一种分数阶频率复用的频谱拍卖出价优化方法与流程

本发明涉及认知无线电
技术领域：
，具体为一种分数阶频率复用的频谱拍卖出价优化方法。
背景技术：
：随着科学技术的迅猛发展以及人们对于通信要求的不断提高，无线频谱缺资源日益紧缺，同时，现有频带使用不合理，频谱拥堵与空闲频谱共存，再加上信息传输过程中必然存在相互干扰，通信质量亟待改善。因此，如何尽可能地提高现有频谱资源的分配效率和使用效率，有效抑制用户间的相互干扰，是长期以来的研究热点。分数阶频率复用是一种有效的频率复用技术，它将蜂窝小区划分为小区中心和边缘两部分，通过给这两部分分配不同的频段实现小区中心和边缘的干扰抑制，从而保障用户的通信质量。复用因子为3或7的分数阶频率复用研究目前得到了广泛的应用。频谱拍卖能有效帮助解决频谱资源分配效率和使用效率低下的问题，拍卖理论应用于提高频谱资源利用率已经成为研究热点。拍卖设计中的个人理性、预算均衡、激励兼容和拍卖真实性等性能不断得到改善，保障经济鲁棒性、收益率、服务质量的真实双向频谱拍卖不断得到发展。但是现有频谱拍卖方案中的出价方法大部分采用了某个区间的随机值，没有充分考虑到买家对频谱的喜好度和信干噪比等因素，因此缺乏合理性。认知异构网络中的联合预编码与功率分配可以有效抑制非授权用户对授权用户的干扰和非授权用户之间的相互干扰，提高吞吐量。因此本发明考虑在分数阶频率复用场景下进行联合预编码与功率分配设计对频谱拍卖的出价进行改进。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种分数阶频率复用的频谱拍卖出价优化方法，以解决上述
背景技术：
中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分数阶频率复用的频谱拍卖出价优化方法，包括如下步骤：S1.建立分数阶频率复用的频谱拍卖模型，系统模型中包括有频谱出租需求的卖家、控制整个拍卖过程的拍卖中间人和有频谱资源需求的买家，卖家将自己待出租的频段信息提交给拍卖中间人，拍卖中间人将待拍卖的频谱资源汇总整理后放入频谱池中供有频谱需求的买家竞标；S2.根据主用户和次用户共享频谱资源时的干扰情况，以优化的干扰价格因子ωk*为联系纽带，建立主用户端收益最大化的目标函数，进行干扰价格因子的优化设计，并将这一最优化的干扰价格因子广播给拍卖中的次用户；S3.通过优化的干扰价格因子ωk*在分数阶频率复用场景下进行联合预编码与功率分配设计，根据分数阶频率复用模型，将次用户划分为小区中心次用户和小区边缘次用户并分别进行分析，宏基站端待发射信号向量S＝[s1,s2,...,sM]T,其中T表示转置，经过预编码后得到次用户端待发射信号向量为X＝FPS，其中F＝[f1,f2,......,fk]是预编码向量，fk表示第k个次用户端的预编码矩阵(1×M)，||fm||＝1，是发射功率矩阵，pk是对应第k个次用户的发射功率向量，经信道发送后，在次用户端，经信道发送后，我们可以求得第k个次用户的接收信号，主用户的接收信号，第k个次用户的信干比，并根据香农公式求得次用户的吞吐量表达式：C＝Bklog2(1+SINRk)；S4.对拍卖中次用户的出价进行优化设计，出价优化的表达为：v＝γkBklog2(1+SINRk)其中γk表示次用户k对某段频谱的喜好度。优选的，所述步骤S2中主用户端在次用户共享频谱资源产生的干扰约束下追求收益Up最大化目标函数表示为：Up=Σk=1KωkIk]]>s.t.Σk=1KIk≤Ith]]>其中ωk表示主用户与次用户k之间的干扰价格因子，Ik表示来自次用户k的干扰，对于一个给定的干扰价格函数ωk和单位效用增益λk，通过KKT条件，求得次用户优化的功率分配表达式：pk=(λkωk|Hpfk|2-Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2|Hkfk|2)+]]>将pk代入主用户收益表达式和约束条件，从而得出优化的代价函数ωk*：ωk*=Σk=1KλkIth+Σk=1K|Hp|2|Hk|2(Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2).]]>优选的，所述步骤S3中当次用户k分布在小区中心时，他受到来自除了他本身之外的其他次用户的干扰、主用户的干扰以及噪声干扰，从而可以得到它的信干噪比表达式为：SINRk=pk|fkHk|2Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2]]>其中pk表示第k个次用户的功率向量，fk表示第k个次用户的预编码向量，Hk表示宏基站到次用户k的信道状态信息，gk家庭基站到次用户k的信道状态信息，加性高斯白噪声的方差为σ2，次用户与主用户共享频谱资源，势必会给主用户的通信带来干扰，因此小区中心次用户的效用UC需要减去支付给主用户的报酬，具体表示为：UC＝log2(1+SINRk)-ωkIk＝log2(1+SINRk)-ωkpk|Hpfk|2其中SINRk表示第k个次用户的信干噪比，ωkIk表示次用户k需要支付给主用户的报酬，由此，通过主用户端得到的最优干扰价格因子ωk*，可以得出在发射功率约束、干扰约束和单个用户的信干噪比约束下，兼顾主用户收益和次用户效用最大化进行联合预编码和功率分配的设计目标G为：G=maxUCmaxUP]]>s.t.I=Σk=1K|Hpfk|2pk≤IthΣk=1Kpk≤pmaxSINRk≥γth]]>其中第一个约束条件表示所有次用户对主用户产生的干扰应该低于主用户可以忍受的干扰门限Ith，第二个约束条件表示次用户的发射功率要低于发射功率的最大值pmax，第三个约束条件表示单个次用户的信干噪比应该高于门限值γth，同理，当次用户分布在小区边缘时，由于分数阶频率复用可以有效抑制同频干扰，因此此时次用户只接收到来自噪声的干扰，其他的干扰可以忽略，我们可以得到边缘次用户的信干噪比表达式：SINRk=pk|fkHk|2σ2]]>小区边缘次用户的最终效用UE需要减去支付给主用户的报酬，具体表示为：UE＝log2(1+SINRk)-ωkIk＝log2(1+SINRk)-ωkpk|Hpfk|2给定最优干扰价格因子ωk*，可以得出边缘次用户在发射功率约束、干扰约束和单个用户的信干噪比约束下，兼顾主用户收益和次用户效用最大化进行联合预编码和功率分配的优化目标函数G为：G=maxUEmaxUP]]>s.t.I=Σk=1K|Hpfk|2pk≤IthΣk=1Kpk≤pmaxSINRk≥γth]]>其中第一个约束条件表示所有次用户对主用户产生的干扰应该低于主用户可以忍受的干扰门限Ith，第二个约束条件表示次用户的发射功率要低于发射功率的最大值pmax，第三个约束条件表示单个次用户的信干噪比应该高于门限值γth。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明充分考虑了次用户实际竞价时的喜好度、带宽以及信干噪比等因素，同时兼顾了主用户方的收益最大化和次用户方的效用最大化的要求，结合复用因子为3的分数阶频率复用模型，对分布在小区中心和边缘的次用户进行了详细的分析和预编码与功率分配设计。本发明提出的方法容易实现，便于扩展，与已经提出的频谱拍卖出价方法相比更贴近实际应用，频谱拍卖方法也具有更高的分配效率和和干扰抑制效果。附图说明图1为本发明分数阶频率复用场景下进行频谱拍卖的系统模型示意图；图2为本发明认知MIMO系统模型示意；图3为本发明分数阶频率复用场景下的通信干扰示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种分数阶频率复用的频谱拍卖出价优化方法，包括如下步骤：S1.建立分数阶频率复用的频谱拍卖模型，系统模型中包括有频谱出租需求的卖家、控制整个拍卖过程的拍卖中间人和有频谱资源需求的买家，卖家将自己待出租的频段信息提交给拍卖中间人，拍卖中间人将待拍卖的频谱资源汇总整理后放入频谱池中供有频谱需求的买家竞标；S2.根据主用户和次用户共享频谱资源时的干扰情况，以优化的干扰价格因子ωk*为联系纽带，建立主用户端收益最大化的目标函数，进行干扰价格因子的优化设计，并将这一最优化的干扰价格因子广播给拍卖中的次用户，步骤S2中主用户端在次用户共享频谱资源产生的干扰约束下追求收益Up最大化目标函数表示为：Up=Σk=1KωkIk]]>s.t.Σk=1KIk≤Ith]]>其中ωk表示主用户与次用户k之间的干扰价格因子，Ik表示来自次用户k的干扰，对于一个给定的干扰价格函数ωk和单位效用增益λk，通过KKT条件，求得次用户优化的功率分配表达式：pk=(λkωk|Hpfk|2-Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2|Hkfk|2)+]]>将pk代入主用户收益表达式和约束条件，从而得出优化的代价函数ωk*：ωk*=Σk=1KλkIth+Σk=1K|Hp|2|Hk|2(Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2);]]>S3.通过优化的干扰价格因子ωk*在分数阶频率复用场景下进行联合预编码与功率分配设计，根据分数阶频率复用模型，将次用户划分为小区中心次用户和小区边缘次用户并分别进行分析，宏基站端待发射信号向量S＝[s1,s2,...,sM]T,其中T表示转置，经过预编码后得到次用户端待发射信号向量为X＝FPS，其中F＝[f1,f2,......,fk]是预编码向量，fk表示第k个次用户端的预编码矩阵(1×M)，||fm||＝1，是发射功率矩阵，pk是对应第k个次用户的发射功率向量，经信道发送后，在次用户端，经信道发送后，我们可以求得第k个次用户的接收信号，主用户的接收信号，第k个次用户的信干比，并根据香农公式求得次用户的吞吐量表达式：C＝Bklog2(1+SINRk)，步骤S3中当次用户k分布在小区中心时，他受到来自除了他本身之外的其他次用户的干扰、主用户的干扰以及噪声干扰，从而可以得到它的信干噪比表达式为：SINRk=pk|fkHk|2Σi=1,i≠kK1|Hkfi|2pi+|gk|2pp+σ2]]>其中pk表示第k个次用户的功率向量，fk表示第k个次用户的预编码向量，Hk表示宏基站到次用户k的信道状态信息，gk家庭基站到次用户k的信道状态信息，加性高斯白噪声的方差为σ2，次用户与主用户共享频谱资源，势必会给主用户的通信带来干扰，因此小区中心次用户的效用UC需要减去支付给主用户的报酬，具体表示为：UC＝log2(1+SINRk)-ωkIk＝log2(1+SINRk)-ωkpk|Hpfk|2其中SINRk表示第k个次用户的信干噪比，ωkIk表示次用户k需要支付给主用户的报酬，由此，通过主用户端得到的最优干扰价格因子ωk*，可以得出在发射功率约束、干扰约束和单个用户的信干噪比约束下，兼顾主用户收益和次用户效用最大化进行联合预编码和功率分配的设计目标G为：G=maxUCmaxUP]]>s.t.I=Σk=1K|Hpfk|2pk≤IthΣk=1Kpk≤pmaxSINRk≥γth]]>其中第一个约束条件表示所有次用户对主用户产生的干扰应该低于主用户可以忍受的干扰门限Ith，第二个约束条件表示次用户的发射功率要低于发射功率的最大值pmax，第三个约束条件表示单个次用户的信干噪比应该高于门限值γth，同理，当次用户分布在小区边缘时，由于分数阶频率复用可以有效抑制同频干扰，因此此时次用户只接收到来自噪声的干扰，其他的干扰可以忽略，我们可以得到边缘次用户的信干噪比表达式：SINRk=pk|fkHk|2σ2]]>小区边缘次用户的最终效用UE需要减去支付给主用户的报酬，具体表示为：UE＝log2(1+SINRk)-ωkIk＝log2(1+SINRk)-ωkpk|Hpfk|2给定最优干扰价格因子ωk*，可以得出边缘次用户在发射功率约束、干扰约束和单个用户的信干噪比约束下，兼顾主用户收益和次用户效用最大化进行联合预编码和功率分配的优化目标函数G为：G=maxUEmaxUP]]>s.t.I=Σk=1K|Hpfk|2pk≤IthΣk=1Kpk≤pmaxSINRk≥γth]]>其中第一个约束条件表示所有次用户对主用户产生的干扰应该低于主用户可以忍受的干扰门限Ith，第二个约束条件表示次用户的发射功率要低于发射功率的最大值pmax，第三个约束条件表示单个次用户的信干噪比应该高于门限值γth；S4.对拍卖中次用户的出价进行优化设计，出价优化的表达为：v＝γkBklog2(1+SINRk)其中γk表示次用户k对某段频谱的喜好度。充分考虑了次用户实际竞价时的喜好度、带宽以及信干噪比等因素，同时兼顾了主用户方的收益最大化和次用户方的效用最大化的要求，结合复用因子为3的分数阶频率复用模型，对分布在小区中心和边缘的次用户进行了详细的分析和预编码与功率分配设计。本发明提出的方法容易实现，便于扩展，与已经提出的频谱拍卖出价方法相比更贴近实际应用，频谱拍卖方法也具有更高的分配效率和和干扰抑制效果。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页1 2 3