CN105873076B - 一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，首先拍卖控制中心收集主用户拥有的频谱信息及认知用户竞标频谱的投标信息；然后拍卖控制中心初始化频谱组合拍卖的二分图；接着拍卖控制中心对组合频谱拍卖执行胜者决策算法决定获得分配的认知用户；最后拍卖控制中心计算频谱拍卖收入，并发送消息给认知用户进行通告。本发明克服目前多频谱拥有者多认知用户竞拍者存在的认知无线电网络频谱组合拍卖性能和公平性不足的问题，有效地提升频谱拍卖收入，且能保障分配频谱给更多的认知用户，保证频谱拍卖的合理性和真实性。

Description

一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法

技术领域

本发明涉及认知无线电网络领域，特别是一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法。

背景技术

认知无线电技术是下一代无线通信系统重要侯选技术，频谱分配是认知无线电网络物理层的关键技术，频谱分配的目标是满足认知网络中移动用户通信带宽需求并保障通信的服务质量。拍卖机制是实现频谱分配高效利用的有效手段，通过设计合理的拍卖机制保证频谱拍卖的合理性和真实性，进而使得频谱资源的使用效用最大化。

现有的多拍卖人多竞拍人的频谱拍卖方法中假设网络中存在M＝{1,2,…m}个主用户频谱拥有者和N＝{1,2,…n}个认知用户频谱竞拍者，主用户i∈M拥带的信道数量和对应信道带宽分别用c_i和b_i来表示，则主用户的信道数量向量和信道带宽向量可分别表示为C＝(c₁,c₂,…c_m)和B＝(b₁,b₂,…b_m)。假设认知用户j∈N的满足通信的频谱需求和投标价格为p_j，认知用户j向主用户频谱拍卖者i请求的信道数量用w_ij表示且则认知用户向网络中所有主用户同一时刻竞拍的频谱数量向量用w_j＝(w_1j,w_2j,…w_mj)表示，认知用户频谱竞拍人的的投标组合为seb_j＝{d_j,p_j,W_j}。认知用户由于移动设备的特性原因假设不能同时获得两个及以上的主用户频谱，且主用户的分配给所有竞标的认知用户信道数量总和必须小于其拥有的信道数量。在上述定义的基础上频谱拍卖可以描述成最化大频谱拍卖收入的最优化模型，给出了一种对应的多项式近似算法求解频谱拍卖模型，该方法首先根据对认知用户进行排序，对认知用户根据c_ib_i进行升序进行排序。根据认知用户排序的顺序进行第一轮贪婪频谱分配，为改善贪婪分配的频谱拍卖收入，利用局部交换的思想对第一轮贪婪分配进行改进，该局部交换包括主用户频谱重排，认知用户的分配交换、认知用户的替换等三个过程。上述的胜者决策算法可使频谱拍卖达到次优的分配结果，拍卖过程中的获得频谱分配认知用户j实际支付为其阻塞的认知用户集合中的最大值乘认知用户j的带宽需求的平方根即该频谱分配方法获得了较高的频谱拍卖收入和社会福利，有效地提升买家满意度，实现频谱拍卖效率的高效利用。

申请号为2014104363803的中国专利公开了一种基于干扰信息的真实性动态双向频谱拍卖方法，该方法获取当前时刻参与竞拍当前频谱的竞拍者所要求的频谱占用时间；根据所述竞拍者所要求的频谱占用时间和竞拍者在当前时刻占有当前频谱的价值向量，计算得到竞拍者对应当前频谱的机会成本；将竞拍者所要求的频谱占用时间与对应的干扰折价相乘，若乘积大于所述竞拍者对应当前频谱的机会成本，则当前竞拍者取得竞拍当前频谱的资格；根据竞拍者的竞拍资格进行针对异质频谱的真实性双重拍卖，直至频谱拍卖成功。该发明将竞拍者之间的干扰信息加入竞拍考虑范围，可以有效的提高频谱利用率。

申请号为2010102778033的中国专利公开了一种认知无线电频谱分配方法，该方法包括：至少一个次要用户对至少一个频段分别进行频谱检测，然后把频谱检测的结果发送给超级节点；超级节点给发送来频谱检测结果的次要用户增加正比于正确检测数目的投标信用点数；超级节点把投标信用点数信息发送给次要用户，次要用户如果参与投标，则至少投出一个标，投标总额不超过该次要用户拥有的投标信用点数；次要用户把投标信息发送给超级节点；超级节点选出数目不超过可用频段的数目的标值最大的投标作为选中的标；超级节点把中标结果和可用频段分配信息发送给次要用户。

申请号为201410325198.0的中国专利公开了一种一种针对异质频谱的真实性双重拍卖方法，该方法将待拍卖的各段频谱排列；接收竞拍者提交的出价向量；创建竞拍结点和虚拟竞拍结点；判断所述频谱集和所述虚拟竞拍结点集是否均不为空，是则将排序最前的频谱从所述频谱集中取出，且为该频谱建立频谱干扰图，否则停止；寻找独立集；独立集内除最低出价的虚拟竞拍结点外所有虚拟竞拍结点均获得该段频谱，且独立集的组出价由获得者分摊。该发明中竞拍者提交的为出价向量，这可保证竞拍者可以对不同频谱出具不同的估价，以保证对单段频谱的估价更为合理；各段频谱均根据自身频率创建频谱干扰图，使得在保证非干扰者之间的绝对非干扰关系，又可使得频谱的复用率达到最大化。

现有的多拍卖人多竞拍人的频谱拍卖方法使用贪婪的方式获得进行频谱最优分配，由于进行分配时未从全局最优的情况进行考量，因此其获得的最优频谱分配结果离理论最优分配结果存在一定差距，且频谱拍卖过程中的买家满意度和如何给予买家的公平性分配方面存在提升的空间。

申请号为2014104363803的中国专利公开的基于干扰信息的真实性动态双向频谱拍卖方法，该方法使用的是动态双向拍卖机制，使用干扰信息可提高频谱利用率，但是该方法拍卖的社会福利和卖家满意度不是理论最优的，且双向拍卖模型的计算复杂度高，方法也没有考虑竞拍者之间的异构频谱需求。

申请号为201410325198.0的中国专利公开了一种一种针对异质频谱的真实性双重拍卖方法，该方法考虑各频谱的异质的情况分别对不同频谱进构建频谱干扰图进行拍卖，该方法通过独立集的先取进行拍卖，其并不能保证拍卖收入达到理论的最优值。该方法并没有考虑频谱竞拍者异构的需求性，使得其不能达到拍卖频谱在异构买家之间的公平性分配和买家满意度提升。

申请号为2010102778033的中国专利公开了一种认知无线电频谱分配方法，该方法通过超级节点收集频谱检测的结果并分配次用户投标信用，该方法没有考虑竞标用户的异构频谱需求，也没有考虑认知用户组合竞拍的场景，其提出的方法也并不能达到最优的频谱拍卖收入，较高的买家满意度和使得尽可能多的竞拍人获得频谱分配。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，克服目前多频谱拥有者多认知用户竞拍者存在的认知无线电网络频谱拍卖性能和公平性不足的问题，有效地提升频谱拍卖收入，且能保障分配频谱给更多的认知用户，保证频谱拍卖的合理性和真实性。

本发明采用以下方案实现：一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，包括以下步骤：

步骤S1：拍卖控制中心收集主用户拥有的频谱信息及认知用户竞标频谱的投标信息；

步骤S2：拍卖控制中心初始化频谱组合拍卖的二分图；

步骤S3：拍卖控制中心对频谱组合拍卖执行胜者决策算法决定获得分配的认知用户；

步骤S4：拍卖控制中心计算频谱拍卖收入，并发送消息给认知用户进行通告。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：认知无线电网络中所有主用户将可用频谱信息发送给拍卖控制中心，该可用频谱信息包括每一主用户频谱所包含的信道数量及其对应的信道带宽；所述信道数量用c_i表示，信道带宽用b_i，其中i∈{1,2,…m}，c_i为大于零的正整数，b_i为大于零的实数；

步骤S12：认知无线电网络中的所有认知用户从拍卖控制中心获得可用主用户频谱的信道数量和每个信道的带宽，认知用户j根据其带宽需求d_j计算其对所有主用户频谱的投标信道数量向量w_j＝(w_1j,w_2j,…,w_ij,…w_mj),其中w_ij为对认知用户j的带宽需求d_j除以主用户i的信道带宽值取整，认知用户对所有主用户频谱进行估价并表示为p_j,在此基础上认知用户发送投标信息给拍卖中心进行频谱竞拍；其中，w_ij的计算公式为：

进一步地，所述步骤S2具体为：拍卖控制中心根据收集的m个主用户和n个认知用户信息，构造一个加权二分图G＝(V,E)，其中二分图两个顶点子集分别对应主用户集合和认知用户集合。如果m＞n则,添加虚拟认知用户使主用户和认知用户数量一致，否则添加虚拟主用户使主用户和认知用户数量一致，构建二分图两个顶点子集合间的加权系数矩阵Weight[um][um]，其中um＝max(m,n)，Weight[i][j](i＝1,…um；j＝1,…um)计算公式为：

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤；

步骤S31：循环利用KM算法对构建的二分图求解其完美匹配，直到所有主用户都不能给任一认知用户分配频谱为止；循环过程中的每一次匹配后需调整匹配主用户的余量频谱并修改二分图的加权矩阵，得到一个新的二分图G'及加权矩阵Weight[][]'；

步骤S32：初始频谱分配后不同的主用户剩余的信道数量是不等的，因此在已完成的分配基础上对主用户频谱分配进行整合；首先根据主用户初始分配后剩余的带宽大小对所有主用户进行降序排序，在此基础上对已获得同一主用户频谱分配的认知用户集合，根据认知用户频谱需求值的大小对认知用户进行降序排序；

步骤S33：根据步骤S32的排序结果把剩余带宽最小的主用户分别按已排顺序和主用户i＝m-1,…,i,…2,1进行重新分配，每次重新分配后再对主用户集合按主用户的剩余带宽值进行降序排序，直到所有主用户间不能进行任何重新分配为止；

步骤S34：在步骤S33中得到的认知用户频谱分配结果基础上，对所有已获频谱分配的认知用户，逐一查找网络未获得频谱分配的认知用户集合投标累加值大于其投标值的集合，如果找到则用未分配的认知用户集合替换已分配的认知用户，从而获得更高的社会福利。

进一步地，步骤S33中，每一次主用户间重新分配的过程如下：比较主用户i中已分配给认知用户频谱最小值对应的认知用户k是否小于主用户i+1的剩余带宽值，如果比较值为真，则直接把主用户i中已分配给认知用户频谱最小值分配指针指到主用户i+1，否则查找满足主用户i中已分配给认知用户频谱最小值小于主用户i+1的剩余带宽值加上主用户i+1已分配认知用户l，找到后交换认知用户k和l的对应分配主用户，循环执行上述比较过程直到主用户编号i循环至m；主用户i重新分配后可获得更大的剩余带宽值，根据其剩余带宽值循环查找可分配的认知用户并实施重新分配，直到主用户i的剩余带宽值不能分配给认知用户为止。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：获得频谱分配的认知用户的实际支付值为乘以其阻塞未获分配的认知用户集合中的最大值，如果阻塞的集合为空，则实际支付值为零,同样地竞拍失败的认知用户的实际支付值也为零；

步骤S42：输出频谱分配向量，计算频谱拍卖收入，拍卖控制中心发送频谱分配结果给相应的认知用户，从而完成认知无线网络的频谱分配过程。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：针对现有没有考虑多主用户多认知用户的认知无线电网络频谱拍卖分配方法中社会福利和买家满意度不是最优，且计算复杂度高的问题，本发明提出的方法能获得更高的频谱拍卖收入，且考虑认知用户即竞拍者之间的异构频谱需求，且提出的方法获得更高的频谱拍卖收入，较高的买家满意度和使得尽可能多的竞拍人获得频谱分配。

针对现有的异构认知无线电网络频谱组合拍卖方法获得的拍卖收入和社会福利是次优的，且拍卖使得的买家满意度和频谱拍卖效率并没有达到高效利用的问题。本发明提出一种基于二分图的异构认知无线电网络频谱组合拍卖方法，通过全局信息获得频谱拍更优分配，可获得更高的频谱拍卖收入，更好的买家满意度并分配频谱给更多的认知用户，从而获得更好的频谱利用效率。

附图说明

图1为本发明的原理流程示意图。

图2为本发明的原理详细流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，利用二分图对多主用户和多异构认知用户的认知无线电网络的频谱拍卖问题进行建模，迭代循环利用KM算法对频谱拍卖二分图求解最大加权完美匹配直到主用户不能再分配为止，在上述分配的基础上对主用户中已分配的认知用户进行重新调整和替换，进而实现频谱拍卖收入和性能提升。方案的具体实施有下述三个主要步骤：频谱拍卖投标阶段、频谱拍卖胜者决策阶段、频谱拍卖结果计算及通告阶段。本实施例的具体流程图如2所示。

针对m个主用户和n个异构认知用户的认知无线电网络，网络中认知用户把其带宽需求d_j、频谱投标价格p_j、投标向量w_j＝(w_1j,w_2j,…,w_ij,…w_mj)等投标信息发送给网络拍卖控制器，其中p_j为大于零的实数，d_j为大于零的实数，j∈{1,2,…n}。

主用户发送其可用的信道数量c_i和每个信道带宽b_i给网络拍卖控制器，其中c_i是大于零的正整数，b_i为大于零的实数，i∈{1,2,…m}。

网络拍卖控制器收到主用户频谱拥有信息和认知用户竞拍频谱信息后，分别以主用户集合和认知用户集合为顶点子集构建加权二分图，如果主用户频谱大于认知用户带宽需求，则对应的主用户i和认知用户j加权系数为认知用户j的投标价格p_j，否则加权系数为零。由于主用户和认知用户数量不等，因此添加相应的虚拟主用户或虚拟认知用户使主用户和认知用户数量相等才能求解最大加权完美匹配，虚拟主用户和所有认知用户j间的顶点加权系数为零，添加虚拟认知用户和主用户间的加权系数也为零，从而得到频谱拍卖二分图初始加权矩阵Weight[][]。

网络拍卖控制器初始化所有认知用户的分配结果向量A，生成频谱拍卖认知用户投标价格向量p，认知用户投标矩阵w，主用户频谱信道数量向量c及主用户频谱信道带宽向量b。

第二阶段：频谱拍卖胜者决策阶段

通过迭代的方式应用KM算法对构建的频谱拍卖二分图求解其最大加权完美匹配，迭代过程中的每一次求解后会得到新的频谱分配向量A'，并根据得到的分配结果更新主用户容量，并将不能分配认知用户频谱的主用户设为不活跃，从而得到新的二分图G'及其加权矩阵Weight[][]'，迭代的终止条件所有主用户都不能给任一认知分配频谱。上述迭代过程后获得频谱拍卖的初始分配。

初始分配后主用户虽然不能再进行频谱的分配但主用户还仍有剩余的频谱带宽，因此可对主用户的频谱进行整合进而实施二次频谱优化分配。在进行二次优化分配前对主用户按其剩余带宽大小进行降序排序，而对已分配频谱主用户中的认知用户，则根据其已分配的认知用户频谱大小进行降序排序。

根据排序结果把剩余带宽最小的主用户m分别按顺序和主用户i＝m-1,…,i,…2,1进行频谱的二次重新分配，每次重新分配完成后再把按主用户的剩余带宽值进行降序排序，直到所有主用户间不能进行任何重新分配为止。每一次主用户间重新分配的过程如下：比较主用户i中已分配给认知用户频谱最小值对应的认知用户k是否小于主用户i+1的剩余带宽值，如果比较值为真则直接把主用户i中已分配给认知用户频谱最小值分配指针指到主用户i+1，否则则查找满足主用户i中已分配给认知用户频谱最小值小于主用户i+1的剩余带宽值加上主用户i+1已分配认知用户l，找到后交换认知用户k和l的对应分配主用户，循环执行上述比较过程直到主用户编号i至m。主用户i重新分配后可获得更大的剩余带宽值，根据其剩余带宽值循环查找可分配的认知用户并实施重新分配，直到主用户i的剩余带宽值不能分配给认知用户为止。

在二次重新优化分配得到的认知用户频谱分配结果基础上，为提升认频谱拍卖的社会福利z，对已获频谱分配的认知用户j，逐一查找网络中未获得频谱分配的认知用户集合投标累加值∑p_u大于p_j，如果找到则用该认知用户集合替换认知用户j，从而获得更高的社会福利。

第三阶段：频谱拍卖结果计算及通告阶段

通过频谱拍卖胜者决策阶段得到认知用户频谱分配向量A，频谱拍卖社会福利z，根据频谱分配向量计算获得频谱分配的认知用户实际支付值，其计算的表达式为乘以被其阻塞未获分配的集合中的最大值，如果阻塞的集合为空，则实际支付值为零,同样地竞拍失败的认知用户的实际支付值也为零，上述支付值为保证频谱拍卖的合理性及真实性。

网络拍卖中心把认知用户频谱分配向量和拍卖实际支付值广播发送给网络中的认知用户，认知用户收到广播消息后完成支付并获得频谱分配，从而完成认知无线网络的频谱拍卖和实际的分配，认知无线电网络频谱拍卖结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：拍卖控制中心收集主用户拥有的频谱信息及认知用户竞标频谱的投标信息；

步骤S2：拍卖控制中心初始化频谱组合拍卖的二分图；

步骤S3：拍卖控制中心对频谱组合拍卖执行胜者决策算法决定获得分配的认知用户；

步骤S4：拍卖控制中心计算频谱拍卖收入，并发送消息给认知用户进行通告；

其中，所述步骤S2具体为：拍卖控制中心根据收集的m个主用户和n个认知用户信息，构造一个加权二分图G＝(V,E)，其中二分图两个顶点子集分别对应主用户集合和认知用户集合，如果m＞n则,添加虚拟认知用户使主用户和认知用户数量一致，否则添加虚拟主用户使主用户和认知用户数量一致，构建二分图两个顶点子集合间的加权系数矩阵Weight[um][um]，其中um＝max(m,n)，Weight[i][j]的计算公式为：

其中，i＝1,…um；j＝1,…um；

其中，所述步骤S3具体包括以下步骤；

步骤S31：循环利用KM算法对构建的二分图求解其完美匹配，直到所有主用户都不能给任一认知用户分配频谱为止；循环过程中的每一次匹配后需调整已匹配主用户的余量频谱并修改二分图的加权矩阵，得到一个新的二分图G'及加权矩阵Weight[][]'；

步骤S32：初始频谱分配后不同的主用户剩余的信道数量是不等的，因此在已完成的分配基础上对主用户频谱分配进行整合；首先根据主用户初始分配后剩余的带宽大小对所有主用户进行降序排序，在此基础上对已获得同一主用户频谱分配的认知用户集合，根据认知用户频谱需求值的大小对认知用户进行降序排序；

步骤S33：根据步骤S32的排序结果把剩余带宽最小的主用户分别按已排顺序和主用户i＝m-1,…,i,…2,1进行重新分配，每次重新分配后再对主用户集合按主用户的剩余带宽值进行降序排序，直到所有主用户间不能进行任何重新分配为止；

步骤S34：在步骤S33中得到的认知用户频谱分配结果基础上，对所有已获频谱分配的认知用户，逐一查找网络未获得频谱分配的认知用户集合投标累加值大于其投标值的集合，如果找到则用未分配的认知用户集合替换已分配的认知用户，从而获得更高的社会福利；

其中，步骤S33中，每一次主用户间重新分配的过程如下：比较主用户i中已分配给认知用户频谱最小值的对应认知用户k是否小于主用户i+1的剩余带宽值，如果比较值为真，则直接把主用户i中已分配给认知用户频谱最小值分配指针指到主用户i+1，否则查找满足主用户i中已分配给认知用户频谱最小值小于主用户i+1的剩余带宽值加上主用户i+1已分配认知用户l，找到后交换认知用户k和l的对应分配主用户，循环执行上述比较过程直到主用户编号i循环至m；主用户i重新分配后可获得更大的剩余带宽值，根据其剩余带宽值循环查找可分配的认知用户并实施重新分配，直到主用户i的剩余带宽值不能分配给认知用户为止。

2.根据权利要求1所述的一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：认知无线电网络中所有主用户将可用频谱信息发送给拍卖控制中心，该可用频谱信息包括每一主用户频谱所包含的信道数量及其对应的信道带宽；所述信道数量用c_i表示，信道带宽用b_i，其中i∈{1,2,…m}，c_i为大于零的正整数，b_i为大于零的实数；

步骤S12：认知无线电网络中的所有认知用户从拍卖控制中心获得可用主用户频谱的信道数量和每个信道的带宽，认知用户j根据其带宽需求d_j计算其对所有主用户频谱的投标信道数量向量w_j＝(w_1j,w_2j,…,w_ij,…w_mj),其中w_ij为对认知用户j带宽需求d_j除以主用户i的信道带宽值取整，认知用户对所有主用户频谱进行估价并表示为p_j,在此基础上认知用户发送投标信息给拍卖中心进行频谱竞拍；其中w_ij的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于二分图的认知无线电网络频谱组合拍卖方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：获得频谱分配的认知用户的实际支付值为乘以其阻塞未获分配的认知用户集合中的最大值，如果阻塞的集合为空，则实际支付值为零,同样地竞拍失败的认知用户的实际支付值也为零；

步骤S42：输出频谱分配向量，计算频谱拍卖收入，拍卖控制中心发送频谱分配结果给相应的认知用户，从而完成认知无线网络的频谱分配过程。