协商好的固定时间，次用户用购得的频谱进行信息传输，次用户对该段频谱的使用时间是主次双方事先协商好的固定时间，主用户在该时段内不使用该段频谱；

(4)次用户租借的频谱使用期到期了之后，将频谱使用权归还给主用户，次用户再根据实际情况决定是否再继续租用主用户频谱；如果继续租借，每次频谱租借过程重复以上步骤(1)至步骤(3)。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：(1)本发明的认知无线电中主次用户频谱共享的方法，步骤简单，主次用户需要互相传递的信息较少；(2)频谱共享充分的考虑了主次用户最大化自己的效用的需求；实际上，如果把主次用户的频谱共享过程看成是完全信息的动态博弈，那么本发明的频谱共享结果达到了子博弈精炼纳什均衡。

附图说明

图1是认知无线电中主次用户频谱共享的运行流程示意图；

图2是主用户和次用户之间的信号传输流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

假设主用户采用如下效用函数：

$\mathrm{\φ}(p,b)=p\·b-\mathrm{cM}{(B^{\mathrm{req}}-k^p\frac{W-b}{M})}^2$

其中c代表成本函数的权重，B^req是一个主用户内部连接需要的带宽，W是主用户总带宽，M是主用户内部连接数，k^p是主用户内部连接无线传输的频谱效率，它与主用户连接采用的调制技术、基站的分布等因素有关。

假设次用户的效用函数具有如下形式：

$u(b,p)=b\·k-\frac{1}{2}{b}^2-p\·b$

其中，b是主系统租给次系统的频带宽度，p是主系统提出的租价，k是次系统用户用从主系统租来的频谱进行无线传输时的频谱效率。

假设次用户的目标误码率是BER^tar，k的值可以用下面的式子估算：

                  k＝log₂(1+Kγ)

其中，

$K=\frac{1.5}{\ln (0.2/{\mathrm{BER}}^{\mathrm{tar}})}$

假设主用户可以出租的频谱总量为Q。

主次用户的频谱共享步骤如下：

第一步：主用户通过公用控制信道将可租借频谱的频段范围通知给次用户。次用户利用公用控制信道向主用户报告其频谱效率k：

$k={\log }_2(1+\frac{1.5\mathrm{\γ}}{\ln (0.2/{\mathrm{BER}}^{\mathrm{tar}})}).$

第二步：主用户知道在自己给出频谱定价p时，在下一步次用户会根据最大化其效用函数u(b，p)来决定购买频谱的数量b。因此，主用户先自己计算出次用户的最优选择为：b^*＝min(k-p，Q)。然后，主用户求出使其效用函数φ(p，b^*)最大化的参数p^*：

$p^{*}=\frac{k}{2}(W^2+2\mathrm{cM}{\left(B^{\mathrm{req}}\right)}^2)/(W^2+\mathrm{cM}{\left(B^{\mathrm{req}}\right)}^2)$

并将p^*通过公用控制信道传给次用户。

第三步：次用户根据最大化其效用函数的原则来决定购买频谱的数量b^*：

              b^*＝max(k-p^*，Q)

次用户用购得的频谱进行信息传输，次用户对该段频谱的使用时间是主次双方事先协商好的固定时间，主用户在该时段内不使用该段频谱。

第四步：次用户租借的频谱租借期到期了之后，将频谱使用权归还给主用户。再根据实际情况决定是否再继续租用主用户频谱。如果继续租借，每次频谱租借过程是每个运行周期中重复以上第一步到第三步。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下作出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。

Claims (2)

1.一种认知无线电中主次用户频谱共享方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)主用户将可租借频谱的频段范围通知给次用户，次用户向主用户报告其频谱效率；

(2)主用户根据最大化自己效用的原则向次用户报出频谱的租价；

(3)次用户根据最大化自己效用的原则决定向主用户购买频谱的数量，并向主用户报告购买频谱情况，双方达成协议；

(4)次用户租借的频谱使用期到期了之后，将频谱使用权归还给主用户，次用户再根据实际情况决定是否再继续租用主用户频谱；如果继续租借，每次频谱租借过程重复以上步骤(1)至步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的认知无线电中主次用户频谱共享方法，其特征在于：步骤(3)中，次用户用购得的频谱进行信息传输，次用户对该段频谱的使用时间是主次双方事先协商好的固定时间，主用户在该时段内不使用该段频谱。