CN106550369A - 一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法，结合了宏蜂窝网和辐射范围内的众多小小区，通过建立频谱分配拍卖模型，将宏基站提供的授权频带划分为多个时隙作为商品进行拍卖，设定用户收益函数，根据拍卖出价，建立拍卖的目标函数，通过最优化理论依据出价获得收益最大的时隙分配方法。频谱分配拍卖模型是利用划分时隙进行分配的基于VCG机制的拍卖技术。有益技术效果有：1）引入拍卖方式进行资源分配；2）将频谱资源以时隙划分；3）将用户出价和小小区购买频段通信获得的利益联系起来。本发明实现移动通信资源的有效分配，具有优良的频谱资源分配机制，提高了频谱资源的使用效率，因此具有广阔的应用前景。

Description

一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法。

技术背景

如今越来越多的用户依赖于移动通信，随着无线通信的蓬勃发展移动通信成为人们日常生活中不可或缺的一部分。与之相应的，移动终端的数量和用户对于频谱资源的需求也呈现大量的增长。目前商用最快的移动通信技术升级版长期演进LTE-A也不得不面对新的挑战。为了应对移动通信用户需求的不断激增，通信运营商和设备商将设立小小区。在宏蜂窝下设立多个小小区，形成两层异构网络作为提升系统容量的解决方案。

小小区是一种低功率的无线接入节点可以覆盖10米到200米的范围。如今运营商均开始使用小小区来扩展覆盖范围和提升网络容量，尤其是用在诸如商业中心或者学校区域等通信数据流量大的繁忙地区进行分流。

近年来，许多研究人员对认知无线电系统中的频谱分配进行了深入研究，特别是基于拍卖理论的动态频谱分配研究。

拍卖是一个经济学概念，是一种售卖商品的手段。频谱拍卖是近年来新兴起的理论，将具有频谱需求的小小区看作经济学中的买家，拥有频带授权的宏基站作为卖家的拍卖行为。当小小区中的移动终端需要使用频段时，通过拍卖获得授权频带的使用权。采用频谱拍卖机制可以有效优化分配频谱资源的使用效率，同时为宏基站提供收益，提升其共享频谱资源的积极性。事实证明频谱拍卖是一种有效解决频谱资源分配问题，提升频谱资源利用率的有效手段。而VCG拍卖方法可以使理性的竞拍者实现激励兼容，保证出价的真实性，从而最优化系统的吞吐量。

但是对于小小区中的拍卖式分配频谱资源的研究尚处于起步阶段。现有技术存在以下技术问题：

1)现有的拍卖分配频谱过程停留在静态拍卖阶段，拍卖分配频谱的过程趋近于比较出价直接进行分配，没有明显的竞价过程。

2)同类型的频谱分配方法大多采用频分复用的方式，多个用户竞价后使用同一频段，用户间存在干扰而没有进行保证信干比，用户通信质量无法保证。

3)现有的的频谱拍卖方法没有将用户出价和小小区购买频段通信获得的利益联系起来。

在小小区的通信环境下，解决这种开放性网络环境的频谱资源分配问题的合理性是极其重要的。

发明内容

本发明为提升频谱利用率，利用小小区提升室内覆盖深度，补充宏蜂窝覆盖范围的优点，引入拍卖方式进行资源分配，以保证放性网络下的频谱效率和通信质量。

本发明针对现有技术存在的技术问题，利用用户具有自私性行为，并依据VCG(Vickrey-Clarke-Groves)机制的频谱资源分配机制，提供一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法。

本发明的目的是使用拍卖理论来分配宏基站空闲时授权频带的使用权。

传统的拍卖方式是静态的一次比较竞价决定频谱的使用归属权。本发明通过设计支付规则来确保拍卖具有激励相容性。由于每个竞拍人(买家)都具有自私性，具有激励相容的机制可以保证结果最优。在具有激励相容的机制下，诚实的行为将带来最大的收益。每个参与竞拍的竞拍者的效用与集体利益的最大化一致。当投标者均是理智的，不存在勾结的前提下，VCG这种拍卖方式是激励相容的。买方的诚实性将获得个人以及集体收益最大化的奖励。选择该拍卖方式将保证出价的诚实性和合理性。

小小区需要中央处理单元来完成家庭基站、毫微蜂窝等小小区与宏蜂窝进行通信与信息交换。一个中心处理单元下往往拥有多个小小区。因此中心处理单元具有宏蜂窝和众多毫微蜂窝的地理位置、频谱资源需求或可提供的频谱资源数量等信息，在本发明中对应经济学概念中第三方拍卖者的工作。设定宏蜂窝作为卖家，覆盖区域下有频谱需求的小小区成为买家。通过拍卖实现频谱资源的有效地分配。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法，结合了宏蜂窝网和辐射范围内的众多小小区，通过建立频谱分配拍卖模型，将宏基站提供的授权频带划分为多个时隙作为商品进行拍卖，设定用户收益函数，根据拍卖出价，建立拍卖的目标函数，通过最优化理论依据出价获得收益最大的时隙分配方法。

所述的频谱分配拍卖模型是利用划分时隙进行分配的基于VCG机制的拍卖技术，其步骤如下：

步骤1，开始卖方准备阶段，宏基站作为卖方此时将向中心处理单元提交准备出售用于共享的频谱资源；用于共享的频谱资源是以划分时隙的形式进行出售，假设宏基站提供有k个空闲频带参与拍卖出售，记为。每条频带划分为j个时隙，记为。

步骤2，开始拍卖商准备阶段，中央处理单元会把宏基站提供的频段全部划分为j个时隙，每条信道上的一个时隙作为一件商品，买家为满足自身通信需要将购买一至多个时隙，如若多个买方均对同一时隙有需求，则会购买到同一时隙的不同的信道，假设有k条信道拿来拍卖，则中央处理单元会生成一个分配矩阵A，表达式为其中a_kj表示第j个时隙状态的第k条信道，若a_kj＝1，则表示有买家已经购买当前时隙下的当前信道，所以频谱资源分配具有约束条件At≤T，其中k表示总的时间上共可出售k个频段，也可以理解为同一时隙允许k个用户同时使用，j表示所有频段分成的时隙。

步骤3，开始买方准备阶段，各个对授权频带有需求的小小区需要向中央处理单元提交自身的效用函数和对于频谱资源的需求，VCG拍卖机制将根据买方提交效用函数计算支付数值，同时买家根据提交的效用函数设定一个用户收益函数，以将用户效用和实际收益联系起来；

用户收益函数为u(t_i,η_i)定义在R₊上的关于t_i的严格凸函数，用户的效用函数也它的竞价以及信道状态有关(待竞拍频带的带宽和信道估计值)，其中η_i表示用户i的真实竞价，该值应当正确的反映当前用户对于频谱资源的真实需求程度，收益函数的表达式设为u(t_i,η_i)＝cη_i·v_i(t_i)，其中c是一个常数，用来加权真实竞价值，加权后的cη_i在数值上应当等于其获得该时段下频带的使用权进行通信时可获得的利益，设定买方用户i的投标服从一个策略集B_i，B_i＝{b_i1,b_i2,...,b_in}，其中b_in表示用户i的第n种投标策略，该策略数值上与竞拍中用户i的本轮出价值相同，即用户i的第n种投标策略出价为b_in。B_i作为用户i的全部出价可能，其中必定包含有真实竞价η_i，由于VCG拍卖机制需要各拍卖参与者向中心处理单元提交自身的效用函数，

设小小区i作为买方提交的效用函数为v_i(t_i)，v_i(t_i)是一个定义在R₊的关于t_i的严格凸函数，记为v_i(t_i)＝Blog₂(1+SINR)·t_i，当在第k个时隙的信道j上，有a_kj＝1时，存在一个本轮赢家i成功竞拍到当前频带的一个时隙的使用权。

步骤4，中央处理单元会检测是否存在有购买意愿的买家，如果不存在具有通信需求的买家，或存在买家但其需求无法得到满足，则结束程序；

步骤5，如若存在多个买家，且其需求可以通过频谱分配满足，则开启拍卖进行频谱分配；

步骤6，开始进行第一轮拍卖，通过出价决定最高出价者为本轮赢家，拍卖机制服从VCG拍卖，该拍卖机制具有激励相容性，可以保证小小区只有出价符合自己的真实估计，即出价具有真实性才能获得最大收益，当用户i₁出价最高成为本轮竞价的赢家后，假设其购买了第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a_1j＝1。同理，例如当第二轮拍卖i₂出价最高成为第二轮轮竞价的赢家后，假设其购买了第1,3和第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a₂₁、a₂₃、a_2j＝1；步骤7，中央处理单元为赢家分配竞拍获得的频谱资源，其中赢家需要支付的价格为

步骤8，检测剩余频谱资源的数量，若待分配的频谱资源有剩余，返回步骤4，准备进行下一轮拍卖。直到拍卖持续进行到买家的需求全部满足或宏基站提供的频谱全部出售完为止。则此时用户i的收益R_i可以得出

最优化分配时隙以获得最大的收益，

s.t.At≤T

通过最优化计算可以得出继而得到用户的支付和收益。

本发明实现了以下有益技术效果：

1)引入拍卖方式进行资源分配，即提升了频谱利用率，又保障无线网络的通信质量；

2)将频谱资源以时隙划分，同时隙若存在不同用户则分别使用不同信道，有效减少小小区间的干扰；

3)提出一个加权因子的概念，将用户出价和小小区购买频段通信获得的利益联系起来。

本发明将有出价真实为特点的VCG拍卖机制用到小小区中，实现移动通信资源的有效分配。因此，本发明与现有技术相比具有更优良的频谱资源分配机制，提高了频谱资源的使用效率，具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为包含小小区的两层异构网络的系统示意图；

图2为基于动态VCG的频谱拍卖分配频谱资源流程图。

具体实施方式

本发明通过实施例对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。

本发明的包含小小区的两层异构网络的系统如图1所示，当小小区需要获得授权频带进行通信时，扮演买家的角色向宏基站进行购买，购买的形式由负责联通众多小小区和宏基站的中央处理单元负责进行拍卖。

基于动态VCG的频谱拍卖分配频谱资源流程如图2所示：

S201，开始程序；

进入S202，开始卖方准备阶段，宏基站作为卖方此时将向中心处理单元提交准备出售用于共享的频谱；

进入S203，开始拍卖商准备阶段，中央处理单元会把宏基站提供的频段全部划分为j个时隙，每条信道上的一个时隙作为一件商品。买家为满足自身通信需要将购买一至多个时隙。如若多个买方均对同一时隙有需求，则会购买到同一时隙的不同的信道。假设有k条信道拿来拍卖，则中央处理单元会生成一个分配矩阵A，表达式为

进入S204，开始买方准备阶段，各个对授权频带有需求的小小区需要向中央处理单元提交自身的效用函数和对于频谱资源的需求。VCG拍卖机制将根据买方提交效用函数计算支付数值。

进入S205，中央处理单元会检测是否存在有购买意愿的买家。如果不存在具有通信需求的买家，或存在买家但其需求无法得到满足，则跳转至S210，结束程序。

进入S206，如若存在多个买家，且其需求可以通过频谱分配满足，则开启拍卖进行频谱分配。

进入S207，开始进行第一轮拍卖，通过出价决定最高出价者为本轮赢家，拍卖机制服从VCG拍卖，该拍卖机制具有激励相容性，可以保证小小区只有出价符合自己的真实估计，即出价具有真实性才能获得最大收益。当用户i₁出价最高成为本轮竞价的赢家后，假设其购买了第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a_1j＝1。同理，例如当第二轮拍卖i₂出价最高成为第二轮轮竞价的赢家后，假设其购买了第1,3和第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a₂₁、a₂₃、a_2j＝1。

进入S208，中央处理单元为赢家分配竞拍获得的频谱资源，其中赢家需要支付的价格为

进入S209，检测剩余频谱资源的数量，若待分配的频谱资源有剩余，返回S205准备进行下一轮拍卖。直到拍卖持续进行到买家的需求全部满足或宏基站提供的频谱全部出售完为止。

进入S2010，结束程序。

Claims (6)

1.一种包含小小区的两层异构网络的频谱拍卖方法，其特征在于：结合了宏蜂窝网和辐射范围内的众多小小区，通过建立频谱分配拍卖模型，将宏基站提供的授权频带划分为多个时隙作为商品进行拍卖，设定用户收益函数，根据拍卖出价，建立拍卖的目标函数，通过最优化理论依据出价获得收益最大的时隙分配方法。

2.根据权利要求1所述的频谱拍卖方法，其特征在于：所述的频谱分配拍卖模型是利用划分时隙进行分配的基于VCG机制的拍卖技术，其步骤如下：

步骤1，开始卖方准备阶段，宏基站作为卖方此时将向中心处理单元提交准备出售用于共享的频谱资源；

步骤2，开始拍卖商准备阶段，中央处理单元会把宏基站提供的频段全部划分为j个时隙，每条信道上的一个时隙作为一件商品，买家为满足自身通信需要将购买一至多个时隙，如若多个买方均对同一时隙有需求，则会购买到同一时隙的不同的信道，假设有k条信道拿来拍卖，则中央处理单元会生成一个分配矩阵A，表达式为

步骤3，开始买方准备阶段，各个对授权频带有需求的小小区需要向中央处理单元提交自身的效用函数和对于频谱资源的需求，VCG拍卖机制将根据买方提交效用函数计算支付数值，同时买家根据提交的效用函数设定一个用户收益函数，以将用户效用和实际收益联系起来；

步骤4，中央处理单元会检测是否存在有购买意愿的买家，如果不存在具有通信需求的买家，或存在买家但其需求无法得到满足，则结束程序；

步骤5，如若存在多个买家，且其需求可以通过频谱分配满足，则开启拍卖进行频谱分配；

步骤6，开始进行第一轮拍卖，通过出价决定最高出价者为本轮赢家，拍卖机制服从VCG拍卖，该拍卖机制具有激励相容性，可以保证小小区只有出价符合自己的真实估计，即出价具有真实性才能获得最大收益，当用户i₁出价最高成为本轮竞价的赢家后，假设其购买了第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a_1j＝1。同理，例如当第二轮拍卖i₂出价最高成为第二轮轮竞价的赢家后，假设其购买了第1,3和第j时隙的频带，则赋值分配矩阵，即a₂₁、a₂₃、a_2j＝1；

步骤7，中央处理单元为赢家分配竞拍获得的频谱资源，其中赢家需要支付的价格为

步骤8，检测剩余频谱资源的数量，若待分配的频谱资源有剩余，返回步骤4，准备进行下一轮拍卖。直到拍卖持续进行到买家的需求全部满足或宏基站提供的频谱全部出售完为止。

3.根据权利要求2所述的频谱拍卖方法，其特征在于：所述的步骤1用于共享的频谱资源是以划分时隙的形式进行出售，假设宏基站提供有k个空闲频带参与拍卖出售，记为c＝{1,2,....,k}。每条频带划分为j个时隙，记为T＝{1,2,....,t_j}。

4.根据权利要求2所述的频谱拍卖方法，其特征在于：所述步骤2的分配矩阵A，表达式为其中a_kj表示第j个时隙状态的第k条信道，若a_kj＝1，则表示有买家已经购买当前时隙下的当前信道，所以频谱资源分配具有约束条件At≤T，其中k表示总的时间上共可出售k个频段，也可以理解为同一时隙允许k个用户同时使用，j表示所有频段分成的时隙。

5.根据权利要求2所述的频谱拍卖方法，其特征在于：所述的步骤3的用户收益函数设为u(t_i,η_i)，该函数是定义在R₊上的关于t_i的严格凸函数，用户的效用函数也它的竞价以及信道状态有关(待竞拍频带的带宽和信道估计值)，其中η_i表示用户i的真实竞价，该值应当正确的反映当前用户对于频谱资源的真实需求程度，收益函数的表达式设为u(t_i,η_i)＝cη_i·v_i(t_i)，其中c是一个常数，用来加权真实竞价值，加权后的cη_i在数值上应当等于其获得该时段下频带的使用权进行通信时可获得的利益，设定买方用户i的投标服从一个策略集B_i，B_i＝{b_i1,b_i2,...,b_in}，其中b_in表示用户i的第n种投标策略，该策略数值上与竞拍中用户i的本轮出价值相同，即用户i的第n种投标策略出价为b_in。B_i作为用户i的全部出价可能，其中必定包含有真实竞价η_i，由于VCG拍卖机制需要各拍卖参与者向中心处理单元提交自身的效用函数，

设小小区i作为买方提交的效用函数为v_i(t_i)，v_i(t_i)是一个定义在R₊的关于t_i的严格凸函数，记为v_i(t_i)＝B log₂(1+SINR)·t_i，当在第k个时隙的信道j上，有a_kj＝1时，存在一个本轮赢家i成功竞拍到当前频带的一个时隙的使用权。

6.根据权利要求2所述的频谱拍卖方法，其特征在于：所述步骤8得到用户的支付和收益，赢家需要支付的价格为则此时用户i的收益R_i可以得出

最优化分配时隙以获得最大的收益，

$max\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_i\left(t_i\right)$

s.t.At≤T

通过最优化计算可以得出继而得到用户的支付和收益。