CN108235327A - 基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，首先由授权用户根据自身的使用状况，统计出空闲频谱数量，并对这一部分频谱进行定价，然后授权用户将频谱定价信息传送给各认知用户，认知用户之间根据自身需求和当前频谱价格，经过非合作博弈后取得频谱的使用权限，最后各认知用户将其最佳需求频谱数量传递给授权用户，授权用户按照其申请的频谱数量将频谱分配给认知用户，频谱分配过程完成。本发明相较于其他同类技术，具有步骤简单、计算方便、收敛快的特点。

Description

基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法。

背景技术

在无线通信技术不断发展的今天，移动通信用户数量日益庞大，加上越来越多的传统行业融入互联网技术的发展，使得无线频谱资源日益匮乏。与之相背的是，即使当前的频谱资源已经十分紧张，但是在这些授权频谱中仍存在着大量闲置未被使用的频谱资源，导致频谱利用率极低，造成这一不合理现象的根本原因在于当前对频谱资源的固定分配方式。将部分频段固定分配给授权用户，即使该用户不使用该频段时，也不允许其他用户使用，这种频段称为授权频段，最典型的例子就是广播电视频段。为了解决频谱利用率低的问题，人们尝试了多种方法，例如码分多址(CDMA)、高速下行分组接入(HSDPA)、正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)技术等等，但这些技术只能通过高效的编码技术来改善当前被允许使用频段的频谱利用率，并不能从根本上解决对空闲频谱的利用问题，于是人们提出了认知无线电的概念。

认知无线电系统是一种频谱动态可调节的系统。在认识无线电系统中，拥有授权频谱的用户称为授权用户，没有授权频谱的用户称为认知用户，认知用户传输信息时必须租用授权用户的授权频谱，并且认知用户可综合考虑自身需求和经济成本后，自主选择频谱的租用数量，在这一过程中就涉及到最佳的频谱租入策略博弈问题。因此，认知无线电的核心问题之一就是解决认知用户之间的频谱分配问题，而博弈论正是解决这一问题的有力工具。

发明内容

本发明所要解决的是当前频谱资源匮乏的问题，提供一种基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，包括步骤如下：

步骤1、授权用户统计出闲置频谱，并依据当前频谱利用率和自身频谱使用情况等条件，对频谱资源进行定价；

步骤2、授权用户完成对频谱资源的定价后，将频谱价格函数提交至频谱中心，由频谱中心将频谱价格函数告知各认知用户；

步骤3、各认知用户根据自身需求和当前频谱价格，并与其他认知用户间进行非合作博弈，综合考虑后得到各认知用户的最佳需求频谱数量；

步骤4、各认知用户将最佳需求频谱数量提交至频谱中心，并向频谱中心支付相应的频谱租赁费用；

步骤5、频谱中心收到认知用户租金后转交至授权用户，并根据认知用户的最佳需求频谱数量对频谱资源进行分配；当闲置频谱分配给认知用户后，认知用户即可使用其租用频段进行通信传输，授权用户不再使用该频段。

上述步骤1的子步骤如下：

步骤1.1、引入与授权用户的频谱占用数量B^req成反比例关系的效用调节函数，并基于该效用调节函数设计授权用户的效用函数u_p(b_i)：

步骤1.2、求得授权用户的效用函数相对于认知用户的频谱租用数量的导函数，并令该导函数等于零，以求得使其效用函数最大化时所对应的频谱价格函数p(b_i)；

其中,p(b_i)为频谱价格函数，为成本函数，f(b_i)为效用调节函数；b_i为认知用户i的频谱租用数量，b_j为认知用户j的频谱租用数量，i,j＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。

上述步骤1.1中，所引入的效用调节函数f(b_i)为：

其中,λ为效用调节因子，B^req为授权用户的频谱占用数量，b_i为认知用户i的频谱租用数量，i＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。

上述步骤3的子步骤如下：

步骤3.1、构建各认知用户i的效用函数u_i(b_i)：

u_i(b_i)＝g_ik_ib_i-p(b_i)·b_i

步骤3.2、求效用函数u_i(b_i)的导函数并对该导函数进行循环迭代，当循环迭代次数达到设定的最大迭代次数或导函数小于设定阈值时，输出当前频谱租用数量b_i即为最佳频谱租用数量；

其中,g_i为租用单位频谱所获得的收益，k_i为频带利用率，b_i为频谱租用数量，p(b_i)为频谱价格函数，i＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。

与现有技术相比，本发明首先由授权用户根据自身的使用状况，统计出空闲频谱数量，并对这一部分频谱进行定价，然后授权用户将频谱定价信息传送给各认知用户，认知用户之间根据自身需求和当前频谱价格，经过非合作博弈后取得频谱的使用权限，最后各认知用户将其最佳需求频谱数量传递给授权用户，授权用户按照其申请的频谱数量将频谱分配给认知用户，频谱分配过程完成。本发明引用了非合作博弈论的相关理论，并基于古诺(Cournot)模型对频谱分配的进行数学建模，引入了效用调节因子的概念，旨在提高授权用户收益，提高其频谱出租的积极性，从而提高整个系统的频谱利用率。本发明相较于其他同类技术，具有步骤简单、计算方便、收敛快的特点。

附图说明

图1为认知无线网络示意图。

图2为基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法的流程图。

图3为博弈的流程图。

图4为认知网络出租频谱总量对纳什均衡的影响图。

图5为认知网络频谱分配博弈过程图。

图6为使用效用调节函数前后的频谱租用量的对比图。

图7为效用调节因子对认知用户频谱租用数量的影响对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在如图1所示的认知无线网络中，假设有M个授权用户、N个认知用户以及一个频谱中心，授权用户与认知用户分别与频谱中心连接。频谱中心相当于中介，主要负责授权用户和认知用户之间交易信息的传递工作，如频谱定价函数以及认知用户所申请的频谱数量信息等，交易达成后也由中心机房负责最终的频谱分配。

基于该认知无线网络，授权用户向认知用户出租其空闲频谱，其所采用的基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，如图2所示，其主要步骤如下：

步骤1、由授权用户划分出闲置频谱，并计算出当前频谱利用率，依据当前频谱利用率和自身频谱使用情况等条件，对频谱资源进行定价。

在认知无线网络中，授权用户拥有对频谱的所有权。由于授权用户有权对频谱资源定价，因此其出租频谱的价格必定以自身利益最大化为准则。为了使授权用户出租频谱获得的收益达到最大，首先设计授权用户的效用函数u_p(b_i)，引入效用调节函数然后通过求效用函数的一阶导数得到使其效用函数最大化时所对应的频谱价格函数p(b_i)的表达式。

步骤1.1、引入与授权用户的频谱占用数量B^req成反比例关系的效用调节函数f(b_i)。

效用调节函数f(b_i)不唯一，在本实施例中所引入的效用调节函数为：

其中，λ为效用调节因子，B^req为授权用户占用的频谱数量，b_i为认知用户租用的频谱数量，为授权用户出租一个单位频谱时所获得的收益。

步骤1.2、根据效用调节函数f(b_i)，设计授权用户的效用函数u_p(b_i)。

其中，p(b_i)为授权用户对频谱的定价函数，为成本函数，为效用调节函数。

步骤1.3、求得授权用户效用函数相对于频谱租用数量的导函数，并令该导函数等于零，以求得效益函数最大化表达式，整理后得到频谱定价函数p(b_i)的表达式。

步骤2、授权用户完成对频谱资源的定价后，将频谱价格函数p(b_i)提交至频谱中心，由频谱中心将频谱价格函数告知各认知用户。

步骤3、认知用户之间根据自身需求和当前频谱价格，综合考虑后得到最佳需求频谱数量。为了得到最佳频谱需求数量，认知用户根据其他认知用户所采取的频谱租用策略，动态调整自身租用策略，直至达到纳什均衡。博弈的流程如图3所示。

各认知用户此时将评估信道的信干噪比、当前频谱利用率以及单位频谱收益等条件后，根据当前频谱定价选择其合理的频谱需求量。由于认知用户间不存在信息交换，他们只考虑到自身利益，因此在选择频谱租用量的过程中，认知用户间进行非合作博弈，具体方法是认知用户根据其他认知用户所作策略选择后调整自身策略的迭代优化过程，直至各用户策略达到稳态，即达到纳什均衡。

步骤3.1、设计认知用户效用函数u_i(b_i)。

u_i(b_i)＝g_ik_ib_i-p(b_i)·b_i

其中，g_i为租用单位频谱所获得的收益，k_i为频带利用率，b_i为频谱租用数量，p(b_i)为频谱价格函数；g_ik_ib表示总收益,其为用户租用单位频谱所获得的收益g_i、频带利用率k_i和频谱租用量b_i的乘积；p(b_i)·b_i表示成本，其为频谱价格p(b_i)与租用频谱数量b_i的乘积。

步骤3.2、根据计算所得到的认知用户的效用函数u_i(b_i)，在认知用户间进行非合作博弈，当博弈结果达到稳态时，即表示非合作博弈达到纳什均衡状态。

设置各认知用户的初始频谱量，计算出租用该频谱量时的效用函数的导函数效用函数的一阶导数反映了当前认知用户效益的涨跌趋势。根据一阶导数值的状态就可以相应调整频谱租用策略，直至达到纳什均衡。

步骤3.3、将的值代入迭代表达式即效用函数的导函数中，得到认知用户当前条件下最佳频谱租用数量

步骤3.4、根据步骤3.3得到的认知用户当前条件下最佳频谱租用数量的值对进行迭代，得到

步骤3.5、重复步骤3.4，直至小于阈值e或达到最大迭代次数时，此时的频谱租用数量b_i即为最佳频谱租用数量。

图4为认知网络出租频谱总量对纳什均衡的影响图，该图证明了本方法纳什均衡的存在性和出租频谱总量对纳什均衡的影响。图5为认知网络频谱分配博弈过程图，其展示了两个认知用户博弈的过程，由此图可以看出，认知用户博弈后均能收敛，从而表明了本方法纳什均衡的存在性。

步骤4、各认知用户将非合作博弈结果即最佳需求频谱数量提交至频谱中心，并向频谱中心支付相应的频谱租赁费用。

步骤5、频谱中心收到认知用户租金后转交至授权用户，并根据认知用户的非合作博弈结果对频谱资源进行分配。当闲置频谱分配给认知用户后，认知用户即可使用其租用频段进行通信传输，授权用户不再使用该频段。

本发明提出了效用调节函数的概念，该函数与授权用户频谱占用数量B^req相关，授权用户效益与B^req成反比例关系，即该效用调节函数能提高授权用户的经济收益，刺激授权用户出租频谱的积极性，有效提高频谱利用率。

图6为使用效用调节函数前后的频谱租用量的对比。该图表明使用效用调节函数后能够明显提升认知用户频谱租用数量，提升认知用户经济效益。图7为效用调节因子对认知用户频谱租用数量的影响对比。该图表明效益调节因子增大时，认知用户租入的频谱数量会增多，达到均衡的博弈次数也会增多，纳什均衡时间延长。

以上仅为对本发明做出的说明及解释，但本发明的保护并不局限于此。对于效用调节函数也不局限于的形式，任何与B^req成反比例形式的效用调节函数都属于本发明的权利要求范围。

Claims (4)

1.基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、授权用户统计出闲置频谱，并依据当前频谱利用率和自身频谱使用情况等条件，对频谱资源进行定价；

步骤2、授权用户完成对频谱资源的定价后，将频谱价格函数提交至频谱中心，由频谱中心将频谱价格函数告知各认知用户；

步骤3、各认知用户根据自身需求和当前频谱价格，并与其他认知用户间进行非合作博弈，综合考虑后得到各认知用户的最佳需求频谱数量；

步骤4、各认知用户将最佳需求频谱数量提交至频谱中心，并向频谱中心支付相应的频谱租赁费用；

步骤5、频谱中心收到认知用户租金后转交至授权用户，并根据认知用户的最佳需求频谱数量对频谱资源进行分配；当闲置频谱分配给认知用户后，认知用户即可使用其租用频段进行通信传输，授权用户不再使用该频段。

2.根据权利要求1所述的基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，其特征是，步骤1的子步骤如下：

步骤1.1、引入与授权用户的频谱占用数量B^req成反比例关系的效用调节函数，并基于该效用调节函数设计授权用户的效用函数u_p(b_i)：

步骤1.2、求得授权用户的效用函数相对于认知用户的频谱租用数量的导函数，并令该导函数等于零，以求得使其效用函数最大化时所对应的频谱价格函数p(b_i)；

其中,p(b_i)为频谱价格函数，为成本函数，f(b_i)为效用调节函数；b_i为认知用户i的频谱租用数量，b_j为认知用户j的频谱租用数量，i,j＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。

3.根据权利要求2所述的基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，其特征是，步骤1.1中，所引入的效用调节函数f(b_i)为：

其中,λ为效用调节因子，B^req为授权用户的频谱占用数量，b_i为认知用户i的频谱租用数量，i＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。

4.根据权利要求1所述的基于非合作博弈论的认知无线网络频谱资源优化分配方法，其特征是，步骤3的子步骤如下：

步骤3.1、构建各认知用户i的效用函数u_i(b_i)：

u_i(b_i)＝g_ik_ib_i-p(b_i)·b_i

步骤3.2、求效用函数u_i(b_i)的导函数并对该导函数进行循环迭代，当循环迭代次数达到设定的最大迭代次数或导函数小于设定阈值时，输出当前频谱租用数量b_i即为最佳频谱租用数量；

其中,g_i为租用单位频谱所获得的收益，k_i为频带利用率，b_i为频谱租用数量，p(b_i)为频谱价格函数，i＝1,2,…,N，N为认知用户的数量。