专利名称：基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法
技术领域：
本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中主用户和次用户共享频谱的实现方案，属于通信技术领域。
背景技术：
随着无线通信不断向着宽带化，无缝化，智能化方向发展，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。事实上，在许多频段，频谱接入是比频谱物理稀缺更重要的问题，由于现有的频谱授权机制使得频谱利用率低，造成大量频谱资源浪费，而近年提出的认知无线电(CR，cognitive radio)技术具有在不影响其他授权用户即主用户(PU，primary user)的前提下智能地利用大量空闲频谱并且随时随地，高可靠性通信的潜能。因此打破传统频谱授权机制，通过认知无线电技术实现频谱共享成为了未来无线通信的发展趋势。基于博弈论的模型将反映实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个博弈模型，对分布式动态频谱共享算法进行分析。该模型中博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时候的决策以及这种决策的均衡问题的理论，它使用严谨的数学模型解决现实中利害冲突，在决策选择问题上能够起到关键指导作用。针对认知无线电中频谱资源共享问题，许多研究人员开展了基于博弈论的频谱灵活利用方法的研究基于博弈论的模型将反映实时用户交互过程的认知周期映射为一个博弈模型，对分布式动态频谱共享算法进行了分析，并研究了次用户间的合作和竞争关系；给出了认知无线电网络中的博弈模型，并利用该模型分别分析了认知无线电的功率控制，呼叫准入控制和干扰避免；通过定价拍卖的方法来实现资源分配，根据不同的网络效用需要来确定自身的目标函数，即确定赢家胜出的规则；在有多个主用户同时出租频谱的场景下， 建立了主用户间竞价的伯川德模型，并基于最大化自身效用的前提下分析了主用户之间的频谱价格博弈；在多个认知无线电用户都需要租借频谱的情况下，建立了它们之间的古诺非合作博弈模型，多个次用户通过竞争共享主用户的频谱，实现提高频谱利用率的目的。虽然这些方法在实现频谱共享的一些方面取得了一定的进步，但往往都是将各个次用户的需求度视作一个定值，因为不能实时反映用户对频谱实际的需求，无法很好的达到频谱共享公平这一目的。或者都是基于次用户间没有约束力协议的非合作博弈模型，并且通常忽略了次用户的行为对主用户的负面影响，因此还有很多不完善的地方有待提高。所以本发明结合经济学中的拍卖模型和补偿激励机制，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型，在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略，使得最后的博弈结果，相比较于单一的非合作博弈所得到的结果又更具公平性，此外，由于通信系统模型采用的是拍卖模型，所以主用户可以采用“预留”措施来避免自己性能的下降。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于博弈理论的认知无线电主用户和次用户频谱共享的方法，该方法基于简化的VCG(Vickrey-Clarke-Gr0ves)拍卖模型，引入次用户间的合作关系，并运用货币补偿激励原则，建立了相应的合作型竞争的频谱博弈模型。此外，由于本发明采用的通信系统模型为拍卖模型，所以主用户可采用“预留带宽”措施来保证自身性能不受次用户共享频谱的影响，更好的保证了主次用户间的频谱共享环境。技术方案本方法的设计紧密结合国内外最新的研究动态与成果，通过博弈论 (Game Theory)方法建立模型，应用于认知无线电系统的频谱共享中。采用了理论分析、可行性论证和计算机仿真相结合的方法，从理论和仿真两个方面验证了所提出的方案。基于博弈论的模型将反映实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个博弈模型，对分布式动态频谱共享算法进行分析。该模型中博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时候的决策以及这种决策的均衡问题的理论，它使用严谨的数学模型解决现实中利害冲突，在决策选择问题上能够起到关键指导作用。该方法结合经济学中的拍卖模型和补偿激励机制，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型，在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略进行博弈，此外，由于本方法采用的是拍卖模型，所以主用户可以采用预留措施来避免自己性能的下降，具体的方法为a、明确研究对象是主用户和次用户共享的频谱数参与者为主用户与次用户，行为为选择频谱，效用为各次用户收益，纳什均衡为效用最大时的频谱分配；b、频谱拍卖规则将主次用户频谱共享问题看作是一个主用户拍卖频谱，次用户投标问题，每个次用户都知道自己所投标后获得的单位传输速率的回报率fi，同时每个次用户也可计算得到自身的频谱利用率k= 1ο&(1+Κγ)其中γ为信噪比，K= 1.5/(1 / BERto)，BERtm为目标误比特率；在拍卖开始之前，主用户将公开其保留标底δ以及对单位频谱的定价P，为了保证自身性能不受到频谱共享的影响而恶化，主用户将根据次用户
所提供的竞投拍卖标和自己的保留标底拍给次用户相应的频谱= y h +δΒ"“，其
中I为次用户数目，Bt。t*主用户总的的频谱，、为次用户i提供的竞购拍卖标，这个竞购拍卖标反应了次用户用于信息传输所需最大频谱数。次用户将支付主用户相应的报酬 QiOv p) = PMv其中Si是各个次用户独立的优先级参数，这种支付差异类似于经济学中的价格歧视；此外，由于这种拍卖模型的特殊性，对次用户采取预付机制，即它所支付给主用户的报酬为它投标的总频谱数价格，而并非主用户拍卖给它的总频谱数价格；定义所有次用户的投标集合为b = (b” ...，bp，次用户i的竞争对手的投标集合定义为、= (b1; . .，Iv1，bi+1，. . .，bp，故而b = (bi ；bj ；由于拍卖规则的限定，投标集合必须满足条
权利要求
1. 一种认知无线电系统中基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法，其特征在于该方法结合经济学中的拍卖模型和补偿激励机制，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型，在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略进行博弈，此外，由于本方法采用的是拍卖模型，所以主用户可以采用预留措施来避免自己性能的下降，具体的方法为a、明确研究对象是主用户和次用户共享的频谱数参与者为主用户与次用户，行为为选择频谱，效用为各次用户收益，纳什均衡为效用最大时的频谱分配；b、频谱拍卖规则将主次用户频谱共享问题看作是一个主用户拍卖频谱，次用户投标问题，每个次用户都知道自己所投标后获得的单位传输速率的回报率f\，同时每个次用户也可计算得到自身的频谱利用率k = Iog2 (1+K Y )，其中Y为信噪比，K = 1. 5/ (In2/ BERto)，BERtm为目标误比特率；在拍卖开始之前，主用户将公开其保留标底δ以及对单位频谱的定价P，为了保证自身性能不受到频谱共享的影响而恶化，主用户将根据次用户 所提供的竞投拍卖标和自己的保留标底拍给次用户相应的频谱
全文摘要
本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法，该方法针对主次用户共享频谱问题，基于简化的VCG拍卖模型，引入次用户间的合作关系，并运用货币补偿激励原则，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型。该博弈模型在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略进行博弈，不仅具有非合作博弈模型的可自动实施性的决策模式特点，还具有寡头联合模型的公平性的特点。此外，由于采用的通信系统模型为拍卖模型，所以主用户可采用“预留带宽”措施来保证自身性能不受次用户共享频谱的影响，更好的保证了主次用户间的频谱共享环境。
文档编号H04W16/14GK102291722SQ20111010606
公开日2011年12月21日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者周惟风, 朱洪波, 朱琦 申请人:南京邮电大学