CN107592641A

CN107592641A - 一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法

Info

Publication number: CN107592641A
Application number: CN201710835266.1A
Authority: CN
Inventors: 谢玉鹏; 赵志信; 杨庆江; 时颖; 谢雪冬
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2018-01-16

Abstract

一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，涉及一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配技术，为了解决在把授权用户空闲的频谱资源出租给其他认知用户时，煤矿井下认知无线电频谱的利用率低的问题。本发明的分配方法为：建立差异博弈模型，初始化参数，根据信道状态和信道成本，确定信道的初始价格，得出两部分频谱需求函数，得到授权用户两部分频谱的成本函数，得到授权用户的频谱利润函数，如果利润值趋于稳定，对价格进行t阶求导，推导出t+1阶段频谱共享价格，使得利润值趋于稳定。有益效果为提高了煤矿井下认知无线电频谱的利用率，使得授权用户得到更大的收益，并且提高通信性能。

Description

一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配技术。

背景技术

随着我国对煤矿生产安全要求的不断提高，井下高效可靠的通信技术在煤矿工业中的地位越来越高。因此，井下通信技术越来越受到有关方面的重视。井下通信技术的成熟与发展，为煤矿产业提供了有力的保障。特别是近几年煤炭企业频繁发生重大安全生产事故，给国家和人民带来巨大旳生命财产损失，政府和企业共同将煤矿安全生产的信息化工作提到空前的高度。从数字矿山到智慧矿山的过渡，煤矿企业的通信系统经过多年建设和发展，取得了较大的成就，但成熟的井下通讯解决方案仍然不多，较长的分支巷道更是成为通信的盲区，矿井工作人员对无线数据通信要求的迫切，井下生产数据的上报等都显示出井下通信的特殊性和重要性。

为了保证煤矿的安全生产，矿井通信的畅通与应急通信保障是首先需要解决的问题。尽管在Joeseph Mitola III提出认知无线电以后，国外每年与认知无线电相关的文献加速增长，但是，对于如何将认知无线电可以频谱共享的优点用于煤矿通信、使设备自适应通信的问题，进行有效的无线通信是非常必要的。

在矿井隧道中，煤矿监测监控信号通常会因为恶劣的传输条件而中断，认知无线电系统可以在煤矿的信道中进行频谱共享，在这样的隧道环境中，可以利用认知无线电设备对通信参数进行实时感知，采用频谱共享技术，让设备及时响应环境变化，保持通信系统的时刻畅通。在采煤工作面，随着采煤机的推进割煤的影响，无线环境的空间几何形状在不断变化，其无线信道特性也在不断变化，传统的单一信道链路质量极为不稳定易造成通信中断。具有智能感知无线通信环境并实时选择最优通信信道的认知无线电在煤矿井下的应用能最大程度地保证重要系统如煤矿井下无线应急保障系统的正常通信.

在实际的认知网络中，如果授权用户的频谱资源是空闲的，那么就可以把这些空闲的频谱资源出租给其他用户，这样就可以得到更大的收益，在授权用户系统中，频谱共享问题与频谱定价问题往往联系在一起考虑。

发明内容

本发明的目的是为了解决在把授权用户空闲的频谱资源出租给其他认知用户时，煤矿井下认知无线电频谱的利用率低的问题，提出了一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法。

本发明所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，该分配方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、建立差异博弈模型，所述差异博弈模型将授权用户的频谱分为两个状态等级，该两个状态等级分别为：状态高频谱和状态低频谱；

步骤二、初始化参数；

步骤三、根据信道状态和信道成本，确定信道初始的价格；

步骤四、分别确定出状态高频谱的需求函数和状态低频谱的需求函数；

步骤五、利用状态高频谱的需求函数和状态低频谱的需求函数分别确定出状态高频谱的成本函数和状态低频谱的成本函数；

步骤六、根据公式一和公式二分别得到授权用户的状态高频谱利润和授权用户的状态低频谱利润；如果通过迭代计算得到的利润值趋于稳定，转到步骤七，否则转到步骤四；

所述公式一为：

；

其中，R^g为授权用户的状态高频谱利润函数，α为边际系数，N为认知用户数，q为信道状态参数，g代表的状态为高，d代表的状态为低，q^g信道状态高参数，q^d信道状态低参数，j为信道的初始价格，j^g为信道状态高的初始价格，j^d为信道状态低的初始价格，为偏好参数的所属区间的上限，为偏好参数的所属区间的下限；

所述公式二为：

；

其中，R^d为授权用户的状态低频谱利润函数；

步骤七、分别将授权用户的状态高频谱利润函数和授权用户的状态低频谱利润函数对信道的当前价格进行t阶求导，并根据t阶求导结果迭代出t+1阶段的信道价格，当通过迭代计算得到的信道价格值趋于稳定，信道的当前价格作为频谱共享价格；

所述t+1阶段频谱共享价格公式为：

其中，k为速率调整参数，μ为授权用户的状态，t为迭代的次数，t为正整数。

本发明的有益效果是通过本发明所述的频谱分配方法，提高了煤矿井下认知无线电频谱的利用率，并通过该分配方法了解到煤矿井下认知无线电频谱的利用率与速率调整参数的关系，并且当速率调整参数超过一定范围后，系统可能会不稳定，即无法使利益趋于稳定，从而使得授权用户得到更大的收益，并且提高通信性能。

附图说明

图1为具体实施方式一中差异博弈模型的模型图；

图2为具体实施方式一中k＝0.008，α＝0.12时系统利润与博弈次数关系的示意图；

图3为具体实施方式一中k＝0.008，α＝0.12时信道价格与博弈次数关系的示意图；

图4为具体实施方式一中k＝0.01，α＝0.12时系统利润与博弈次数关系的示意图；

图5为具体实施方式一中k＝0.01，α＝0.12时信道价格与博弈次数关系的示意图；

图6为具体实施方式一中k＝0.006，α＝0.18时系统利润与博弈次数关系的示意图；

图7为具体实施方式一中k＝0.006，α＝0.18时信道价格与博弈次数关系的示意图；

图8为具体实施方式一中k＝0.006，α＝0.22时系统利润与博弈次数关系的示意图；

图9为具体实施方式一中k＝0.006，α＝0.22时信道价格与博弈次数关系的示意图；

图10为具体实施方式一中调整速率k与博弈次数的关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，该分配方法是通过以下步骤实现的：

步骤二、初始化参数；

步骤三、根据信道状态和信道成本，确定信道初始的价格；

所述公式一为：

；

所述公式二为：

；

其中，R^d为授权用户的状态低频谱利润函数；

所述t+1阶段频谱共享价格公式为：

在本实施方式中，从矿井下空闲频谱通信状态的不同，在授权用户系统中，频谱共享问题与频谱定价问题往往联系在一起考虑，合理对频谱进行差异定价，授权用户能够得到更大的收益，提高通信性能。

授权用户工作在不同的频段上，认知用户通过感知结果及自身通信需求，选择接入授权用户哪个频段；为了方便研究，建立差异博弈模型，差异博弈模型如图1所示，将一个授权用户的频谱划分为两个状态等级，分别为状态高频谱及状态低频谱；认知用户为了得到优良的通信质量和更快的通信速率愿意付出更高的价格。

授权用户各频谱状态不同，通过对不同状态的频谱定价实现自身效用最大化；认知用户需求程度、自身频谱状态定价是研究算法的关键；差异博弈模型可用于分析授权用户高、低两种状态的频谱定价，进而研究频谱共享问题；在认知无线电中，授权用户制定价格策略实现自己效用最大化。

在本实施方式中，用q^g表示状态好，q^d表示状态低，假设授权用户边际成本只与频谱状态有关，设共享的频谱状态为q^μ(μ＝g,d)，假设每个授权用户系统可出租的信道状态相同，不失一般性，可以假设边际成本bμ＝αq^μ(μ＝g,d)，其中α为边际系数常数，且对两个系统来说是一致的。假设信道的利润为lμ(μ＝g,d)，根据频谱状态和利润可确定频谱价格j^μ＝b^μ+l^μ(μ＝g,d)，其中j^g,j^d为高状态信道和低状态信道的信道价格。

若购买价格为j^μ的频谱，认知用户的效用函数如式(1)所示：

其中表示认知用户的偏好参数

设认知用户的偏好参数在区间上服从概率密度为的分布，用户偏好参数小于的认知用户比例可表示为概率分布函数

认知用户对两部分频谱的需求没有区别时，设定偏好参数等于得：

偏好参数大于值的认知用户租用状态好部分频谱，偏好参数小于值的认知用户租用状态低部分频谱，得两部分频谱需求函数如式(2)和(3)所示：

0≤X^g≤N，0≤X^d≤N；其中N为认知用户数量；设授权用户两部分频谱的成本函数如式(4)和(5)所示：

B^g＝b^gX^g(j^g,j^d) (4)

B^d＝b^dX^d(j^g,j^d) (5)

其中，B^g，B^d分别为状态好部分和状态低部分成本函数。

由式(2)得：

即

其中，是的逆函数，a为认知用户对信道需求参数，a^g为认知用户对高状态信道需求数，为认知用户使用频谱的比例；

即得

同理，由式(3)得：

其中是的逆函数，a^d为认知用户对低状态信道需求数，为认知用户使用频谱的比例；

因为状态高部分频谱成本大于状态低部分频谱成本，得逆需求函数如式(10)和(11)所示：

由得，

而

故0<j^g<q^g,0<j^d<q^d

设均匀分布，则有

得两部分频谱的利润函数如式(16)和(17)所示：

作为授权用户，期望自身获得的利润越大越好，根据t阶段的边际效用推得t+1阶段频谱共享价格如式(18)所示：

将利润函数对价格进行求导，有

从式(19)和(20)得当前阶段的边际效用，该结果不仅与自身的价格有关，还与其它部分的频谱价格有关；参数k表示调整速率的快慢；授权用户在下一阶段的价格如式(21)和(22)所示：

其中，α为边际成本参数。

在本实施方式中，步骤六中的利润值趋于稳定是指纳什均衡稳定；

当且仅当时，纳什均衡是稳定的。

纳什均衡趋于稳定的条件是其对应的雅可比矩阵的特征值均在复平面的单位圆内，即应满足：|λ_i|<1(i＝1,2)，λ_i为矩阵J的特征值。设J_m,n(m,n∈{1,2})表示矩阵J的元素，则其特征值可以表示为因此可得纳什均衡的充要条件是：其中，矩阵

在本实施方式中，设置参数如下：假设两个频谱共享池中拟出租的信道数均可以独自满足所有认知用户的需求，且信道状态分别为q^g＝8和q^d＝3；系统中的认知用户数N＝150，边际成本参数α＝1；假设认知用户的偏好区间为[0.1，0.7]；从而计算出速率调整参数的取值范围：0<k<0.013。

当k<0.013时，经过多次博弈可以获得稳定的信道价格和系统利润，但随着k的变化，博弈的过程有所不同，由图2、图3、图4和图5可知，当k较小时，信道价格和系统利润从零开始逐渐向均衡点逼近；反之，当k相对较大时，经过更多博弈次数过程从而达到最终的均衡点，即，信道的价格与信道状态有关，且提供较高状态信道的系统会获得相对较高的利润；由图6、图7、图8和图9可知，较高的边际成本可以获得较高的信道价格，但系统的总利润不一定随之增加，这符合经济学中的观点“高状态不一定等于高利润”。由图10可知，速率调整参数k不仅可以决定系统是否能够获得稳定的纳什均衡点，而且与达到均衡的时间长短有关，当α＝0.12时选取合适的k(如k＝0.013)，可以经过较少的博弈次数迅速的达到稳定的均衡解。

Claims

1.一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，该分配方法是通过以下步骤实现的：

步骤二、初始化参数；

步骤三、根据信道状态和信道成本，确定信道初始的价格；

所述公式一为：

；

所述公式二为：

；

其中，R^d为授权用户的状态低频谱利润函数；

所述t+1阶段频谱共享价格公式为：

2.根据权利要求1所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，k的取值范围为0至

3.根据权利要求1所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，步骤二中需要初始化参数分别为：认知用户偏好参数以及其所属区间速率调整参数k、信道状态参数q、信道状态高参数q^g、信道状态低参数q^d、边际系数α和认知用户数N。

4.根据权利要求3所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，步骤三中的初始价格为j^μ＝b^μ+l^μ(μ＝g,d)，其中，b^μ代表的是信道状态的边际成本函数，并且b^μ＝αq^μ(μ＝g,d)，q^μ为频谱状态函数，l^μ代表的是信道的利润函数。

5.根据权利要求4所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，步骤四中状态高频谱的需求函数为：

其中，为偏好参数的所属区间的上限，表示的是认知用户的概率分布函数，j^g为高状态信道的信道价格，j^d为低状态信道的信道价格，为认知用户对频谱状态需求没有区别时的偏好参数，

步骤四中状态低频谱的需求函数为：

其中，为偏好参数的所属区间的下限。

6.根据权利要求5所述的一种矿井下认知无线电系统中价格博弈的频谱分配方法，其特征在于，步骤五中状态高频谱的成本函数为：

B^g＝b^gX^g(j^g,j^d)；

步骤五中状态低频谱的成本函数为：

B^d＝b^dX^d(j^g,j^d)。