CN102307355A - 基于无线协作通信的频谱租赁方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线协作通信的频谱租赁方法，所述无线协作通信包含主用户发射机及其对应的主用户接收机，次级用户发射机及其对应的次级用户接收机，其中主用户将自身的一部分频谱资源以价格p租赁给次级用户，次级用户的发射机为主用户提供协作传输以作为回报。本发明所提供的方法运算简单，易于扩展。

Description

基于无线协作通信的频谱租赁方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是基于协作通信机制的频谱租赁的技术领域。

背景技术

频谱产权(property rights)是实现自由化频谱管理，动态频谱接入的潜力方法，也是频谱改革的方向之一。根据频谱产权模型，拥有频谱授权的主用户(授权用户)可以通过租赁的形式把部分频谱转让给次级用户(非授权用户)，以换取适当的利益。频谱租赁(spectrum leasing)属于频谱交易。主用户和次级用户通过次级频谱市场(secondary spectrum market)进行交易。

频谱产权模型中，如何能够使有限的频谱资源得到最大价值的利用，经济和市场机制将起到重要的作用。从直观理解和理论上来说，该模型具有很好的价值和不错的发展前景。但是频谱资源的一些特殊性(比如电磁的空间传播没有确界)，使得定义一个明晰可执行的频谱产权比较困难。另外，频谱产权模型的实现涉及到法规问题，之间缺乏明确的定价模式。目前针对频谱产权的研究主要从两个方面展开：一是从实际出发，考虑在现实中定义、实施和管理频谱产权；二是建立一定的模型框架，通过分析主用户和次级用户在次级频谱市场中的行为，研究和评价各种定价机制的效能，用于指导主用户的定价策略和次级用户的出价策略。

Simeone在其论文《Spectrum leasing to cooperating secondary ad hocnetworks》中提出了基于协作通信机制的频谱租赁，其基本思想是：主用户把频谱租赁给次级用户，作为回报，次级用户帮助主用户进行协作传输，提高主用户的链路质量。然而该框架不是基于定价机制的，频谱和协作之间的交换比较复杂，存在集中运算、信道反馈开销大和可扩展性差的问题。

本发明提出了一种基于无线协作通信的频谱租赁方法，该方法不涉及货币操作，并且运算简单，易于扩展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线协作通信的频谱租赁方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

所述无线协作通信包含主用户发射机及其对应的主用户接收机，次级用户发射机及其对应的次级用户接收机，其中主用户将自身的一部分频谱资源以价格p租赁给次级用户，次级用户的发射机为主用户提供协作传输以作为回报，所述方法具体包括以下步骤：

步骤11、将主用户所占有的频段划分为时间长度为T的帧结构，将该时间长度T进一步划分为T₁，T₂，T₃三个时隙；

步骤12、在T₁时隙，主用户发射机将信号发送给主用户接收机和次级用户发射机；

步骤13、在T₂时隙次级用户发射机将接收到的信号放大并转发给主用户接收机；

步骤14、在T₃时隙，次级用户发射机在其租赁的主用户的频谱资源上将信号发送给次级用户接收机；

其中，T₃为次级用户租赁的频谱资源，

进一步地，所述价格p可以是指次级用户租赁单位频谱资源时为主用户提供的功率，其中频谱资源以时间表示，价格p的单位为瓦特/秒。

进一步地，所述次级用户发射机可以根据效用函数U_r(p，t)和价格p来确定需要租赁的频谱资源T₃(p)；

进一步地，所述主用户发射机可以调整价格p的值以使得效用函数U_s(p，T₃)取得最大值。

进一步地，所述主用户发射机调整价格p的值以使得效用函数U_s(p，T₃)取得最大值具体可以为：

步骤21、在初始时刻，p＝0，T₃＝0，主用户发射机进行直接传输，即在整个时隙T主用户发射机将信号发送给主用户接收机，此时主用户的效用函数的值为U_s(p，t)＝U_dir；

步骤22、主用户发射机发布初始价格p＝Δp，其中Δp为价格调整步长；

步骤23、次级用户发射机根据效用函数U_r(p，t)和价格p来确定需要租赁的频谱资源，记作T₃(p)，即T₃＝T₃(p)，并为主用户提供与T₃相对应的协作通信；

步骤24、主用户更新自身的效用函数U_s(p，T₃)，如果U_s(p，T₃)＞U_s(p-Δp，T₃)成立，即主用户的效用函数的值有所增加，则执行步骤25，如果不成立，则执行步骤26；

步骤25、主用户将价格提升Δp，即p＝p+Δp，返回步骤23；

步骤26、主用户确定最优价格为p＝p-Δp，次级用户确定其购买的时隙为T₃＝T₃(p-Δp)。

附图说明

图1是本发明的无线协作通信的系统框架图。

图2是本发明的主用户发射机调整价格p的流程图。

具体实施方式

本发明的系统模型如图1所示，主用户发射机PT(Primary Transmitter，简写为s)与其接收机PR(Primary Receiver，简写为d)通信。主用户所占有的频段被划分为时间长度为T的帧结构，而每一帧又按照时分的方式划分成若干时隙。在下面的分析过程中，假定时隙足够小，因此每帧可以当做连续的时间进行任意比例的划分。

在同样的频段上，次级用户发射机ST(Secondary Transmitter，简写为r)和接收机SR(Secondary Receiver)寻求可能的传输机会。主用户租赁部分时隙给次级用户使用，并由此来换取次级用户的协作，从而提高自身链路的服务质量。不失一般性，我们采用放大转发(AF)作为协作方式。具体来说，主用户将决定使用所有时隙进行直接传输，或者选择让次级用户进行协作。如果选择进行协作，则主用户发布每单位时隙的价格p，然后次级用户根据发布的价格决定需要购买的时隙数量。假定r购买的时隙为t。

那么在第一个阶段，s将数据广播发送给r和d；第二个阶段r放大并转发接收到的信号给d；最后一个阶段，r允许在其购买的时隙t上进行传输(从ST至SR)。

本发明提出了一种全新的价格定义，即以“功率/单位频谱”作为价格p的单位(由于这里频谱资源是以时间表示，因此价格单位为w/s)。接下来，采用了卖家/买家(斯塔克尔伯格)博弈框架对主用户和次级用户之间的博弈进行建模，并给出主用户和次级用户各自的优化问题表示。下面是问题描述中用到的符号表示：用P_s表示s的发射功率，P_r，d表示r给d的发射功率。假定G_x，y表示从x到y的信道增益x＝s or r，y＝r or d，各接收机噪声功率认为相同且用σ²表示。次级用户购买的时隙由t表示。

首先，将次级用户r建模为买家，其目标为获得最多的收益。收益是由使用购买的信道获得的利益减去协作引起的代价得到，当价格主用户发布价格为p时，r的效用函数由下式给出：

U_r(p，t)＝b(t)-c(p，t)    (1)

其中，b(t)是利益函数，c(p，t)是代价函数。利益函数可由b(t)＝αt表示，α是利益因子，表示了单位频谱带来的利益，利益是由使用所购买的频谱产生，因此α直接反映了r的频谱使用效率。代价则来源于协作中继时的能量消耗，因此代价函数可由下式表示：

$c(p,t)=\mathrm{\β}\frac{T-t}{2}{P}_{r,d}---\left(2\right)$

其中，β是代价因子，表示了r单位能量消耗所对应的代价。

根据价格的定义，可以知道

P_r，d＝pt    (3)

根据上面的分析，U_r(p，t)可以表达为

$U_r(p,t)=\mathrm{\αt}-\mathrm{\β}\frac{(T-t)}{2}\mathrm{pt}---\left(4\right)$

次级用户r或者说买家的优化问题为

$\underset{t\≥0}{\max }{U}_r(p,t)---\left(5\right)$

由式(4)可知，次级用户的优化问题和主用户之间只通过价格p相关，当价格p确定时，次级用户可以通过最大化自身的

来确定需要购买的时隙t，记作t(p)。我们不需要关心主用户发射机到次级用户和次级用户到主用户接收机之间的信道增益，由此也就避免了测量开销。

其次，将主用户s建模为卖家，其目标是最大化自身的效用(以信噪比为变量的函数)。当s选择进行直接传输时，s的效用可以表示为

U_dir＝Γ_s，d    (6)

其中，Γ_s，d＝P_sG_s，d/σ²是s到d的信噪比。

当选择进行协作传输时，s的效用可以表示为

$U_{\mathrm{coop}}(p,T_3)=({\mathrm{\Γ}}_{s,d}+{\mathrm{\Γ}}_{s,r,d})(1-\frac{T_3}{T})/2---\left(7\right)$

其中，Γ_s，r，d是经由r进行协作后s到d的信噪比，可以表示为：

${\mathrm{\Γ}}_{s,r,d}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{s,r}{\mathrm{\Γ}}_{r,d}}{{\mathrm{\Γ}}_{s,r}+{\mathrm{\Γ}}_{r,d}+1}---\left(8\right)$

其中，Γ_s，r＝P_sG_s，r/σ²和Γ_r，d＝P_r，dG_r，d/σ²分别表示s到r和r到d的信噪比。

根据式(3)，可是将式(8)改写为

${\mathrm{\Γ}}_{s,r,d}=\frac{\mathrm{pt}{P}_s{G}_{s,r}{G}_{r,d}}{{\mathrm{\σ}}^2(P_s{G}_{s,r}+\mathrm{pt}{G}_{r,d}+1)}---\left(9\right)$

至此，s的效用U_s(p，t)可以归纳为

主用户s或者说卖家的优化问题如下：

$\underset{p\≥0}{\max }{U}_s(p,t)---\left(11\right)$

本发明的频谱租赁方法具体描述如下：

如图1所示，无线协作网络中包含主用户发射机及其对应的主用户接收机，次级用户发射机及其对应的次级用户接收机，其中主用户将自身的一部分频谱资源以价格p租赁给次级用户，次级用户的发射机为主用户提供协作传输以作为回报。

步骤11、将主用户所占有的频段划分为时间长度为T的帧结构，将该时间长度T进一步划分为T₁，T₂，T₃三个时隙。

步骤12、在T₁时隙，主用户发射机将信号发送给主用户接收机和次级用户发射机；

步骤13、在T₂时隙次级用户发射机将接收到的信号放大并转发给主用户接收机；

步骤14、在T₃时隙，次级用户发射机在其租赁的主用户的频谱资源上将信号发送给次级用户接收机。

其中， $T_1=T_2=\frac{T-T_3}{2}.$

此外，根据本发明的价格定义，在上述博弈模型的基础上，主用户还可以通过不断的价格调整来最大化自身的效用函数，则价格调整过程如图2所示，具体为：

步骤21、在初始时刻，p＝0，T₃＝0，主用户发射机进行直接传输，即在整个时隙T主用户发射机将信号发送给主用户接收机，此时主用户的效用函数的值为U_s(p，t)＝U_dir；

步骤22、主用户发射机发布初始价格p＝Δp，其中Δp为价格调整步长；

步骤23、次级用户发射机根据效用函数U_r(p，t)和价格p来确定需要租赁的频谱资源，记作T₃(p)，即T₃＝T₃(p)，并为主用户提供与T₃相对应的协作通信；

步骤24、主用户更新自身的效用函数U_s(p，T₃)，如果U_s(p，T₃)＞U_s(p-Δp，T₃)成立，即主用户的效用函数的值有所增加，则执行步骤25，如果不成立，则执行步骤26；

步骤25、主用户将价格提升Δp，即p＝p+Δp，返回步骤23；

步骤26、主用户确定最优价格为p＝p-Δp，次级用户确定其购买的时隙为T₃＝T₃(p-Δp)。

Claims (5)

1.一种基于无线协作通信的频谱租赁方法，其特征在于：

所述无线协作通信包含主用户发射机及其对应的主用户接收机，次级用户发射机及其对应的次级用户接收机，其中主用户将自身的一部分频谱资源以价格p租赁给次级用户，次级用户的发射机为主用户提供协作传输以作为回报，所述方法具体包括以下步骤：

步骤11、将主用户所占有的频段划分为时间长度为T的帧结构，将该时间长度T进一步划分为T₁，T₂，T₃三个时隙；

步骤12、在T₁时隙，主用户发射机将信号发送给主用户接收机和次级用户发射机；

步骤13、在T₂时隙次级用户发射机将接收到的信号放大并转发给主用户接收机；

步骤14、在T₃时隙，次级用户发射机在其租赁的主用户的频谱资源上将信号发送给次级用户接收机；

其中，T₃为次级用户租赁的频谱资源，

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述价格p是指次级用户租赁单位频谱资源时为主用户提供的功率，其中频谱资源以时间表示，价格p的单位为瓦特/秒。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，次级用户发射机根据效用函数U_r(p，t)和价格p来确定需要租赁的频谱资源T₃(p)，T₃(p)为使U_r(p，t)取最大值的t；

$U_r(p,t)=\mathrm{\αt}-\mathrm{\β}\frac{(T-t)}{2}\mathrm{pt},$

其中，α是利益因子，表示了次级用户租赁单位频谱资源带来的利益，β是代价因子，表示了次级用户消耗单位功率所对应的代价。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，主用户发射机调整价格p的值以使得效用函数U_s(p，T₃)取得最大值；

其中， $U_{\mathrm{dir}}=\frac{P_s{G}_{s,d}}{{\mathrm{\σ}}^2},$ $U_{\mathrm{coop}}(p,T_3)=(\frac{P_s{G}_{s,d}}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{p{T}_3{P}_s{G}_{s,r}{G}_{r,d}}{{\mathrm{\σ}}^2(P_s{G}_{s,r}+p{T}_3{G}_{r,d}+1)})(1-\frac{T_3}{T})/2;$

其中，P_s表示主用户发射机的发射功率，G_s，d表示主用户发射机到主用户接收机的信道增益，G_s，r表示主用户发射机到次级用户发射机的信道增益，G_r，d表示次级用户发射机到主用户接收机的信道增益，σ²表示接收机的噪声功率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述主用户发射机调整价格p的值以使得效用函数U_s(p，T₃)取得最大值具体为：

步骤21、在初始时刻，p＝0，T₃＝0，主用户发射机进行直接传输，即在整个时隙T主用户发射机将信号发送给主用户接收机，此时主用户的效用函数的值为U_s(p，t)＝U_dir；

步骤22、主用户发射机发布初始价格p＝Δp，其中Δp为价格调整步长；

步骤23、次级用户发射机根据效用函数U_r(p，t)和价格p来确定需要租赁的频谱资源，记作T₃(p)，即T₃＝T₃(p)，并为主用户提供与T₃相对应的协作通信；

步骤24、主用户更新自身的效用函数U_s(p，T₃)，如果U_s(p，T₃)＞U_s(p-Δp，T₃)成立，即主用户的效用函数的值有所增加，则执行步骤25，如果不成立，则执行步骤26；

步骤25、主用户将价格提升Δp，即p＝p+Δp，返回步骤23；

步骤26、主用户确定最优价格为p＝p-Δp，次级用户确定其购买的时隙为T₃＝T₃(p-Δp)。

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