CN104618914B - 一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法 - Google Patents
一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法，结合基于市场驱动的频谱合约机制特点，建立授权用户PU和非授权用户SU模型；考虑到合约双方通信的自私性和个人理性的约束，提出频谱合约框架以权衡双方的利益，从而建立对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型；针对网络信息的非对称性，在合约设计过程中分析了各种行动隐匿情况下的道德风险问题，建立PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，通过设置合同参数来激励交易双方的行动，在实现利益双赢的同时，保证网络通信性能的优化和频谱资源的共享。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统和认知无线电网络技术领域，涉及一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展和无线业务需求的日益增大，无线频谱资源日趋匮乏，这一问题已成为制约无线网络发展的主要瓶颈。认知无线电技术通过智能感知空闲频谱、自适应动态接入可用频带等方式，有效地解决无线频谱资源匮乏和频谱利用率低下的矛盾，成为无线通信最为热点的研究领域之一。作为认知无线网络中新兴技术，协作频谱共享能够充分利用授权用户(Primary Users，PU)和非授权用户(Secondary Users，SU)之间、或SU之间相互合作所带来的分集增益，有效地提高系统的频谱利用率，成为该领域内具有重要研究价值的一项新课题。
协作频谱共享机制的创建和应用的关键在于如何建立准确的协作频谱共享模型，这通常需要尽可能完备的网络信息。然而，在实际的认知网络和协作无线网络中，普遍存在着非对称网络信息现象，即因占有无线频谱资源的优先级不同、所处网络环境位置的不同、能力的差别等因素导致PU和SU所获得的网络信息是不一致的，使得建立具有高准确性和可扩展性的无线频谱资源协作共享模型相当困难。为此，针对非对称性网络信息的频谱共享技术研究正得到越来越多研究者的关注。然而，目前协作频谱共享建模的研究较少关注协作双方存在的私有行动等非对称性网络信息，使得模型不够准确；并且，大多研究只考虑到某种特定非对称网络信息情况下的建模，使得模型的适应性和可扩展性较差。这些问题的存在，致使当前所建模型较难满足实际应用所需的准确性和可扩展性要求。如何解决上述问题已成为协作频谱共享技术所面临的极大挑战。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法，其特征在于：结合基于市场驱动的频谱合约机制特点，建立授权用户PU和非授权用户SU模型；考虑到合约双方通信的自私性和个人理性的约束，提出频谱合约框架以权衡双方的利益，从而建立对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型；针对网络信息的非对称性，在合约设计过程中分析了各种行为隐匿情况下的道德风险问题，建立PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险问题模型、PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，通过设置合约参数来激励双方参与协作频谱共享的行为，在实现利益双赢的同时，保证网络通信性能的优化和频谱资源的共享。
作为优选，所述的建立授权用户PU和非授权用户SU模型，其具体过程为：假设网络信息环境中存在M个PU和N个SU，那么，每一个PU和若干个SU均会形成关于协作频谱共享的合约文件，而每一个SU只允许被一个PU雇用，即参与一个频谱合约，在分布式协作频谱共享合约机制中，考虑到上述合约关系，通过引入SUj和PUi的选择矩阵以描述多SU参与频谱共享的签约方式，其中，表示第j个SU与第i个PU建立合约关系，表示第j个SU与第i个PU没有建立合约关系，由于每个SUj只能被一个PU所雇用，因此，选择矩阵的约束条件可表示为：
且
假设各个SUj付出的努力程度为各个SUj所获得的回报为各个SUj选择合约条款后所获得的期望效用可表示为PUi所获得的效用可表示为故整个网络环境中所有PU的效用之和为：
上左半式中，为矢量W第i行第j列的元素，为矢量E第i行第j列的元素，为矢量Θ第i行第j列的元素。
作为优选，所述的对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型，其具体过程为：由于PU和SU通信的自私性，PU和SU的目标是相冲突的，因此，为了PU雇用的SU有意愿接受合约条款，PU需要确保每个SU所获期望效用是积极的(大于等于零)，即协作频谱共享合约需满足个人理性(Individual Rationality,IR)约束：
为使所有PU的效用最大化，协作频谱共享合约机制的系统模型建立为：
作为优选，所述的PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为可测及SU行为隐匿情况下，PU为委托人，SU为代理人，SU存在道德风险问题，考虑评价结果可观测的情况，PU收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保SU获得积极的期望效用，IC约束确保SU获得期望效用的最大化。
作为优选，所述的PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为隐匿及SU行为可测情况下，SU为委托人，PU为代理人，PU存在道德风险问题，考虑评价结果发生隐匿的情况，SU收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保PU获得积极的期望效用，IC约束确保PU获得期望效用的最大化。
作为优选，所述的PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下，整个通信链路作为虚拟委托人，PU和SU均为代理人，存在双向道德风险问题；考虑评价结果可以观测的情况，通信链路收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保PU和SU获得积极的期望效用，IC约束确保PU和SU获得期望效用的最大化。
有益效果为：本发明提出了一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法。该方法针对网络信息的非对称性，在合约设计过程中探讨了各种行为隐匿情况下的道德风险建模问题，在实现利益双赢的同时，保证网络通信性能的优化和频谱资源的共享。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例假设无线协作网络是一个劳动力市场。其中，PU是雇主(授权用户)，拥有有限的无线频谱资源；SU是雇员(非授权用户)，可提供中继服务。在基于频谱合约机制中，PU作为主动缔约方，向雇员SU提供由一系列合约条款组成的频谱合约，合约条款包括SU付出的努力(如中继服务)和PU给予的回报(如频谱接入机会)等；如SU接受合约则付出其规定的努力；PU在获得合约结果的同时向SU支付一定报酬。协作频谱共享机制的性能主要取决于协作中继协议。PU利用SU作为协作中继，通过两方协作，在PU容量提升的同时，PU也将一部分频谱资源释放给SU作为酬谢。
本发明结合基于市场驱动的频谱合约机制特点，建立授权用户PU和非授权用户SU模型；考虑到合约双方通信的自私性和个人理性的约束，提出频谱合约框架以权衡双方的利益，从而建立对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型；针对网络信息的非对称性，在合约设计过程中分析了各种行为隐匿情况下的道德风险问题，建立PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，通过设置合约参数来激励双方参与协作频谱共享的行为，在实现利益双赢的同时，保证网络通信性能的优化和频谱资源的共享。
(1)、PU和SU模型。
假设网络信息环境中存在M个PU和N个SU，那么，每一个PU和若干个SU均会形成关于协作频谱共享的合约文件，而每一个SU只允许被一个PU雇用，即参与一个频谱合约。在分布式协作频谱共享合约机制中，考虑到上述合约关系，通过引入SUj和PUi的选择矩阵以描述多SU参与频谱共享的签约方式，其中，表示第j个SU与第i个PU建立合约关系，表示第j个SU与第i个PU没有建立合约关系。由于每个SUj只能被一个PU所雇用，因此，选择矩阵的约束条件可表示为：
且
假设各个SUj付出的努力程度为各个SUj所获得的回报为各个SUj选择合约条款后所获得的期望效用可表示为PUi所获得的效用可表示为故整个网络环境中所有PU的效用之和为：
上式左半式中，为矢量W第i行第j列的元素，为矢量E第i行第j列的元素，为矢量Θ第i行第j列的元素。
(2)、多用户协作频谱共享合约模型。
由于PU和SU通信的自私性，PU和SU的目标是相冲突的。因此，为了PU雇用的SU有意愿接受合约条款，PU需要确保每个SU所获期望效用是积极的(大于等于零)，即协作频谱共享合约需满足个人理性(Individual Rationality,IR)约束。
为使所有PU的效用最大化，协作频谱共享合约机制的系统模型可建立为：
(3)、PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型
在这种情况下，PU为委托人，SU为代理人，SU存在道德风险问题。考虑评价结果可观测的情况，PU收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保SU获得积极的期望效用，IC约束确保SU获得期望效用的最大化。
(4)、PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型
在这种情况下，SU为委托人，PU为代理人，PU存在道德风险问题。考虑评价结果发生隐匿的情况，SU收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保PU获得积极的期望效用，IC约束确保PU获得期望效用的最大化。
(5)、PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型
在这种情况下，整个通信链路作为虚拟委托人，PU和SU均为代理人，存在双向道德风险问题。考虑评价结果可以观测的情况，通信链路收益最大化问题可表示为：
其中，IR约束确保PU和SU获得积极的期望效用，IC约束确保PU和SU获得期望效用的最大化。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种基于频谱合约的多用户协作频谱共享方法，其特征在于：建立授权用户PU和非授权用户SU模型；建立对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型；针对网络信息的非对称性，建立PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型、PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型；
所述对称网络信息含义为：网络信息对PU和SU来说都是已知的；
所述非对称网络信息含义为：PU不知道SU的网络信息，SU不知道PU的网络信息；
所述行为可测含义为：当一方借助辅助手段，能观测到另一方的行为时，称另一方行为可测；
所述行为隐匿含义为：当一方无法获得另一方的行为时，称另一方行为隐匿；
所述的建立授权用户PU和非授权用户SU模型，其具体过程为：设网络信息环境中存在M个PU和N个SU，那么，每一个PU和若干个SU均会形成关于协作频谱共享的合约文件，而每一个SU只允许被一个PU所雇用，在基于市场驱动的频谱合约机制中，考虑到上述合约关系，通过引入SUj和PUi的选择矩阵以描述多SU参与频谱共享的签约方式，其中，表示第j个SU与第i个PU建立合约关系，表示第j个SU与第i个PU没有建立合约关系，由于每个SUj只能被一个PU所雇用，因此，选择矩阵的约束条件表示为：
且
设各个SUj付出的努力程度为各个SUj所获得的回报为各个SUj所获得的期望效用表示为PUi所获得的效用表示为故整个网络环境中所有PU的效用之和为：
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其中，为矢量W第i行第j列的元素，为矢量E第i行第j列的元素，为矢量Θ第i行第j列的元素；
所述的对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约模型，其具体过程为：由于PU和SU通信的自私性，PU和SU的目标是相冲突的，因此，为了PU雇用的SU有意愿接受合约条款，PU需要确保每个SU所获期望效用是大于等于零的，即协作频谱共享合约需满足个人理性IR约束：
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为使所有PU的效用最大化，协作频谱共享合约机制的系统模型建立为：
所述的PU行为可测及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为可测及SU行为隐匿情况下，PU为委托人，SU为代理人，SU存在道德风险问题，PU收益最大化问题表示为：
其中，IR约束确保SU从合约中得到的期望效用不能小于不接受合约的期望效用，IC约束确保SU获得期望效用的最大化；
所述的PU行为隐匿及SU行为可测情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为隐匿及SU行为可测情况下，SU为委托人，PU为代理人，PU存在道德风险问题，SU收益最大化问题表示为：
其中，IR约束确保PU从合约中得到的期望效用不能小于不接受合约的期望效用，IC约束确保PU获得期望效用的最大化；
所述的PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下的道德风险模型，其具体过程为：在PU行为隐匿及SU行为隐匿情况下，整个通信链路作为虚拟委托人，PU和SU均为代理人，存在双向道德风险问题；通信链路收益最大化问题表示为：
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