CN107580328B - 一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法，其特征是，包括如下步骤1）构建毫微微蜂窝异构网络通信模型；2）构建毫微微蜂窝异构网络下的拍卖模型；3）卖家与买家需求计算；4）基于社交网络构建社交信任值；5）根据模型构建分配矩阵；6）构建优化问题；7）解决优化问题。这种频谱拍卖方法更具有灵活性和实用性，考虑到用户之间的社交互信，能提高网络的频谱分配效率和利用率，能提高整个网络的性能。

Description

一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖 方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种毫微微蜂窝异构中继网络中结合用户社交互信特性中继转发的频谱拍卖方法。

背景技术

伴随智能终端和移动用户数的急剧增加，导致传统的蜂窝网络架构不足以满足激增的网络容量，无法稳定保证用户的通信质量，这使得传统蜂窝网面临一系列挑战。为解决这些问题，在LTE-A的标准中提出了支持异构蜂窝网络结构的毫微微蜂窝，这种毫微微蜂窝用户可自主部署，缩短通信距离，降低发射功率；这种双层异构网络可以有效的解决宏基站的覆盖“盲区”问题，提高室内的通信质量，也有效地缓解宏基站的通信负载，同时，如何利用受限的频谱资源，设计一种高效的资源分配方案来满足日益增长的数据业务，利用用户在网络中形成的社交特性来优化资源分配，提高资源利用效率已成为学术界面临的问题。

毫微微蜂窝的引入增加了网络的系统容量，使得网络中用户数急增。蜂窝网络中经常会出现小区边缘或用户之间的互动与潜在的社交联系，这些用户构成了以移动设备为载体的具有移动性、便捷性、瞬时性和个性化定制特点的移动社交网络。现有的研究表明用户在社交网络中体现的特性在无线网络设计中有着重要的角色；社交网络体现用户在网络中的社交关系，利用社交网络中用户之间的社交互信特性来强化次用户为授权用户转发数据的效果，同时也能保证不在毫微微蜂窝覆盖下小区边缘授权用户的通信需求。在传统毫微微蜂窝异构网络中频带分配方式有三种：方案一是采用共信道分配方式，这种方式会产生严重的同层和跨层干扰；方案二是采用正交信道分配方式，这种方式使得整个系统的频谱利用率较低；方案三是采用部分共信道方案，虽然这种方式可以一定程度上解决跨层干扰，但频谱分配固定，灵活性差，频谱使用效率不高。由于频谱资源有限，因此需要设计一种高效的频谱分配方案，以提高频谱利用率，保障用户通信质量，增加网络系统容量

拍卖技术是一种新兴的提高频谱分配效率的技术，即保证频谱效率，也提供激励机制的工具，能够刺激更多的用户参加，将拍卖理论应用到异构网络中，引入市场机制，增加了频谱分配的灵活性并兼具公平和高效性。考虑双层异构网络中授权用户和次用户之间的社交互信特性，和实际的通信场景及两者之间的需求关系，构建一种新的拍卖形式，这种拍卖方式更具有灵活性和实用性，在最后得出的数学问题，可以通过匹配理论算法解决，进而使频谱资源得到充分而有效地利用，提高频谱分配效率，保证网络中用户的通信需求，扩大网络的系统容量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法。这种频谱拍卖方法更具有灵活性和实用性，能提高网络的频谱分配效率和利用率，能提高整个网络的性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法，包括如下步骤：

1)构建毫微微蜂窝异构网络通信模型：次用户在毫微微蜂窝覆盖下可以接入，覆盖外且无法与宏基站通信的授权用户可以选用次用户作为中继接入到蜂窝网，为消除毫微微蜂窝用户的自干扰，采用半双工通信模式和放大转发，设授权用户发射机以功率P_t发送信号S_s(t)，与该授权用户匹配的次用户接收该信号，次用户将接收到的信号以功率P_s将信号通过放大转发方式发送给毫微微蜂窝，从而使得不能与宏基站通信的宏用户可以实现通信需求，非授权用户不能共用频带对授权用户产生干扰，在毫微微蜂窝覆盖下非授权用户通过购买授权频带接入，次用户可以将帮助授权用户转发数据的效用计算到自己的出价函数中，授权用户的频带可以通过毫微微蜂窝分配给其覆盖下的次用户，实现频谱复用，根据次用户在双层异构网络中的社交特性，应用用户在平台上注册的社交关系，可以得到授权用户和次用户之间的社交互信参数η，然后进行频谱拍卖；

2)构建毫微微蜂窝异构网络下的拍卖模型：在异构网络中有M个授权用户拥有带宽大小为F的授权频带，记为：{f₁,f₂,…,f_m-1,f_m}，授权用户作为卖方，毫微微蜂窝覆盖下的次用户作为买方，有自身通信需求和中继能力，第三方拍卖人收集买方和卖方的需求和叫价信息；

3)卖家与买家需求计算：授权用户有自己的通信需求，假设每个授权用户的通信需求为：{k₁,k₂,…,k_m-1,k_m}，其中k_i＝α_if_ilog₂(1+P_t|h_ij|²/n₀)，α_i表示授权用户占用自身频带的比例大小，h_ij表示授权用户i到卖家j之间的信道系数，n₀表示在相应信道的背景噪声，可表示为：n₀＝{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；在毫微微蜂窝覆盖下的次用户根据自己的通信需求和终端设备的电量及储存能力，向拍卖人提交自己的转发能力和自身的通信需求，每个买家对频带的估价可表示为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，其中，b_ij表示次用户i对授权用户j的出价，由次用户转发授权用户的收益和对授权用户剩余频带的估价，可以用公式表示为：b_ij＝γ_i(1-α_j)f_jlog₂(1+P_s|h′|²/n₀)，假设在网络中有n个次用户，记为：{N₁,N₂,…,N_n-1,N_n}，对于不同授权用户，每个次用户都有一个出价信息，所有的出价信息可以构成一个三维数组B；

4)基于社交网络构建社交互信值：根据网络中用户在社交网络中历史信息，用户在社交平台上的社交互动及互相之间的联系，可以得到用户的社交互信值η,同时，若次用户完成授权用户的通信请求，两者之间的社交互信值η会得到提高，在授权用户通信需求得到满足，买家的出价高于自身的保底价时，授权用户会选用社交互信值高的次用户进行数据转发，这样安全性高，授权用户的服务质量也能够得到保证；

5)根据模型构建分配矩阵：在双向的拍卖过程中，定义一个分配矩阵X，记为：

第三方拍卖人在网络中广播频谱拍卖信息，并收集买家信息，记为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，卖家的信息记为：{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；

6)构建优化问题：我们希望网络中授权用户的通信质量得到保证，同时次用户的效用能够最大化，通过应用社交信任值能够优化资源分配，使得频谱利用率能够达到最大化，将优化分配问题建模为：

其中u_ij表示次用户i得到授权用户j的频带所产生的效用，用户的收益为：τu_ij-b_ij，τ为加权值，τu_ij表示用户i使用频带j产生的价值，授权用户收益为次用户支付的价格，若买家的出价均小于授权用户的保底价，则拍卖结束，从新下一轮频谱拍卖；

7)解决优化问题：对优化问题进行求解，得到最终的分配矩阵X：

其中，n为参加拍卖的买家数，m为授权用户所对应的频带，第一个限制条件的x_ij是拍卖结束后的分配值，取0或1，值为1时表示竞拍频谱成功，第二个限制条件是一个授权用户只能与一个次用户相匹配，第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个次用户只能与一个授权用户相匹配，得到一个频谱，第四个条件表示相匹配的授权用户和次用户之间的社交互信值必须大于等于一个固定的阈值θ，第五个条件表示授权用户通过次用户转发产生信息速率Q_i大于等于授权用户的需求，根据目标函数和约束条件可知，这是一个典型0-1整数规划问题，没有高效的算法来求解全局最优方案，可以使用穷举法得到最优解，考虑到算法的复杂度，我们应用匹配算法来求解这个问题，在满足约束条件和拍卖准则的条件下让出价高的次用户优先匹配来求解次优解，通过对买家和卖家之间的动态规划可以得出最后的分配结果。

本技术方案可用于毫微微蜂窝异构网络中授权用户频带分配再利用，提高了频带的分配效率，解决网络中无法与宏基站通信的授权用户通信问题，提出了一种授权用户和次用户的合作方式，增加授权用户的收益，有利于增大网络的系统容量，减轻宏基站的负担；在异构网络中提出一种结合社交互信特性的频谱拍卖机制，能够最大化网络系统效用，满足用户的通信要求，提高用户的通信质量；并且易操作，也易实现。

这种频谱拍卖方法更具有灵活性和实用性，考虑到用户之间的社交互信，能提高网络的频谱分配效率和利用率，能提高整个网络的性能。

附图说明

图1为实施例的频谱拍卖流程图；

图2为实施例的系统模型示意图；

图3为实施例毫微微蜂窝双层异构网络的频谱拍卖模型图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1、图2，一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法，包括如下步骤：

1)构建毫微微蜂窝异构网络通信模型：次用户在毫微微蜂窝覆盖下可以接入，覆盖外且无法与宏基站通信的授权用户可以选用次用户作为中继接入到蜂窝网，为消除毫微微蜂窝用户的自干扰，采用半双工通信模式和放大转发，设授权用户发射机以功率P_t发送信号S_s(t)，与该授权用户匹配的次用户接收该信号，次用户将接收到的信号以功率P_s将信号通过放大转发方式发送给毫微微蜂窝，从而使得不能与宏基站通信的宏用户可以实现通信需求，非授权用户不能共用频带对授权用户产生干扰，在毫微微蜂窝覆盖下非授权用户通过购买授权频带接入，次用户可以将帮助授权用户转发数据的效用计算到自己的出价函数中，授权用户的频带可以通过毫微微蜂窝分配给其覆盖下的次用户，实现频谱复用，根据次用户在双层异构网络中的社交特性，应用用户在平台上注册的社交关系，可以得到授权用户和次用户之间的社交互信参数η，然后进行频谱拍卖；

2)构建毫微微蜂窝异构网络下的拍卖模型：在异构网络中有M个授权用户拥有带宽大小为F的授权频带，记为：{f₁,f₂,…,f_m-1,f_m}，授权用户作为卖方，毫微微蜂窝覆盖下的次用户作为买方，有自身通信需求和中继能力，第三方拍卖人收集买方和卖方的需求和叫价信息；

3)卖家与买家需求计算：授权用户有自己的通信需求，假设每个授权用户的通信需求为：{k₁,k₂,…,k_m-1,k_m}，其中k_i＝α_if_ilog₂(1+P_t|h_ij|²/n₀)，α_i表示授权用户占用自身频带的比例大小，h_ij表示授权用户i到卖家j之间的信道系数，n₀表示在相应信道的背景噪声，可表示为：n₀＝{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；在毫微微蜂窝覆盖下的次用户根据自己的通信需求和终端设备的电量及储存能力，向拍卖人提交自己的转发能力和自身的通信需求，每个买家对频带的估价可表示为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，其中，b_ij表示次用户i对授权用户j的出价，由次用户转发授权用户的收益和对授权用户剩余频带的估价，可以用公式表示为：b_ij＝γ_i(1-α_j)f_jlog₂(1+P_s|h′|²/n₀)，假设在网络中有n个次用户，记为：{N₁,N₂,…,N_n-1,N_n}，对于不同授权用户，每个次用户都有一个出价信息，所有的出价信息可以构成一个三维数组B；

4)基于社交网络构建社交互信值：根据网络中用户在社交网络中历史信息，用户在社交平台上的社交互动及互相之间的联系，可以得到用户的社交互信值η,同时，若次用户完成授权用户的通信请求，两者之间的社交互信值η会得到提高，在授权用户通信需求得到满足，买家的出价高于自身的保底价时，授权用户会选用社交互信值高的次用户进行数据转发，这样安全性高，授权用户的服务质量也能够得到保证；

5)根据模型构建分配矩阵：在双向的拍卖过程中，定义一个分配矩阵X，记为：

第三方拍卖人在网络中广播频谱拍卖信息，并收集买家信息，记为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，卖家的信息记为：{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；

6)构建优化问题：我们希望网络中授权用户的通信质量得到保证，同时次用户的效用能够最大化，通过应用社交互信值能够优化资源分配，使得频谱利用率能够达到最大化，将优化分配问题建模为：

其中u_ij表示次用户i得到授权用户j的频带所产生的效用，用户的收益为：τu_ij-b_ij，τ为加权值，τu_ij表示用户i使用频带j产生的价值，授权用户收益为次用户支付的价格，若买家的出价均小于授权用户的保底价，则拍卖结束，从新下一轮频谱拍卖；

7)解决优化问题：对优化问题进行求解，得到最终的分配矩阵X：

其中，n为参加拍卖的买家数，m为授权用户所对应的频带，第一个限制条件的x_ij是拍卖结束后的分配值，取0或1，值为1时表示竞拍频谱成功，第二个限制条件是一个授权用户只能与一个次用户相匹配，第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个次用户只能与一个授权用户相匹配，得到一个频谱，第四个条件表示相匹配的授权用户和次用户之间的社交互信值必须大于等于一个固定的阈值θ，第五个条件表示授权用户通过次用户转发产生信息速率Q_i大于等于授权用户的需求，根据目标函数和约束条件可知，这是一个典型0-1整数规划问题，没有高效的算法来求解全局最优方案，可以使用穷举法得到最优解，考虑到算法的复杂度，本例应用匹配算法来求解这个问题，在满足约束条件和拍卖准则的条件下让出价高的次用户优先匹配来求解次优解，通过对买家和卖家之间的动态规划可以得出最后的分配结果。

具体地：

如图2所示，在毫微微蜂窝异构网络的系统模型下，将含有多余频带且需要次用户协助通信的授权用户视为卖家，在毫微微蜂窝覆盖下的需要接入网络的次用户视为买家；拥有空闲频带的卖家通过出租自己的频带来的获得收益，次用户通过为授权用户服务来降低自己租用频带的费用，同时可以达到自身的通信需求；这样可以很大程度上提高网络的频率利用率，第三方拍卖人收集网络中的买家和卖家的信息，根据次用户的出价情况和提供的服务能力，进行资源的优化匹配，

同时，根据网络中用户在社交网络中历史信息，用户在社交平台上的社交互动及互相之间的联系，可以得到用户的社交互信值η；在授权用户通信需求得到满足，买家的出价高于自身的保底价时，授权用户会选用社交互信值高的次用户进行数据转发，这样可以保证授权用户的服务质量；

在应用中继转发传输时，在信号传输过程中，采用半双工传输模式可以有效避免次用户的自干扰，授权用户发射机以功率P_t发送信号S_s(t)，与该授权用户匹配的次用户接收该信号，可以表示为：

与授权用户匹配的次用户在接收端能够正确解码由授权用户传来的信号S_s(t)，将接收好的信号和自身需要发送的信息S_p(t)以功率P_s将信号通过放大转发方式发送给毫微微蜂窝，具体形式可表示为：

其中，μ是次用户传输时采用的功率分配因子；

如图3所示，在构建的异构网络通信模型和构建的频谱拍卖模型下，卖家根据提出的方案，基于自身的通信需求，得出自己的出价，第三方拍卖人收集授权用户的通信需求和剩余频带，并网络中广播拍卖信息，包括频带数量、频带大小、地理位置，买家根据这些信息进行估计，考虑自己的通信需求和终端设备的电量及储存能力，向第三方拍卖人提交各频带的竞价信息，买家通过拍卖得到频段来获得通信的目的，从而提高网络的吞吐量，考虑卖家的利益，对参加拍卖的买家的出价只有高于相应授权用户的保底价格，并能够完成授权用户的通信需求时，才有可能获得频带资源，然后第三方拍卖人根据每个买家对该频带的估价和授权用户和次用户之间的社交互信程度，建立一个优化问题，可以通过匹配算法来获得一个满意的分配方案，具体形式可表示为：

Claims (1)

1.一种毫微微蜂窝异构中继网络中应用社交互信的频谱拍卖方法，其特征是，包括如下步骤：

1)构建毫微微蜂窝异构网络通信模型：次用户在毫微微蜂窝覆盖下可以接入，覆盖外且无法与宏基站通信的授权用户可以选用次用户作为中继接入到蜂窝网，为消除毫微微蜂窝用户的自干扰，采用半双工通信模式和放大转发，设授权用户发射机以功率P_t发送信号S_s(t)，与该授权用户匹配的次用户接收该信号，次用户将接收到的信号以功率P_s将信号通过放大转发方式发送给毫微微蜂窝，从而使得不能与宏基站通信的宏用户可以实现通信需求，非授权用户不能共用频带对授权用户产生干扰，在毫微微蜂窝覆盖下非授权用户通过购买授权频带接入，次用户可以将帮助授权用户转发数据的效用计算到自己的出价函数中，授权用户的频带可以通过毫微微蜂窝分配给其覆盖下的次用户，实现频谱复用，根据次用户在双层异构网络中的社交特性，应用用户在平台上注册的社交关系，可以得到授权用户和次用户之间的社交互信参数η，然后进行频谱拍卖；

2)构建毫微微蜂窝异构网络下的拍卖模型：在异构网络中有M个授权用户拥有带宽大小为F的授权频带，记为：{f₁,f₂,…,f_m-1,f_m}，授权用户作为卖方，毫微微蜂窝覆盖下的次用户作为买方，有自身通信需求和中继能力，第三方拍卖人收集买方和卖方的需求和叫价信息；

3)卖家与买家需求计算：假设每个授权用户的通信需求为：{k₁,k₂,…,k_m-1,k_m}，其中k_i＝α_if_ilog₂(1+P_t|h_ij|²/n₀)，α_i表示授权用户占用自身频带的比例大小，h_ij表示授权用户i到卖家j之间的信道系数，n₀表示在相应信道的背景噪声，可表示为：n₀＝{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；在毫微微蜂窝覆盖下的次用户根据自己的通信需求和终端设备的电量及储存能力，向拍卖人提交自己的转发能力和自身的通信需求，每个买家对频带的估价可表示为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，其中，b_ij表示次用户i对授权用户j的出价，由次用户转发授权用户的收益和对授权用户剩余频带的估价，可以用公式表示为：b_ij＝γ_i(1-α_j)f_jlog₂(1+P_s|h′|²/n₀)，假设在网络中有n个次用户，记为：{N₁,N₂,…,N_n-1,N_n}，对于不同授权用户，每个次用户都有一个出价信息，所有的出价信息可以构成一个三维数组B；

4)基于社交网络构建社交互信值：根据网络中用户在社交网络中历史信息，用户在社交平台上的社交互动及互相之间的联系，可以得到用户的社交互信值η,同时，若次用户完成授权用户的通信请求，两者之间的社交互信值η会得到提高，在授权用户通信需求得到满足，买家的出价高于自身的保底价时，授权用户会选用社交互信值高的次用户进行数据转发；

5)根据模型构建分配矩阵：在双向的拍卖过程中，定义一个分配矩阵X，记为：

第三方拍卖人在网络中广播频谱拍卖信息，并收集买家信息，记为：B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_im}，卖家的信息记为：{a₁,k₁；a₂,k₂；…；a_m-1,k_m-1；a_m,k_m}；

6)构建优化问题：通过应用社交互信值能够优化资源分配，使得频谱利用率能够达到最大化，将优化分配问题建模为：

其中u_ij表示次用户i得到授权用户j的频带所产生的效用，用户的收益为：τu_ij-b_ij，τ为加权值，τu_ij表示用户i使用频带j产生的价值，授权用户收益为次用户支付的价格，若买家的出价均小于授权用户的保底价，则拍卖结束，从新下一轮频谱拍卖；

7)解决优化问题：对优化问题进行求解，得到最终的分配矩阵X：

其中，n为参加拍卖的买家数，m为授权用户所对应的频带，第一个限制条件的x_ij是拍卖结束后的分配值，取0或1，值为1时表示竞拍频谱成功，第二个限制条件是一个授权用户只能与一个次用户相匹配，第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个次用户只能与一个授权用户相匹配，得到一个频谱，第四个条件表示相匹配的授权用户和次用户之间的社交互信值必须大于等于一个固定的阈值θ，第五个条件表示授权用户通过次用户转发产生信息速率Q_i大于等于授权用户的需求，根据匹配算法求解优化问题，在满足约束条件和拍卖准则的条件下让出价高的次用户优先匹配来求解次优解，通过对买家和卖家之间的动态规划得到最后的分配结果。

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