专利名称：一种基于拍卖和满意度模型的动态频谱分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，更确切的说是一种应用于面向移动通信的基于拍 卖和满意度模型的动态频谱分配方法。
背景技术：
无线业务技术的迅速发展及其多样化和宽带化的需求使得无线频谱资源日益匮 乏。传统的频谱分配方法是固定频谱管理方法，即将无线频谱资源分配给固定的应用或者 运营商，而日益涌现的新业务由于缺少足够的频谱资源而发展受到严重的限制。调查和研 究发现，现已分配的频谱资源的利用率极其低下，很多频段都是空闲的。所以固定的频谱分 配方法导致频谱使用效率低下，阻碍了无线业务的发展。在此同时，无线设备也经历了很快的发展，现在软件无线电越来越受到人们的重 视，软件无线电技术使无线终端变得更加灵活，能动态的改变频段，带宽和调制解调方法。 这也使动态频谱分配成为可能。动态频谱分配方法是一个研究热点，许多学者都提出了自己的方法。冯志 勇等发明了专利——一种无线网络间集中式动态频谱管理方法和系统，专利申请号为 200810102969. 4。该方法根据RAT小区的频谱需求、网络增益、基站的位置信息、基站预期 最大发射功率以及相关参数，动态的将频谱资源分配给Radio Access Technology(RAT) 小区。杨家玮等发明了专利——基于频谱多重使用的动态频谱管理方法，专利申请号为 200610043082，该方法在无线电管理机构下新增动态频谱管理系统，实现非授权用户对已 分配频谱未使用时的再次利用。现在的移动通信领域都是多家运营商在共同为用户提供服 务，所以进行频谱分配时，必须考虑他们之间的经济关系。忽略这种关系会造成运营商对频 谱的恶性竞争，导致动态频谱使用效率的下降。
发明内容
本发明提出针对移动通信领域的基于拍卖和满意度的动态频谱分配方法。该方法 分为两个层面一、本发明在基站和动态频谱代理之间引入拍卖机制。本发明精心设计了拍卖物 品的分配策略以及定价策略。可以证明在本发明提出的拍卖过程中，竞拍者以自己对频谱 的真实估价作为出价是竞拍者的最优策略。同时本发明的分配策略以社会总体收益最大为 目标，从而使频谱的价值得到了最大的体现。二、本发明在终端用户和基站之间引入了满意度模型，保证了终端用户的公平性。 因为现在的应用中很重要的一部分一一视频和音频应用以及文本传输协议等都是弹性带 宽的应用。也就是说在高带宽时可以使用，在低带宽的情况下也可以使用，只是用户的最终 体验不同。在这种情况下，满意度模型使得用户之间的公平性得到了保证。
图1示出本发明的应用场景图。图2示出拍卖算法的流程图。图3示出基于满意度模型的频谱分配算法的流程图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述。如图1所示，本发明的参与对象有3类，无线动态频谱拍卖方(以下简称为拍卖 方)、移动通信运营商的基站(以下简称为基站)和移动通讯领域的终端用户(以下简称为 终端用户)。这3类对象的交互关系是基站和拍卖方进行交互，获得可用的动态频谱；终 端用户和基站交互，获得自己现在可以使用的频谱。本发明中基站和拍卖方的频谱分配将以拍卖方式来决定频谱的分配方案，而基站 和终端用户之间的频谱分配是根据满意度模型来决定频谱的分配方案。拍卖是周期性进行 的，在一个周期的开始进行拍卖，拍卖结束后基站会得到若干段频谱。基站和终端用户的交 互又可以分为两类，第一类为终端用户提出频谱请求时，基站根据自己的策略以一定的满 意度分配给终端用户一定带宽的频谱；第二类为基站需要回收终端用户的频谱时，比如基 站的服务的用户过多时或者基站的动态频谱的使用权失去时，基站会重新以新的满意度分 配给终端用户一定带宽的频谱。1、基于满意度模型的频谱分配方案满意度是指终端用户实际得到的带宽Wg与用户申请的带宽Wq的比值，即r = Wg/ Wq, r越大终端用户的应用体验就会越好，在视频和音频应用中体现为越清晰，而文本传输 服务中体现为速度越快。终端用户在有通信需求的时候就会向基站提交自己的带宽需求q， 基站顺序地处理终端用户的请求，返回给终端用户它可以占用的带宽的宽度。在某一个时候基站拥有的带宽宽度为W，包括自己的固定分配的带宽和动态分配 的频谱。基站预先定义一个满意度序列r = <ri;r2,.. .，r)，这个满意度序列是一个递减的 序列。然后计算如果所有的用户的请求都按照^为满意度进行分配时，可以处理的最大的
用户的带宽请求的和序列为=<<，》 ，···，< ^fFi；表示采用第i个满意度巧时得到的 最大用户带宽请求的和。基站记录已经处理的用户的请求的带宽之和巧T1和用户的请求序列 w = <Wl，w2，...，wk>，基站接收到终端用户的带宽为wn。w，将w細添加到和请求序列w中，然后根据如下公式计算rn。w
Kum^K
rnow = r, W; < W；1 & ScW: > W^ οw:r > 如果rn。w等于0，基站将不会给终端用户分配带宽，基站将会从《m和w中减去 Wnow,否则，如果rnm和给上个用户分配带宽时的rn。w不同，基站将会对请求序列中的所有请 求重新分配带宽。分配带宽为Wg = rnow*wq, wq为用户提交的请求，而wg为用户最终得到的带宽。
2、基于拍卖模型的频谱分配方案本方案中拍卖的参与者是动态频谱的代理和M个基站。将基站分别标号为1，2···， M。动态频谱的代理是一个代理机构，它负责进行频谱感知，然后找出频谱空洞，或者主用户 将自己不用的频谱交给代理，让其代为拍卖。参与拍卖的基站是同一地区的不同运营商的 基站，因为不同的地区的基站之间的频谱是可以复用的，所以之间不构成竞争关系。拍卖的 物品是划分成固定宽度的单位频谱。在这个拍卖中所有的物体是相同的，为N个相同带宽 的频段。不同的基站竞拍多个物体，每个竞拍者最后都可以获得多个物体。本拍卖采用的 是封闭式拍卖，即拍卖的过程中竞拍者并不知道其他竞拍者对物品的出价。本拍卖的步骤是1、拍卖方公布此次拍卖的每个物品的带宽宽度和物品数目。2、竞拍方提交自己对物品的出价序列氏=<^,《,...，<>，计算出价序列的算法 如算法2-1所述。3、拍卖方根据竞拍方的出价序列，选出使得社会收益最大的频谱分配方案N = <Ni; N2, ... , Nm>计算分配方案的算法如算法2-2所述。4、拍卖方确定每个竞拍方对竞拍成功的物品真正需要付出的费用C = ^ijC2,..， CM>，Ci为标号为i的竞拍方获得Ni个频谱需要支付的费用。计算支付费用的算法如算法 2-3所述。出价序列中的每个元素为大于等于0的数。其含义是如果拍卖方已经分配给标 号为m的基站η个物品，对下一个物品，基站m愿意出价《+1
ο社会收益是指此次拍卖给所有参与人员的收益总和，即拍卖者和竞拍者的收益的 总和。本拍卖通过设计一种特殊的拍卖定价机制来使竞拍方的最优策略为按照自己对真实
M
物品的估价来出价(证明参见附录一)。拍卖者获得收益为^47=Zc,竞拍者获得收益为
‘=1 ,
NmMM Ni
BIm=YjBim-Cm 社会收益即为==
'=IO‘=1‘=1 户1O算法2-1 计算基站出价序列的算法基站的出价是根据自己对频谱的估价确定的。基站对频谱的估价是指拍卖方得到 该段频谱后可以从终端用户那里得到的收益。为了得到基站对频谱的估价，需要先对基站 覆盖范围内终端用户的请求带宽进行建模。基站请求带宽建模模型将用户的上网需求分成两部分固定需求和随机需求。固定需求是指经常性 的较固定的需求，比如每天晚上7点会观看新闻联播。随机需求是指随机性的通信需求，比 如浏览网页时，由于现在的网页中有可能包含视频，所以传输网页需要的带宽也是随机的。 所以一个人的带宽需求巧！ = Wirrf +K::dom所有人的带宽请求之和Wal1可以使用如下公
O
式计算Wm =ΣΟΣ + Σ W:-上式最右边的第一项可以理解为一个固定的值，第二项是很多个随机变量的总和。为了简化模型假定所有用户的带宽需求^Titom都是均勻分布的随机变量。根据中心极 限定理，凡是大量独立的、均勻的微小的随机变量的总和都近似的服从高斯分布。所以第二 项可以近似为一个服从高斯分布的随机变量。Wal1可以认为是另一个服从高斯分布的随机
变量P。基站请求带宽模型求解高斯分布的随机变量有两个重要的参数均值μ和标准差σ。每一个基站都保 留有自己的历史记录，历史记录包括用户通信的起始和终止时间。通过分析每天的历史记 录可以得出每天的时刻t时用户的请求带宽的总和=< 评history , ^history, _ · _，^history > 模型 的O可以使用下面公式计算
权利要求
基于博弈和满意度模型的动态频谱分配方法，其特征在于包括3个参与对象无线动态频谱拍卖方、移动通讯运营商的基站和移动通讯领域的终端用户；1.1)拍卖方周期性地和基站进行封闭式的频谱拍卖，拍卖结束后基站在当前周期内获得若干动态频谱的使用权；1.2)基站顺序的处理终端用户的带宽请求，并按照满意度模型来确定实际各终端用户分得的频谱宽度。
2.如权利要求书1所述的频谱分配方法，其特征在于所述步骤1.1)中的拍卖步骤包括 以下子步骤2. 1)拍卖方根据频谱使用的历史信息预估或感知当前周期内的周围频谱的使用状况， 收集未使用的频谱空洞，或者主用户将自己的空闲频谱交给拍卖方代为拍卖；拍卖方将得 到的空闲频谱划分成N个相同带宽的频段，每个频段的带宽都为一个单位带宽；2. 2)标号为m的基站结合自己的运营历史记录，计算出自己对空闲频谱的估价序列 Bm =KBlB2m,...,B >式中N为频段的总数；ο2. 3)拍卖方根据各个基站的出价序列，选择一个社会收益最大的分配方案N =〈N” N2, ... , Νμ> ；给标号为i的基站Ni个频谱；2.4)拍卖方根据各个基站的出价序列和步骤2. 3)确定的分配方案决定竞价方最终需 要支付的价格C =〈Q，C2, . . .，CM> ；则标号为i的基站最终的支付为Q。
3.如权利要求书1所述的频谱分配方法，其特征在于所述步骤1. 2)中的以满意度模型给最终实际终端用户分配频谱的步骤又可以分为以 下子步骤3. 1)基站确定一个递减的满意度系列为r = <ri; r2，. . .，rx> ；3. 2)基站在此时拥有的动态频谱的宽度为W，根据公式Wai = WAv计算出总的带宽请求序列= …’K >，式中Fj9表示满意度为A时，可以满足的总的请求带宽；3.3)基站顺序地处理用户的请求wn。w，同时记录已经得到处理的用户请求带宽之 和『； ，以及用户的请求序列W = <W1; W2, ... , wk>,然后将q膽计入Km ;然后按照公式V1 Km^Krnmv = rt W: < &&W: > PTj9计算现在应该采取的分配的满意度rnm,如果r_等于0 K9um>K0，那么基站将不会给终端用户分配带宽，基站将会从(“和w中减去wn。w，否则，如果rn。w和 给上个用户分配带宽时的rn。w不同，那么基站将会对请求序列中的所有请求重新分配带宽； 分配带宽为Wg = rnow*wq, wq为用户提交的请求，而Wg为用户最终得到的带宽。
4.如权利要求书2所述的拍卖步骤，其特征在于步骤2.2)的估价方法如下每一个基站都保留有自己的运营历史记录，历史记录包括用户通信的起始 和终止时间；通过分析每天任一时刻的历史记录得出用户的请求带宽的总和 ^history ^htstoty，^history，. · ·, ^history >然后使用下面公式计算时刻t的请求带宽的均值μ和标 准差οhistoryμ = ·σ =J=I_ζ-1使用变量W表示基站在t时刻拥有的带宽的宽度，Pw表示基站在拥有带宽W时的收入； Wq表示用户请求的带宽；在得到请求的均值μ和标准差σ之后，使用如下公式计算PwW 期望为(x-μ)22α2\ π(σ(x-μ 2ο2"(W*p-f(x-W,W))dc上式中的函数f^WfW，W)是基站对用户的不满意度的估计函数，根据运营商的不同的 运营策略来制定；基站的带宽分为分配的固定带宽和动态带宽；定义频谱带宽序列W" - W JrW = W +M*Wun"‘‘ “'"fixed T r' dynamic rr fixed T ” “ dynamic^；二·为拍卖时拍卖方确定的动态频谱的单位带宽的宽度；基站使用对频谱的期望收益作为频谱的估价，则基站的估计序列凡=< BlB2m,...X > 使用如下公式计算B1m=E(Pwi)-E(Fy)o
5.如权利要求书2所述的拍卖步骤，其特征在于，步骤2. 3)中使社会收益最大的分配 方案的选择方法特征如下频谱分配方法的输入是基站的出价序列B = <B1; B2,. . .，Βμ>,以及频谱的总数N ；输出 是频谱的分配方案N = <Ni; N2, . . , Νμ> ；定义变量5/二表示还有m个基站没有分配且剩余η个单位频谱时能达到的最大的社会 收益， V表示还有m个基站没有分配且剩余η个单位频谱时，如果分配给标号为M-m+1的基 站Μ个频谱，社会收益将最大； 状态的转换函数表示为Sinm =Om = Omax (Σ^+SC；) m^OAC的计算公式如下K =Om 二 Oargmax (^Bjm +SI,) m 关 O'=O户 1N采用如下公式递归计算 N1=K,
6.如权利要求书2所述的拍卖步骤，其特征在于，步骤2. 4)的决定竞价方最终支付价 格的定价方法特征如下定价方法的输入是基站的出价序列B = <Bi; B2, ... , Βμ>和最终的分配方案N = <Νι; N2, ... , Νμ> ；输出是基站的支付费用C = <C1 C2, ... , CM> ； 计算标号为m的基站的支付费用的方法如下6. 1)将出价序列B = <B1,B2,... ,Bm>的第m个元素换成零向量，进而生成新的出价序列，
全文摘要
本发明涉及一种基于拍卖和满意度模型的动态频谱分配方法，面向的领域是无线通信领域。本发明主要解决的是动态频谱使用过程中，动态频谱的分配问题。本发明的分配方法包括以下两个步骤1)无线动态频谱拍卖方和移动通信运营商的基站周期性进行封闭式频谱拍卖；2)基站根据自己的用户提交的带宽请求以及当时整体的网络环境，以一定的满意度给终端用户分配频谱。本发明有效的利用动态频谱来解决移动通信领域用户日益增长的带宽需求，提高频谱的使用效率，而且通过设计拍卖机制，能保证移动通讯基站按照对频谱的真实估价参与竞拍，然后以社会收益最大化为目标进行分配，最大化频谱的价值。
文档编号H04W16/10GK101945369SQ201010276780
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者吴威, 周忠, 王剑飞, 苏金钊, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学