CN102215491A - 协同通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提高一种协同通信方法及装置，其中，该协同通信方法包括：授权网络的发送节点PT获取自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和PT到PR之间的信道状况信息；所述PT根据以上参数，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息；根据所确定的α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，进行协同通信。使用本发明实施例提供的技术方案，能够提高授权网络的性能和收益，同时使非授权网络能够传输更多的数据。

Description

协同通信方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种协同通信方法、装置及网络系统。

背景技术

无线通信网络的迅速发展使得人们对无线频谱资源的需求越来越大，现有技术提出一种动态频谱接入的概念，即信道不被授权网络中的用户设备占用时，授权网络将空闲的频谱租赁给非授权网络，并向其收取一定的频谱接入费用。这样非授权网络中的用户设备能够接入信道并传输自身的数据，从而更加有效地利用频谱资源。具体的，授权网络收取费用的机制有频谱定价和频谱拍卖两种方式：对于频谱定价方式，授权网络预先设定一个价格，所有接入的非授权网络必须以此价格向授权网络付费；对于频谱拍卖的方式，授权网络向所有非授权网络拍卖频谱，参与拍卖的非授权网络根据自己对于频谱的需求程度提出其欲付出的价格，付出价格最高的非授权网络竞拍成功，授权网络依据拍卖机制决定的成交价格向中标的非授权网络实施租赁。

现有技术的缺点是：

采用现有技术的频谱租赁方式，可能得到的频谱价格对非授权网络来说并不合理，而非授权网络中用户的接入信道时间是和频谱价格成正比的，若频谱价格不合理，则非授权网络中用户的接入信道时间可能会比较短，这样，非授权网络节点进行非授权网络的数据传输量就有限。而且，非授权网络根据接入信道时间和频谱价格向授权网络付费，由于接入信道时间比较短，所以授权网络最终得到的收益比较少，最终导致授权网络和非授权网络不能双赢。

发明内容

本发明实施例提供一种协同通信方法、装置及网络系统，能够提高授权网络的性能和收益，同时使非授权网络能够传输更多的数据。

有鉴于此，本发明实施例提供：

一种协同通信方法，包括：

授权网络的发送节点PT获取自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和PT到PR之间的信道状况信息；

所述PT根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息和PT到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息；

根据所确定的α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，进行协同通信。

一种协同通信方法，包括：

授权网络的接入点PAP获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

所述PAP根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值；

根据所述单位频谱价格值，获得所述授权网络节点的频谱接入时间α值；并获得β值，所述β值为授权网络节点将数据广播给PAP和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；

发送α值、β值和单位频谱价格值，使所述授权网络节点能够根据α值、β值进行协同通信。

一种授权网络节点PT，包括：

获取单元，用于获取本地到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和本地到PR之间的信道状况信息；

计算单元，用于根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息和本地到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息。

一种接入点PAP，包括：

获取单元，用于获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

计算单元，用于根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值。

本发明实施例根据授权网络效用函数最大的原则，确定参数α值、β值和S，以便根据α值和S，按照非授权网络节点的效用函数值最大的原则，确定S中各个非授权网络节点的最优价格值，这样授权网络和非授权网络就能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

本发明实施例根据授权网络和非授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格值，以便根据单位频谱价格值能够得到α_i、β_ij和r_j值，这样授权网络和非授权网络能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的协同通信方法流程图；

图2是本发明另一实施例提供的协同通信方法流程图；

图3是本发明实施例提供的帧结构图；

图4(a)是本发明实施例提供的数据发送示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的数据发送示意图；

图4(c)是本发明实施例提供的数据发送示意图；

图5是本发明又一实施例提供的协同通信方法流程图；

图6是本发明实施例提供的最优参数α^*、β^*与归一化距离d的关系示意图；

图7是本发明实施例提供的授权网络效用函数与归一化距离d的关系示意图；

图8是本发明实施例提供的授权网络效用函数与中继节点个数k的关系示意图；

图9是本发明另一实施例提供的协同通信方法流程图；

图10是本发明又一实施例提供的协同通信方法流程图；

图11是本发明实施例提供的二部图；

图12A是本发明实施例提供的授权网络效用函数与非授权网络节点数量的关系示意图；

图12B是本发明实施例提供的非授权网络效用函数与非授权网络节点数量的关系示意图；

图13A是本发明实施例提供的授权网络效用函数与授权网络节点的流量需求的关系示意图；

图13B是本发明实施例提供的非授权网络效用函数与授权网络节点的流量需求的关系示意图；

图14是本发明实施例提供的授权网络发送节点结构图；

图15是本发明实施例提供的接入点结构图。

具体实施方式

参阅图1，本发明一实施例提供一种协同通信方法，该方法适用于授权网络中仅有一个授权网络链路，即授权网络中仅有一个发送节点和一个接收节点，该方法包括：

101、授权网络的发送节点PT获取自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息、以及PT到PR之间的信道状况信息。

具体的，所述PT发送协助请求信令，接收非授权网络节点i发送的协助回复信令，所述协助回复信令包括：所述PT到非授权网络节点i间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；

所述PT接收所述PR发送的授权回复信令，所述授权回复信令中携带每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点，PT根据该授权回复信令估计出PT到PR之间的信道增益h_P。

102、所述PT根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率和各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息，以及PT到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息；

其中，授权网络节点效用函数表示为第一函数和第二函数的和，所述第一函数表示为w_p与所述PT对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；所述第二函数表示为作为中继节点的各非授权网络节点应付的频谱价格之和；

所述非授权网络效用函数为第三函数减去第四函数的和，所述第三函数表示为w_s与非授权网络节点能达到的数据传输速率的乘积，w_s是数据传输速率在非授权网络效用函数中的加权值；所述第四函数表示为所述非授权网络节点应付的频谱价格。

具体的，授权网络效用函数U_P为：

$U_P={\mathrm{\ω}}_P{U}_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)+\underset{\mathrm{\κS}}{\mathrm{\Σ}}{c}_i,$

其中， $U_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)=\frac{1}{1+e-Q^{(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\·R_0)}}$

其中，R₀为所述PT的流量需求，Q表示满意度曲线的陡峭程度，其中，S为各作为中继节点的非授权网络节点的集合；

具体的，第i个非授权网络节点的效用函数u_i为：

$u_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-a)c_i{R}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}-c_i,$

其中，c_i为第i个非授权网络节点应付的频谱价格；

表示为所有作为中继节点的非授权网络节点的应付的频谱价格之和；R_i为第i个非授权网络节点的传输速率。

确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息具体过程包括：

根据非授权网络节点的发送功率P_S，i和及其通信链路的信道增益h_S，i确定非授权网络节点的传输速率R_i；

将R_i代入根据非授权网络效用函数最大的原则得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数：

得到c_i关于α和S的函数式；

根据所述PT到非授权网络节点间的信道增益h_PS，i和PT的发射功率，获得PT向中继节点和所述PR广播数据时的速率R_PS(S)；

根据非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i、PT的发射功率、非授权网络节点的发送功率P_S，i和PT到PR之间的信道增益h_P，得到协作通信时的速率R_SP(S)；

根据R_PS(S)、R_SP(S)及R_P(α，β，S)＝min{αβR_PS(S)，α(1-β)R_SP(S)}，获得R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式；

根据R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式、c_i关于α和S的函数式及授权网络效用函数U_P，得到α值、β值和S中的节点信息。

为了计算各协助传输数据的非授权网络节点的最优价格值及其频谱接入时间，该方法还包括：所述PT向非授权网络节点发送所述α、所述β和作为中继节点的非授权网络节点信息；当非授权网络节点根据作为中继节点的非授权网络节点的标识确定自己为中继节点时，利用所述α值和各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络效用函数最大的原则得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数

确定自己的最优价格值，将所确定的最优价格值发送给PT。所述PT根据各作为中继节点的非授权网络节点所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间，广播各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间。

或者，所述PT利用所述α值、各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息，和依据非授权网络效用函数最大的原则所得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数

确定各作为中继节点的非授权网络节点的最优价格值；根据所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间，广播各作为中继节点的非授权网络节点的标识、最优价格值及其接入信道的时间。

后续授权网络发送节点根据所确定的α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，进行协同通信。

本发明实施例中根据授权网络效用函数最大的原则，确定参数α值、β值和S，然后再根据α值、β值和S，按照非授权网络节点的效用函数值最大的原则，确定S中各个非授权网络节点的最优价格值，这样授权网络和非授权网络就能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益。

为使本发明上述实施例提供的技术方案更加清楚明白，如下两个实施例将对其进行详细介绍。

参阅图2和图3，该实施例中假定授权网络的发送节点为授权网络的发送节点，授权网络的接收节点为授权网络的接收节点，该协同通信方法具体包括：

201、授权网络的发送节点向所有非授权网络节点发送协作请求信令COOP_REQ，该协作请求中信令COOP_REQ包括：信令类型指示MSG_T和S_ID(授权网络的发送节点的ID)。

其中，协作请求中信令COOP_REQ的格式如表1所示：

MSG_T

S_ID

表1

202、非授权网络节点接收到协作请求信令COOP_REQ后，根据协作请求信令测量得到授权网络的发送节点到非授权网络节点的信道状况，广播协作回复信令COOP_REP，该协作回复信令COOP_REP包括：信令类型指示MSG_T、D_ID(授权网络接收节点的ID)、S_ID(授权网络的发送节点的ID)、h_PS，i、h_S，i和P_S，i。

其中，h_PS，i是授权网络的发送节点到第i个非授权网络节点的信道增益；h_S，i是非授权网络节点通信链路的信道增益；P_S，i是第i个非授权网络节点的发射功率。

其中，协作回复信令COOP_REP的格式如表2所示：

MSG_T

D_ID

S_ID

hPS，i

hS，i

PS，i

表2

其中，各个非授权网络节点广播的协作回复信令COOP_REP通过载波监听随机避让机制来避免冲突。

203、授权网络的接收节点收到协作回复信令COOP_REP后，根据协作回复信令测量得到非授权网络节点到授权网络的接收节点的信道状况，向授权网络的发送节点发送授权回复信令PRI_REP，该授权回复信令PRI_REP包括：信令类型指示MSG_T、D_ID、h_SP，1、h_SP，2.....h_SP，n。

其中，h_SP，1、h_SP，2.....h_SP，n分别为n个非授权网络节点到授权网络的接收节点间的信道增益。D_ID为授权网络接收节点的ID。

其中，授权回复信令PRI_REP的格式如表3所示：

MSG_T

D_ID

S_ID

HSP，1

......

hSP，n

表3

204、授权网络的发送节点根据授权回复信令PRI_REP估计得到PT到PR之间的信道增益h_P，根据授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和S，向所有非授权网络节点发送协作决定信令COOP_DEC，其中，协作决定信令COOP_DEC包括：信令类型指示MSG_T、α值、β值、k值、Sum_(1/Ri)、S中包括的各非授权网络节点的标识。

其中，协作决定信令COOP_DEC的格式如表4所示：

MSG_T

S_ID

α值

β值

k值

Sum_(1/Ri)

表4

其中，k值表示S中包括的非授权网络节点的个数；

为S中包括的非授权网络节点的传输速率倒数之和。

为了清楚的介绍确定α值、β值和S的过程，先对授权网络效用函数做简单介绍：

授权网络的发送节点的效用函数表示为第一函数和第二函数的和，所述第一函数表示为w_p与所述PT对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；所述第二函数表示为作为中继节点的各非授权网络节点应付的频谱价格之和，其中，第一函数为如下公式(1)中的第一项，第二函数为如下公式(1)中的第二项。

$U_P={\mathrm{\ω}}_P{U}_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{c}_i,---\left(1\right)$

其中，w_p是单位速率满意度对总收益的贡献值，是系统给定的参数，推荐w_p的取值范围是0.1≤w_p≤1，w_p越大，速率分量在此效用函输中的权重越大。R_P(α，β，S)是授权网络使用S作为中继所达到的协作传输速率，U_R(R_P(α，β，S))是传输速率所对应的收益，它反应了系统对传输速率的满意度，可以用一个sigmoid函数来表示。

$U_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)=\frac{1}{1+e-Q^{(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)-R_0)}}---\left(2\right)$

其中，R₀为授权网络的发送节点的流量需求，Q表示满意度曲线的陡峭程度，R₀和Q都是系统预定参数。

为了便于求出R_P(α，β，S)的表达式，如下简单描述后续采用非授权网络节点协助传输数据时的超帧结构，每个超帧包括N个帧，由于如果选择通过非授权网络节点作为中继协助传输数据，则每个帧被分为3个子帧，如图3所示，第一个子帧长αβ单位时间，(0≤α≤1，0≤β≤1)，授权网络的发送节点PT将其数据广播给授权网络接收节点PR和所有被选中的中继节点的ST_i，(i∈S)(如图4(a)所示)。S是所有被授权网络发送节点选中的中继节点的集合，它是所有非授权网络节点的一个子集。第二个子帧长α(1-β)单位时间，在这个子帧中，授权网络的发送节点PT和S中的中继节点共同向授权网络接收节点PR进行协同传输(如图4(b)所示)。剩余1-α单位时间为第三个子帧，在这个子帧中，中继集合S中的k个非授权网络节点以TDMA的方式依次接入信道，进行非授权网络的数据传输(如图4(c)所示)。

所以第一子帧中，授权网络的发送节点PT向所有中继节点广播数据，其数据的传输速率不超过它到各中继节点的最小信道容量，此时，授权网络发送节点的发送速率为：

$R_{\mathrm{PS}}\left(S\right)={\log }_2(1+\frac{{\min }_{i\∈S}{\left|h_{\mathrm{PSi}}\right|}^2{P}_P}{N_0}).---\left(3\right)$

其中，h_PS，i是PT到非授权网络节点i间的信道增益；P_P为PT的发送功率；

第二子帧中授权网络的发送节点PT和中继节点ST_i(i∈S)向授权网络的接收节点PR协同发送数据，依据协作通信理论，在接收端进行最大比合并后所达到的信噪比等于所有被合并链路的信噪比的和，因而，协同通信的速率为：

$R_{\mathrm{SP}}\left(S\right)=\log (1+\frac{{\left|h_P\right|}^2{P}_P}{N_0}+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\left|h_{\mathrm{SP},i}\right|}^2{P}_{S,i}}{N_0}).---\left(4\right)$

其中，h_SP，i为非授权网络节点到所述PR的信道增益；P_S，i为非授权网络节点i的发送功率。

根据公式(4)和(3)，通过中继节点进行通信的速率等于上述两个子帧中数据的传输速率的最小值：

R_P(α，β，S)＝min{αβR_PS(S)，α(1-β)R_SP(S)}.       (5)

该步骤中授权网络的发送节点将h_SP，1、h_SP，2.....h_SP，n代入公式(4)，将h_PS，i代入公式(3)，然后根据公式(5)得到R_P(α，β，S)，此时R_P(α，β，S)是关于α、β和S的函数，这样，授权网络效用函数的第一项为关于α、β和S的函数。

为了描述清楚授权网络中的第二项的表达式，如下对非授权网络效用函数做介绍：

所述非授权网络效用函数为第三函数减去第四函数的差，所述第三函数表示为w_s与非授权网络节点能达到的数据传输速率的乘积，w_s是数据传输速率在非授权网络效用函数中的加权值；所述第四函数表示为所述非授权网络节点应付的频谱价格；其中，第三函数为如下公式(6)中的第一项，第四函数为如下公式(6)中的第二项。

$u_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-a)c_i{R}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}-c_i---\left(6\right)$

其中，

为所有协助传输数据的非授权网络节点的总价格，R_i为该非授权网络节点通信链路的最大传输速率。其中，

$R_i=R_{S,i}=\log (1+\frac{{\left|h_{S,i}\right|}^2{P}_{S,i}}{N_0})---\left(7\right)$

为了分析协助传输数据的非授权网络节点间的博弈，先假定α，β和S已经给定，各个中继节点ST_i(即协助传输数据的非授权网络节点)通过选择适当的价格c_i最大化自己的效用函数u_i。在此情况下多个中继节点形成非合作价格选择博弈，G＝[S，{C_i}，{u_i(·)}]，其中S为由授权网络的发送节点选定的博弈者集合，其中，博弈者集合是协助传输数据的非授权网络节点的集合，C_i为策略空间，，u_i为博弈者i的效用函数，该博弈在以下约束条件满足的情况下存在一个唯一的纳什均衡：

$\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{R_j}-\frac{2(k-1)}{R_i}>0$

$\stackrel{\‾}{c}>{\mathrm{\ω}}_s(1-a)(k-1)[\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{R_j}-\frac{k-1}{\underset{i\∈S}{\max }{R}_i}]/{\left(\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{R_j}\right)}^2---\left(8\right)$

由于公式(6)中的效用函数u_i为价格c_i的凸函数，当u_i关于c_i的一阶导数等于0时，u_i取得最大值。

$\frac{{\∂u}_i}{{\∂c}_i}=\frac{\mathrm{\ω}(1-a)R_i\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}{{\left(\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}{c}_j\right)}^2}-1=0$

对于k个用户，联立方程组，可解得非授权网络节点i的最优价格策略c_i如公式(9)所示，此即为根据公式(8)的条件给出的中继节点ST_i的最优价格策略：

$c_i^{*}={\mathrm{\ω}}_s(1-a)(k-1)p[\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{R_j}-\frac{k-1}{R_i}]/{\left(\underset{j\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{R_j}\right)}^2---\left(9\right)$

这样，当中继节点ST_i的价格等于公式(9)所示的最优价格策略时，中继节点ST_i的效用函数u_i的值最大。

将公式(9)代入公式(1)，可得授权网络的发送节点的效用函数如下：

$U_P=\frac{{\mathrm{\ω}}_P}{1+e^{-a(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)-R_0)}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-\mathrm{\α})(k-1)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(1/R_i)}---\left(10\right)$

其中，如前面所描述，该公式第一项为关于α、β和S的函数；该公式第二项中R_i可以根据步骤202非授权网络节点发送的h_S，i求出，所以该公式第一项为α和S的函数；因此，为了使U_P最大，则需要得到最优的参数α^*，β^*，S^*。

可以证明的是，当S固定时，最优参数α^*和β^*表示为：

$a^{*}=a_2=[Q{R}_0-\ln \left(\frac{A-2B+\sqrt{A^2-4\mathrm{AB}}}{2B}\right)]/A---\left(11\right)$

β^*＝R_SP(S)/(R_SP(S)+R_PS(S)).          (12)

其中，

A＝Qu′_pR_PS(S)R_SP(S)/(R_SP(S)+R_PS(S))，

$B={\mathrm{\ω}}_s(k-1)/\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(1/R_i).$

$X=e^{-\mathrm{aA}+Q{R}_0}.$

其中，R_SP(S)和R_PS(S)分别参见公式(3)和(4)。

其中，为了得到S的最优值，需要找出所有非授权网络节点集合S_total的所有子集，对于每一个子集S，检验该子集中的元素是否满足公式(8)，如果满足，则计算最优参数α^*及β^*，记为U_P(S)，选取能够最大化U_P(S)的S作为最优参数S^*。当非授权网络节点个数较多时，为降低运算复杂度，可以限制集合S中的元素个数最多不超过N个，例如N＝5。

205、非授权网络节点根据授权网络的发送节点发送的协作决定信令，确定自己是否属于集合S，如果是，根据公式(9)，确定自己的最优价格值，向授权网络的发送节点发送协作价格信令COOP_PAY，该协作价格信令COOP_PAY包括：信令类型指示MSG_T、D_ID(该非授权网络节点的ID)、S_ID(授权网络发送节点的ID)和C_i，其中，C_i为该非授权网络节点的最优价格值。

其中，协作价格信令COOP_PAY格式如表5所示：

MSG_T

D_ID

S_ID

Ci

表5

206、授权网络的发送节点接收到协作价格信令COOP_PAY之后，计算各个中继节点的接入信道时间，广播协作接入信令COOP_ACC，该协作接入信令COOP_ACC包括：信令类型指示MSG_T，授权网络的发送节点ID(S_ID)、中继节点ID(CID_i)及该中继节点的接入信道时间Time_i，其中，各中继节点的接入顺序与协作接入信令COOP_ACC中的排列顺序相同。

授权网络的发送节点根据如下公式确定各中继节点的接入信道时间：

$t_i=(1-\mathrm{\α})c_i/{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k{c}_j$

其中，协作接入信令COOP_ACC如表6所示：

MSG_T

S_ID

CID1

Time1

CID2

Time2

....

CIDn

Timen

表6

本发明实施例授权网络发送节点根据授权网络效用函数最大的原则，确定参数α值、β值和S，然后广播α值、β值、S中非授权网络节点的信息，作为中继的非授权网络节点根据α值和S中非授权网络节点的信息，按照非授权网络节点的效用函数值最大的原则，确定自己的最优价格值，这样授权网络和非授权网络就能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络节点接入。由于非授权网络节点为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益。

参阅图5，本发明另一实施例提供一种协同通信方法，该实施例与前一个实施例的区别在于：该实施例由授权网络的发送节点计算各中继节点的最优价格值和接入信道时间。该实施例提供的协同通信方法具体包括：

步骤501-步骤503与步骤201-步骤203相同，在此不再赘述。

步骤504、授权网络的发送节点根据授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和S，根据各中继节点效用函数最大的原则，然后根据公式(9)确定各中继节点的最优价格值C_i，根据公式(12)确定各中继节点的接入信道时间，广播协作接入信令COOP_ACC，该协作接入信令COOP_ACC包括：信令类型指示MSG_T，授权网络的发送节点ID(S_ID)，中继节点ID(CID_i)及该中继节点的接入信道时间Time_i和最优价格值C_i。

该步骤中的协作接入信令COOP_ACC的格式如表7所示：

MSG_T

S_ID

CID1

Time1

C1

CID2

Time2

C2

..

CIDn

Timen

Cn

表7

本发明实施例授权网络发送节点根据授权网络效用函数最大的原则，确定参数α值、β值和S，按照非授权网络节点的效用函数值最大的原则，确定各中继节点的最优价格值，这样授权网络和非授权网络就能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络节点接入。由于非授权网络节点为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益。

如下举实例进行说明，假设授权网络的发送节点PT和授权网络的接收节点PR之间的距离为1，非授权网络节点分布在与PT距离为d，与PR距离为1-d的位置，(0＜d＜1)，考虑路径损耗模型，假设PT到PR的平均路径衰落E|h_P|²＝1，那么中继节点的路径损耗衰落为E|h_PS，i|²＝1/d^η，E|h_SP，i|²＝1/(1-d)^η，η＝4。假设非授权网络每个链路的路径衰落为E|h_S，i|²＝0.8，授权网络的发送节点以功率P_P进行发送，平均信噪比SNR＝P_P/N₀＝10。其余参数设定为w_p＝0.3，w_s＝0.15，α＝1，R₀＝3.6，c＝0.1，K＝6。图6所示为最优的参数α^*，β^*与归一化距离d之间的关系，当d增加时，PT的发送速率下降，RT的协作通信速率上升，所以发送一定量的数据，第一子帧增长而第二子帧缩短，因而β^*会增加，由于协作速率上升，α^*也会增加。

图7和图8示出了各种不同的策略下效用函数在不同归一化距离d和中继个数k下的仿真结果。U_P为授权网络节点使用非授权网络节点作中继进行协作通信的最优策略下的效用值，U₀为α＝0时的效用函数，即授权网络节点将所有频谱租借给非授权网络节点，而不传输自己的数据。U_d为使用直接传输时的效用函输，即授权网络节点不使用非授权网络节点作为中继，而进行直接传输。仿真结果显示，授权网络使用中继最优策略与直接传输相比可以获得150％的增益，这个增益来自于中继节点的引入；与租借频谱相比可获得30％的增益，这些增益来自于通过激励机制和信令交换，合理的选择了传输参数，从而在数据传输与租赁频谱之间取得最优的折中。当中继节点的个数增加时，U_P和U₀都会增加，这是因为中继节点的个数越多，空间和用户分级带来的增益越大，对于系统性能的提升越大。

参阅图9，本发明另一实施例提供一种协作通信方法，该方法中授权网络和非授权网络都是蜂窝网络，该方法具体包括：

901、授权网络的接入点PAP获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

具体的，所述PAP接收授权网络节点PU_i发送的协助请求信令，所述协助请求信令包括主用户设备PU_i的流量需求，根据所述协助请求信令，获得授权网络节点发送的数据到本地时的接收信噪比η_P，i；

接收非授权网络节点发送的协助回复信令，所述协助回复信令中携带授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij，根据所述协助回复信令，获得非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j。

902、所述PAP根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值；

然后PAP根据所述单位频谱价格值，获得所述授权网络节点的频谱接入时间α值；并获得β值，所述β值为授权网络节点将数据广播给PAP和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；发送α值、β值和单位频谱价格值，使所述授权网络节点能够根据α值、β值进行协同通信。

其中，授权网络效用函数表示为第五函数与第六函数之和，所述第五函数表示为w_p与授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；第六函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和；

所述非授权网络效用函数为第七函数减去第八函数的差，所述第七函数表示为w_s与所有非授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，w_s是传输速率在非授权网络效用函数中的加权值；所述第八函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和。

具体的，授权网络效用函数为：

U_P＝ω_P(1-e^-Qλ)+cΓ_s

其中，Q为满意度曲线的陡峭程度，λ是授权网络节点的满意指数；Γ_s为所有非授权网络节点的频谱接入时间；

具体的，非授权网络效用函数为：

$U_s\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\ω}}_s{\left({\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)R_{s,j}\right)}^b-{\mathrm{c\γ}}_j\left(c\right)\}$

其中，b表示满意度曲线的陡峭程度；为所有非授权网络节点的频谱接入时间。

其中，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值的具体过程包括：

利用所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络节点效用函数值最大时所得到的频谱接入时间函数

得到γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式；

根据授权网络节点发送的数据到本地时的接收信噪比η_P，i、授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij和非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j，得到授权网络节点的满意指数λ关于α_i的函数式；

根据γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式、λ关于α_i的函数式、授权网络节点和非授权网络节点的匹配关系，按照授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格。

本发明实施例根据授权网络和非授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格值，以便根据单位频谱价格值能够得到α_i、β_ij和r_j值，这样授权网络和非授权网络能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

为了使本发明上述实施例提供的技术方案更加清楚明白，请参阅图10，如下实施例将对协助通信方法进行详细介绍：

1001、授权网络节点广播协作请求信令COOP_REQ，该协作请求信令COOP_REQ包括：信令类型指示MSG_T，P_ID_i，R_{T，P_IDi}。

其中，P_ID_i为第i个授权网络节点的ID，R_{T，P_ID}为该授权网络节点的流量需求。

该步骤中的协作请求信令COOP_REQ的格式如表8所示：

MSG_T

P_IDi

RT，P_IDi

表8

1002、非授权网络节点根据协作请求信令COOP_REQ测量得到各授权网络节点到其间的信道状况，广播协作回复信令COOP_REP，该协作回复信令COOP_REP包括：信令类型指示MSG_T，S_ID，P_ID_i，η_{p，P_IDi，S_ID}。

其中，S_ID为非授权网络节点的ID；P_ID_i为第i个授权网络节点的ID，η_{p，P_IDi，S_ID}为第i个授权网络节点发送的信号在非授权网络节点的接收信噪比。

该步骤中的协作回复信令COOP_REP的格式如表9所示：

MSG_T

S_ID

P_IDi

ηp，P_IDi，S_ID

表9

1003、非授权网络的接入点SAP根据协作回复信令COOP_REP测量得到各非授权网络节点到其间的信道状况，计算参数A，发送授权回复信令SAT_REQ，该授权回复信令SAT_REQ包括：MSG_T，SAP_ID，参数A和b。

其中，授权回复信令SAT_REQ的格式如表10所示：

MSG_T

SAP_ID

参数A

参数b

表10

其中，SAP_ID为SAP的ID；b表示满意度曲线的陡峭程度，是系统给定参数，b的取值在0和1之间。参数A为非授权网络节点传输速率的相关参数，具体见如下描述：

如下先对非授权网络效用函数做介绍：

非授权网络效用函数为第七函数减去第八函数的差，所述第七函数表示为w_s与所有非授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，w_s是传输速率在非授权网络效用函数中的加权值(也可以称为非授权网络节点对速率的单位满意度对总收益的贡献值，是系统给定的参数)；所述第八函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和，具体参见公式(13)。

$U_s={\mathrm{\ω}}_s\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{s,j}-c{\mathrm{\Γ}}_s---\left(13\right)$

其中，u_s，j是非授权网络节点SU_j对传输速率的满意度函数，其定义为：

u_s，j＝(γ_jR_s，j)^b           (14)

其中，b表示满意度曲线的陡峭程度，是系统给定参数，b的取值在0和1之间。其中，R_s，j为非授权网络节点SU_j的传输速率。

由于给定授权网络的单位频谱价格c，非授权网络可以确定需要购买的频谱接入时间Γ_s ^*使得自己的效用最大。因此Γ_s ^*是关于价格c的函数，记为Γ_s ^*(c)，该函数也被称为非授权网络的最佳响应函数。

非授权网络需要购买的频谱是所有非授权网络节点的频谱需求的总和，即：

${\mathrm{\Γ}}_s\left(c\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)---\left(15\right)$ 由非授权网络的效用函数的定义可得：

$U_s\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\ω}}_s{\left({\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)R_{s,j}\right)}^b-{\mathrm{c\γ}}_j\left(c\right)\}---\left(16\right)$

由分析可知，该非授权网络的效用函数关于各个非授权网络节点的频谱需求是独立的，因此，可以分别求得每个非授权网络节点的最佳响应函数γ_j ^*(c)。当给定价格c时，非授权网络的效用函数是关于γ_j的函数，其二阶导数小于零，是一个凸函数。因此，对上式关于γ_j求导，并令导数等于0可使非授权网络的效用函数最大，求得γ_j ^*(c)为：

${\mathrm{\γ}}_j^{*}\left(c\right)={\left({\mathrm{b\ω}}_s{R}_{s,j}^b\right)}^{\frac{1}{1-b}}{C}^{\frac{1}{b-1}}---\left(17\right)$

由此可得非授权网络的最佳响应函数为：

${\mathrm{\Γ}}_s^{*}\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j^{*}\left(c\right)={\mathrm{Ac}}^{\frac{1}{b-1}}---\left(18\right)$

其中，

$A={\left[{\mathrm{b\ω}}_s\right]}^{\frac{1}{1-b}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\left(R_{s,j}\right)}^{\frac{b}{1-b}}---\left(19\right)$

相应地，若给定频谱价格c，将式(18)和(19)代入公式(13)可得非授权网络效用函数最大时的表达式为：

$U_s^{*}\left(c\right)=\frac{A(1-b)}{b}{c}^{\frac{b}{b-1}}---\left(20\right)$

其中，R_s，j为非授权网络节点SU_j的传输速率，由下式可得：

R_s，j＝log₂(1+η_s，j)                       (21)

其中η_s，j为非授权网络节点SU_j发送的信号在SAP的接收信噪比，其中，η_s，j可以表示非授权网络节点SU_j到SAP间的信道状况。

该步骤具体是根据非授权网络节点SU_j到SAP间的信道状况，利用公式(21)和公式(19)，求出参数A。

1004、PAP从协助回复信令COOP_REP中获得η_{p，P_IDi，S_ID}，并根据协助回复信令COOP_REP测量得到各个非授权网络节点到PAP间的信道状况，根据协助请求信令COOP_REQ测量得到授权网络节点到PAP间的信道状况，根据以上信息及参数A和b，得到单位频谱价格值c、授权网络节点的频谱接入时间α_i、授权网络节点i向中继节点j发送数据的时间占授权网络节点的频谱接入时间的比值β_ij，广播协作决定信令COOP_DEC，该协作决定信令COOP_DEC中包括：MSG_T，匹配的授权网络节点ID(P_ID_i)和非授权网络节点ID(S_ID_j)、频谱接入开始时刻Time、授权网络节点的频谱接入时间α_i、授权网络节点i向中继节点j发送数据的时间占授权网络节点的频谱接入时间的比值β_ij和单位频谱价格值c。

其中，协作决定信令COOP_DEC的格式如表11所示：

MSG_T

P_IDi

S_IDj

Time

αj

βij

c

表11

为了更清楚明白的说明本步骤是如何得到单位频谱价格值c的，如下先对授权网络的效用函数做介绍：

授权网络的效用函数表示为第五函数与第六函数之和，所述第五函数表示为w_p与授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；第六函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和。

U_p＝ω_pU_d+U_T                   (22)

其中，ω_p是授权网络节点对传输速率的单位满意度对总收益的贡献值，是系统给定的参数。ω_p越大，授权网络节点的满意度在授权网络的效用函数中的权重越大。U_T是非授权网络向授权网络支付的频谱费用。U_d是授权网络节点对各自的传输速率的满意度函数。为给出U_d的具体形式，先根据比例公平的原则，引入授权网络节点的满意指数λ定义如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\α}}_i{R}_{p,i}^{*}}{R_{T,i}}---\left(23\right)$

其中，R_T，i是授权网络节点PU_i的流量需求，R_p，i ^*为授权网络节点PU_i直接传输或者是利用中继节点协同传输的速率。若为直接传输，则

R_p，i＝log₂(1+η_p，i)                 (24)

其中η_p，i是授权网络节点PU_i发送的信号在PAP的接收信噪比。

若采用中继传输模式，假定非授权网络节点SU_j为授权网络节点PU_i的中继节点，则在第一个子帧长α_iβ_ij的时间内，授权网络节点PU_i向非授权网络节点SU_j发送数据，其最大速率为：

R_ps，ij＝log₂(1+η_p，ij)              (25)

其中，η_p，ij是授权网络节点PU_i发送的信号在非授权网络节点SU_j的接收信噪比。

在第二个子帧长α_i(1-β_ij)的时间内，非授权网络节点SU_j和授权网络节点PU_i联合向PAP发送数据，其最大速率为：

R_sp，ij＝log₂(1+η_p，i+η_sp，j)       (26)

其中η_sp，j为非授权网络节点SU_j发送的信号在PAP的接收信噪比。

则非授权网络节点SU_j作为授权网络节点PU_i的中继时，授权网络节点PU_i能达到的最大传输速率为：

R_p，ij＝min{β_ijR_ps，ij，(1-β_ij)R_sp，ij}           (27)

显然在α_iβ_ij和α_i(1-β_ij)这两段时间传输的数据量相等时，系统最优，因此有

β_ijR_ps,ij＝(1-β_ij)R_sp，ij          (28)

则有

$R_{p,\mathrm{ij}}=\frac{R_{\mathrm{ps},\mathrm{ij}}{R}_{\mathrm{sp},\mathrm{ij}}}{R_{\mathrm{ps},\mathrm{ij}}+R_{\mathrm{sp},\mathrm{ij}}}---\left(29\right)$

因此，可定义授权网络节点对各自的传输速率的满意度函数U_d如下：

U_d＝1-e^-Qλ                           (30)

其中Q为满意度曲线的陡峭程度，Q是系统预定参数，其大于零。

因此，授权网络的效用函数为：

U_P＝ω_P(1-e^-Qλ)+cΓ_s                  (31)

使用反向递推法，将非授权网络的最佳响应函数代入授权网络的效用函数，为使自己的效用最大化，需求解如下最优问题：

$\underset{c,\mathrm{\λ}}{\max }{\mathrm{\ω}}_P(1-e^{-\mathrm{Q\λ}})+c{\mathrm{\Γ}}_s^{*}\left(c\right)---\left(32\right)$

当协同通信时，需满足如下约束条件：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_j\≤1;$

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;$

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;---\left(33\right)$

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}+d_i=1;$

m_ij，d_i∈{0，1}，1≤i≤K_p，1≤j≤K_s.

其中，第一个约束是使得所有授权网络节点和非授权网络节点分得的频谱接入时间的总和不超过帧长度；第二个约束使得每个授权网络节点至多有一个非授权网络节点为其做中继，因为一个中继已足够实现协同的满分集，其中m_ij＝1意味着非授权网络节点SU_j为授权网络节点PU_i做中继，反之，若m_ij＝0，则非授权网络节点SU_j和授权网络节点PU_i不存在中继关系；第三个约束使得每个非授权网络节点SU_j至多为一个授权网络节点PU_i做中继，因为终端设备多由电池供电，若某个非授权网络节点SU_j为多个授权网络节点PU_i做中继，则可能没有足够的能量传输自己的数据，从公平的角度考虑，要求每个非授权网络节点SU_j为不超过一个授权网络节点PU_i做中继；第四个约束是授权网络节点PU_i要么采用直接传输模式(d_i＝1)，要么采用协同中继模式传输数据(d_i＝0)。

由前述主要用户的满意因子λ的定义可得：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\α}}_i\left\{\frac{d_i{R}_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}{R}_{p,\mathrm{ij}}}{R_{T,i}}\right\}---\left(34\right)$

将公式(34)进一步简化，具体如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\frac{R_{T,i}}{d_i{R}_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}{R}_{p,\mathrm{ij}}}}$

$=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_i\left(\frac{R_{T,i}}{d_i{R}_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}{R}_{p,\mathrm{ij}}}\right)}$

$=\frac{1-{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_j}{{\mathrm{\Σ}}_i\left(\frac{R_{T,i}}{R_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}[R_{p,\mathrm{ij}}-R_{p,i}]}\right)}$

$=\frac{1-{\mathrm{Ac}}^{\frac{1}{b-1}}}{S_R}$

将上式代入公式(32)、(33)，进一步化简可得：

$\underset{c,M}{\max }{\mathrm{\ω}}_P(1-\exp \{\frac{-Q(1-{\mathrm{Ac}}^{\frac{1}{b-1}})}{S_R}\left\}\right)+A{c}^{\frac{1}{b-j}}$

$s.t.\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;---\left(35\right)$

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;$

c≥A^1-b；

其中，

$S_R\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{R_{T,i}}{R_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}[R_{p,\mathrm{ij}}-R_{p,i}]}---\left(36\right)$

上述优化问题可以分解为中继选择和最优定价两个子问题。通过求解中继选择问题，得到最优的S_R ^*，再代入公式(35)，再通过求解最优定价问题得到最终的单位频谱价格值c，使得授权网络的效用最大。

1)、如下描述如何进行中继选择：

中继选择要解决如下优化问题

$\underset{M}{\min }{S}_R$

$s.t.\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;$

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ij}}\≤1;---\left(37\right)$

m_ij∈{0，1}.

该问题可转化为二部图最小费用问题，并采用匈牙利算法在多项式时间内得到最优解，即得到授权网络节点和非授权网络节点的中继匹配关系

将中继选择问题转化为二部图最小费用问题前需做初始化，先将主要用户和次要用户分别一一映射到两个集合

和

中的顶点上。这从集合U中的每个顶点到集合V中的每个顶点都有一条边相连，其中顶点U_i到顶点v_j的边的权重为

1≤i≤K_p，参见图11，再向集合V中增加K_p个顶点(如图11中第二列的实心圆)，代表虚拟节点。集合U中的每个顶点与集合V中标识自己的虚拟节点连接(如点划线所示)，其权重为

标识其他顶点的虚拟节点与这个顶点相连的边(如虚线所示)，其权重为W(W为预设的一个极大的值)。同理，再向集合U中增加K_s个顶点(如图11中第二列的空心圆)，代表虚拟节点。则该二部图最小费用问题为从上述二部图中找到这样的(K_p+K_s)条边，集合U中任意一个顶点都连接到集合V中唯一的一个顶点，反之亦然，使得这些边的权重之和最小，该问题可用匈牙利算法求解。

2)、如下描述最优定价问题

当得到最优的中继匹配结果之后，将得到的最优的S_R ^*，再代入公式(35)，得到如下：

$\underset{c}{\max }{\mathrm{\ω}}_p(1-\exp \{\frac{-Q(1-A{c}^{\frac{1}{b-1}})}{S_R^{*}}\left\}\right)+{\mathrm{Ac}}^{\frac{b}{b-1}}---\left(38\right)$

s.t.c≥A^1-b.

将公式(18)代入公式(38)，可将上述优化问题转化为：

$\underset{{\mathrm{\Γ}}_s^{*}}{\max }{\mathrm{\ω}}_p(1-\exp \{\frac{-Q(1-{\mathrm{\Γ}}_s^{*})}{S_R^{*}}\left\}\right)+\frac{{\mathrm{\Γ}}_R^{*b}}{A^{b-1}}---\left(39\right)$

$s.t.0\≤{\mathrm{\Γ}}_s^{*}\≤1$

将上述函数关于Γ_s ^*求导，并令导数等于0，可得

${\mathrm{\Γ}}_s^{*}=\exp \{-\mathrm{Iambert\ω}(-\frac{{\mathrm{Qe}}^{-B}}{(b-1)S_R^{*}})-B\}---\left(40\right)$

其中，

$B=\frac{1}{(b-1)}(\frac{Q}{S_R^{*}}-\ln \left(\frac{{\mathrm{\α\ω}}_p}{{\mathrm{bS}}_R^{*}}\right))-\ln A---\left(41\right)$

由约束条件可得，

${\widehat{\mathrm{\Γ}}}_s=\min \{{\mathrm{\Γ}}_s^t,1\}---\left(42\right)$

则最优的单位频谱价格c^*为：

$c^{*}={\mathrm{\Γ}}_s^{*-1}\left({\widehat{\mathrm{\Γ}}}_s\right)={\left(\frac{{\widehat{\mathrm{\Γ}}}_a}{A}\right)}^{b-1}---\left(43\right)$

该步骤中PAP根据公式(43)得到单位频谱价格c^*，然后PAP将公式(42)代入公式(35)，可得授权网络节点的满意指数λ^*：

${\mathrm{\λ}}^{*}=\frac{1-{\widehat{\mathrm{\Γ}}}_s}{S_R^{*}}---\left(44\right)$

将公式(44)代入公式(34)，可得授权网络节点PU_i获得的频谱接入时间为

${\mathrm{\α}}_i^{*}=\frac{(1-{\widehat{\mathrm{\Γ}}}_s)R_{T,i}}{S_R^{*}[R_{p,i}+{\mathrm{\Σ}}_j{m}_{\mathrm{ij}}^{*}(R_{p,\mathrm{ij}}-R_{p,i})]}---\left(45\right)$

然后PAP根据公式(28)求出β_ij。

1005、SAP接收协作决定信令COOP_DEC，根据其中的单位频谱价格值c和公式(17)，获得各个非授权网络节点SU_j获得的频谱接入时间γ_j，广播频谱分配结果信令RA_DEC，其中，频谱分配结果信令RA_DEC包括：MSG_T，S_ID_j，Time_j和γ_j。

其中，频谱分配结果信令RA_DEC结构如表12所示：

MSG_T

S_IDj

Timej

γj

表12

本发明实施例根据授权网络和非授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格值，以便根据单位频谱价格值能够得到α_i、β_ij和r_j值，这样授权网络和非授权网络能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

为了更清楚的说明本发明上述实施例达到的有益效果，请参见图12A、图12B、图13A和图13B。假设授权网络有10个节点，均匀分布在以PAP为圆心，半径为100m的圆形区域内，非授权网络节点均匀分布在以SAP为圆心，半径为70m的圆形区域内，PAP和SAP的距离为20m。授权网络节点和非授权网络节点的发射功率都为0.01w，背景噪声的功率为10^-10w。考虑阴影衰落为对数分布的信道，路径衰落因子为4，阴影衰落的均值为0dB，方差为1dB。其他参数的值分别为：a＝6，b＝0.8，ω_p＝150，ω_s＝10。授权网络节点的流量需求表示为

其中

为频谱接入时间平均分配给授权网络节点时每个授权网络节点的平均速率，τ为流量因子，τ越大，表示授权网络节点的流量需求越大。将本发明提出的考虑协同通信的频谱租赁机制记做CSL，将仅考虑频谱租赁的机制记做NCSL，而不考虑频谱租赁，所有的频谱接入时间都分给授权网络节点的机制记做NSL。

图12A和图12B分别反映了授权网络和非授权网络的效用函数和非授权网络节点数量的关系，授权网络节点的流量因子τ＝0.8。由图可知，授权网络和非授权网络的效用都随着非授权网络节点数量的增加而增加。而且仅频谱租赁NCSL时，授权网络和非授权网络的效用都比没有频谱租赁的NSL要好。当考虑到协同通信时，即本发明提出的CSL机制，和仅进行频谱租赁的NCSL相比，授权网络和非授权网络都有额外的收益。因此，双方都有激励来做考虑协同通信的频谱租赁。而且随着非授权网络节点数目的增加，协同通信带来的收益也增加，这是因为可供选择的中继节点的个数越多，空间和用户分级带来的增益越大，对于系统性能的提升越大。

图13A和图13B分别反映了授权网络和非授权网络的效用和授权网络节点的流量需求的关系。非授权网络节点的数目为10个。由图可知，随着授权网络节点的流量需求增加，授权网络和非授权网络的效用都会下降，但是本发明提出的考虑协同通信的频谱租赁机制CSL仍然是最优的。而授权网络节点的流量需求越大，授权网络从协作通信中带来的收益也越大，因为当授权网络节点的流量需求较大时，同样的传输速率的增加给授权网络带来的满意度的增加也越大。

参阅图14，本发明提供一种授权网络节点PT，其包括：

获取单元1401，用于获取本地到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和本地到PR之间的信道状况信息；

计算单元1402，用于根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息和本地到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息；

其中，授权网络节点效用函数表示为第一函数和第二函数的和，所述第一函数表示为w_p与所述PT对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；所述第二函数表示为作为中继节点的各非授权网络节点应付的频谱价格之和；

所述非授权网络效用函数为第三函数减去第四函数的和，所述第三函数表示为w_s与非授权网络节点能达到的数据传输速率的乘积，w_s是数据传输速率在非授权网络效用函数中的加权值；所述第四函数表示为所述非授权网络节点应付的频谱价格。

该节点还包括：

收发单元1403，用于发送协助请求信令，接收非授权网络节点i发送的协助回复信令，所述协助回复信令包括：所述PT到非授权网络节点i间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；接收所述PR发送的授权回复信令，所述授权回复信令中携带每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点；

所述获取单元1402，用于从所述协助回复信令中获取所述PT到非授权网络节点i间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；从所述授权回复信令中获取每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点；根据所述授权回复信令估计出PT到PR之间的信道增益h_P。

具体的，其中，授权网络效用函数U_P为：

$U_P=\mathrm{\ωp}{U}_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{c}_i,$

其中， $U_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)=\frac{1}{1+e-Q^{(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},s)\·R_0)}}$

其中，R₀为所述PT的流量需求，Q表示满意度曲线的陡峭程度，其中，S为各作为中继节点的非授权网络节点的集合；

其中，第i个非授权网络节点的效用函数u_i为：

$u_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-a)c_i{R}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}-c_i,$

其中，c_i为第i个非授权网络节点应付的频谱价格；

表示为所有作为中继节点的非授权网络节点的应付的频谱价格之和；R_i为第i个非授权网络节点的传输速率。

具体的，计算单元包括：

第一计算子单元，用于根据非授权网络节点的发送功率P_S，i和及其通信链路的信道增益h_S，i确定非授权网络节点的传输速率R_i；根据所述PT到非授权网络节点间的信道增益h_PS，i和PT的发射功率，获得PT向中继节点和所述PR广播数据时的速率R_PS(S)；根据非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，j、PT的发射功率、非授权网络节点的发送功率P_S，i和PT到PR之间的信道增益h_P，得到协作通信时的速率R_SP(S)；根据R_PS(S)、R_SP(S)及R_P(α，β，S)＝min{αβR_PS(S)，α(1-β)R_SP(S))，获得R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式；

第二计算子单元，用于将R_i代入根据非授权网络效用函数最大的原则得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数：

得到c_i关于α和S的函数式；

第三计算子单元，用于根据R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式、c_i关于α和S的函数式及授权网络效用函数U_P，得到α值、β值和S中的节点信息。

该节点还包括：

价格计算单元1404，用于利用所述α值、各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息和依据非授权网络效用函数最大的原则所得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数

确定各作为中继节点的非授权网络节点的最优价格值；

非授权网络节点接入时间计算单元1405，用于根据所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间；

收发单元1403，用于广播各作为中继节点的非授权网络节点的标识、最优价格值及其接入信道的时间。

本发明实施例根据授权网络效用函数最大的原则，确定参数α值、β值和S，以便根据α值和S，按照非授权网络节点的效用函数值最大的原则，确定S中各个非授权网络节点的最优价格值，这样授权网络和非授权网络就能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

参阅图15，本发明实施例提供一种一种接入点PAP，包括：

获取单元1501，用于获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

计算单元1502，用于根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值；

其中，授权网络效用函数表示为第五函数与第六函数之和，所述第五函数表示为w_p与授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，其中，w_p是单位传输速率满意度对总收益的贡献值；第六函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和；

所述非授权网络效用函数为第七函数减去第八函数的差，所述第七函数表示为w_s与所有非授权网络节点对传输速率的满意度的乘积，w_s是传输速率在非授权网络效用函数中的加权值；所述第八函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和。

还包括：

收发单元1503，用于接收授权网络节点PU_i发送的协助请求信令，所述协助请求信令包括授权网络节点PU_i的流量需求；接收非授权网络节点发送的协助回复信令，所述协助回复信令中携带授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij；

所述获取单元1502，用于从协助请求信令中获取所述授权网络节点PU_i的流量需求，根据所述协助请求信令，获得授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_P，i；从所述协助回复信令中获取授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij；并根据所述协助回复信令，获得非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j。

具体的，授权网络效用函数为：

U_P＝ω_P(1-e^-Qλ)+cΓ_s

其中，Q为满意度曲线的陡峭程度，λ是授权网络节点的满意指数；Γ_s为所有非授权网络节点的频谱接入时间；

非授权网络效用函数为：

$U_s\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\ω}}_s{\left({\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)R_{s,j}\right)}^b-{\mathrm{c\γ}}_j\left(c\right)\}$

其中，b表示满意度曲线的陡峭程度；

为所有非授权网络节点的频谱接入时间，其中，R_S，j为非授权网络节点SU_j的传输速率。

具体的，计算单元1502包括：

第一计算子单元，用于利用所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络节点效用函数值最大时所得到的频谱接入时间函数

得到γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式；

第二计算子单元，用于根据授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_{P， i}、授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij和非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j，得到授权网络节点的满意指数λ关于α_i的函数式；

第三计算子单元，用于根据γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式、λ关于α_i的函数式、授权网络节点和非授权网络节点的匹配关系，按照授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格。

本发明实施例根据授权网络和非授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格值，以便根据单位频谱价格值能够得到α_i、β_ij和r_j值，这样授权网络和非授权网络能协作通信，提高授权网络节点的数据传输速率，降低了数据传输时延，同时节省下的时间能够供非授权网络接入。由于非授权网络为其占用的频带资源向授权网络付费，这样授权网络就能够获得最好的网络性能和收益，授权网络和非授权网络达到了双赢。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，例如只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的协作通信方法、装置及网络系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (22)

1.一种协同通信方法，其特征在于，包括：

授权网络的发送节点PT获取自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和PT到PR之间的信道状况信息；

所述PT根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息和PT到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息；

根据所确定的α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，进行协同通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

其中，授权网络节点效用函数表示为第一函数和第二函数的和，所述第一函数表示所述PT对传输速率的满意度，所述第二函数表示为作为中继节点的各非授权网络节点应付的频谱价格之和；

所述非授权网络效用函数为第三函数减去第四函数的差，所述第三函数表示非授权网络节点能达到的数据传输速率，所述第四函数表示为所述非授权网络节点应付的频谱价格。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述PT获取自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息包括：

所述PT发送协助请求信令，接收非授权网络节点i发送的协助回复信令，所述协助回复信令包括：所述PT到非授权网络节点I间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；

所述PT接收所述PR发送的授权回复信令，所述授权回复信令中携带每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点；

所述PT根据所述授权回复信令估计出PT到PR之间的信道增益h_P。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

其中，授权网络效用函数U_P为：

$U_P={\mathrm{\ω}}_P{U}_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{c}_i,$

其中， $U_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)=\frac{1}{1+e-Q^{(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)-R_0)}}$

其中，R₀为所述PT的流量需求，Q表示满意度曲线的陡峭程度，其中，S为各作为中继节点的非授权网络节点的集合，其中，R_{P(α，β，S)}为通过中继节点进行通信的速率；

其中，第i个非授权网络节点的效用函数u_i为：

$u_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-\mathrm{\α})c_i{R}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}-c_i,$

其中，c_i为第i个非授权网络节点应付的频谱价格；

表示为所有作为中继节点的非授权网络节点的应付的频谱价格之和；R_i为第i个非授权网络节点的传输速率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息包括：

根据非授权网络节点的发送功率P_S，i和非授权网络节点通信链路的信道增益h_S，i确定非授权网络节点的传输速率R_i；

将R_i和非授权网络节点i的最优价格策略函数c_i，得到c_i关于α和S的函数式；

根据所述PT到非授权网络节点间的信道增益h_PS，i、PT的发射功率、非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i、非授权网络节点的发送功率P_S，i和PT到PR之间的信道增益h_P，获得R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式；

根据R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式、c_i关于α和S的函数式及授权网络效用函数U_P，得到α值、β值和S中的节点信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述PT向非授权网络节点发送所述α、所述β和作为中继节点的非授权网络节点信息，使非授权网络节点根据作为中继节点的非授权网络节点的标识确定自己为中继节点时，利用所述α值和各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络效用函数最大的原则得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数，确定自己的最优价格值，将所确定的最优价格值发送给PT。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述PT根据各作为中继节点的非授权网络节点所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间，广播各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述PT利用所述α值、各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息和依据非授权网络效用函数最大的原则所得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数，确定各作为中继节点的非授权网络节点的最优价格值；

根据所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间，广播各作为中继节点的非授权网络节点的标识、最优价格值及其接入信道的时间。

9.一种协同通信方法，其特征在于，包括：

授权网络的接入点PAP获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

所述PAP根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值；

根据所述单位频谱价格值，获得所述授权网络节点的频谱接入时间α值；并获得β值，所述β值为授权网络节点将数据广播给PAP和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；

发送α值、β值和单位频谱价格值，使所述授权网络节点能够根据α值、β值进行协同通信。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

其中，授权网络效用函数表示为第五函数与第六函数之和，所述第五函数表示授权网络节点对传输速率的满意度，第六函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和；

所述非授权网络效用函数为第七函数减去第八函数的差，所述第七函数表示所有非授权网络节点对传输速率的满意度，所述第八函数表示为所有非授权网络节点的频谱接入时间与单位频谱价格乘积的和。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述PAP获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、和非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息包括：

所述PAP接收授权网络节点PU_i发送的协助请求信令，所述协助请求信令包括授权网络节点PU_i的流量需求，根据所述协助请求信令，获得授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_P，i；

接收非授权网络节点发送的协助回复信令，所述协助回复信令中携带授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij，根据所述协助回复信令，获得非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

授权网络效用函数为：

U_P＝ω_P(1-e^-Qλ)+cΓ_s

其中，Q为满意度曲线的陡峭程度，λ是授权网络节点的满意指数；Γ_s为所有非授权网络节点的频谱接入时间；

非授权网络效用函数为：

$U_s\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\ω}}_s{\left({\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)R_{s,j}\right)}^b-{\mathrm{c\γ}}_j\left(c\right)\}$

其中，b表示满意度曲线的陡峭程度；

为所有非授权网络节点的频谱接入时间，其中，R_S，j为非授权网络节点SU_j的传输速率。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，

所述按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值包括：

利用所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络节点效用函数值最大时所得到的频谱接入时间函数

得到γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式；

根据授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_P，i、授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij和非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j，得到授权网络节点的满意指数λ关于α_i的函数式；

根据γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式、λ关于α_i的函数式、授权网络节点和非授权网络节点的匹配关系，按照授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格。

14.一种授权网络节点PT，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取本地到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到授权网络的接收节点PR间的信道状况信息，和本地到PR之间的信道状况信息；

计算单元，用于根据自己到各非授权网络节点间的信道状况信息、各非授权网络节点通信链路的信道状况信息、各非授权网络节点的发送功率、各非授权网络节点到所述PR间的信道状况信息和本地到PR之间的信道状况信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，确定α值、β值和作为中继节点的非授权网络节点信息，其中，α为所述PT的数据传输时间；β为所述PT将数据广播给PR和作为中继节点的非授权网络节点的时间占所述α的比值；作为中继节点的非授权网络节点信息包括：作为中继节点的非授权网络节点的标识，及各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息。

15.根据权利要求14所述的节点，其特征在于，该节点还包括：

收发单元，用于发送协助请求信令，接收非授权网络节点i发送的协助回复信令，所述协助回复信令包括：所述PT到非授权网络节点i间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；接收所述PR发送的授权回复信令，所述授权回复信令中携带每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点；

所述获取单元，用于从所述协助回复信令中获取所述PT到非授权网络节点i间的信道增益h_PS，i、非授权网络节点i通信链路的信道增益h_S，i和非授权网络节点i的发送功率P_S，i；从所述授权回复信令中获取每个非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i，其中，i表示第i个非授权网络节点；根据所述授权回复信令估计出PT到PR之间的信道增益h_P。

16.根据权利要求15所述的节点，其特征在于，

其中，授权网络效用函数U_P为：

$U_P={\mathrm{\ω}}_P{U}_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{c}_i,$

其中， $U_R\left(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)\right)=\frac{1}{1+e-Q^{(R_P(\mathrm{\α},\mathrm{\β},S)-R_0)}}$

其中，R₀为所述PT的流量需求，Q表示满意度曲线的陡峭程度，其中，S为各作为中继节点的非授权网络节点的集合；

其中，第i个非授权网络节点的效用函数u_i为：

$u_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_s(1-\mathrm{\α})c_i{R}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{c}_j}-c_i,$

其中，c_i为第i个非授权网络节点应付的频谱价格；

表示为所有作为中继节点的非授权网络节点的应付的频谱价格之和；R_i为第i个非授权网络节点的传输速率。

17.根据权利要求16所述的节点，其特征在于，

计算单元包括：

第一计算子单元，用于根据非授权网络节点的发送功率P_S，i和及其通信链路的信道增益h_S，i确定非授权网络节点的传输速率R_i；根据所述PT到非授权网络节点间的信道增益h_PS，i和PT的发射功率，获得PT向中继节点和所述PR广播数据时的速率R_PS(S)；根据非授权网络节点到所述PR的信道增益h_SP，i、PT的发射功率、非授权网络节点的发送功率P_S，i和PT到PR之间的信道增益h_P，得到协作通信时的速率R_SP(S)；根据R_PS(S)和R_SP(S)，获得R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式；

第二计算子单元，用于根据R_i和非授权网络节点i的最优价格策略函数c_i，得到c_i关于α和S的函数式；

第三计算子单元，用于根据R_P(α，β，S)关于α，β，S的函数式、c_i关于α和S的函数式及授权网络效用函数U_P，得到α值、β值和S中的节点信息。

18.根据权利要求14或者17所述的节点，其特征在于，

价格计算单元，用于利用所述α值、各作为中继节点的非授权网络节点的传输速率的相关信息和依据非授权网络效用函数最大的原则所得到的非授权网络节点i的最优价格策略函数，确定各作为中继节点的非授权网络节点的最优价格值；

非授权网络节点接入时间计算单元，用于根据所确定的最优价格值，确定各作为中继节点的非授权网络节点接入信道的时间；

收发单元，用于广播各作为中继节点的非授权网络节点的标识、最优价格值及其接入信道的时间。

19.一种接入点PAP，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到所述PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息；

计算单元，用于根据授权网络节点的流量需求、所述授权网络节点到本地间的信道状况信息、授权网络节点到非授权网络节点间的信道状况信息、非授权网络节点到PAP间的信道状况信息和所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，按照授权网络效用函数值最大的原则和非授权网络效用函数值最大的原则，得到单位频谱价格值。

20.根据权利要求19所述的接入点，其特征在于，还包括：

收发单元，用于接收授权网络节点PU_i发送的协助请求信令，所述协助请求信令包括授权网络节点PU_i的流量需求；接收非授权网络节点发送的协助回复信令，所述协助回复信令中携带授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij；

所述获取单元，用于从协助请求信令中获取所述授权网络节点PUi的流量需求，根据所述协助请求信令，获得授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_P，i；从所述协助回复信令中获取授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij；并根据所述协助回复信令，获得非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j。

21.根据权利要求20所述的接入点，其特征在于，

授权网络效用函数为：

U_P＝ω_P(1-e^-Qλ)+cΓ_s

其中，Q为满意度曲线的陡峭程度，λ是授权网络节点的满意指数；Γ_s为所有非授权网络节点的频谱接入时间；

非授权网络效用函数为：

$U_s\left(c\right)=\underset{j=1}{\overset{K_s}{\mathrm{\Σ}}}\{{\mathrm{\ω}}_s{\left({\mathrm{\γ}}_j\left(c\right)R_{s,j}\right)}^b-{\mathrm{c\γ}}_j\left(c\right)\}$

其中，b表示满意度曲线的陡峭程度；

为所有非授权网络节点的频谱接入时间，其中，R_S，j为非授权网络节点SU_j的传输速率。

22.根据权利要求21所述的接入点，其特征在于，

所述计算单元包括：

第一计算子单元，用于利用所有非授权网络节点的传输速率的相关信息，根据非授权网络节点效用函数值最大时所得到的频谱接入时间函数

得到γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式；

第二计算子单元，用于根据授权网络节点发送的信号到本地时的接收信噪比η_P，i、授权网络节点发送的信号到非授权网络节点时的接收信噪比η_P，ij和非授权网络节点发送的信号到PAP时的接收信噪比η_SP，j，得到授权网络节点的满意指数λ关于α_i的函数式；

第三计算子单元，用于根据γ_j ^*(c)关于单位频谱价格c的函数式、λ关于α_i的函数式、授权网络节点和非授权网络节点的匹配关系，按照授权网络效用函数值最大的原则，确定单位频谱价格。

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