一种双层异构网中毫微微蜂窝基站的频谱拍卖方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种双层异构网中毫微微蜂窝基站的频谱拍卖方法。

背景技术：

随着无线通信技术和移动互联网的高速发展，无线数据业务量以惊人的速度猛增。调查显示:超过60％的话音业务和90％的数据业务发生在室内，并且这种比例还在持续不断地增加。因此，为室内用户的语音和数据业务提供高速率和高质量的覆盖服务变得越来越重要。毫微微蜂窝基站(Femtocell BS)作为一种能有效增强室内覆盖和提升网络容量的无线接入技术，受到了通信业界高度的关注，并已成为不同制式移动通信网络中的研究热点。毫微微蜂窝基站是一种低发射功率、小范围覆盖的基站设备，作为3/4G宏蜂窝的补充，具有灵活、快速部署的优点，可以有效的解决热点吸收、盲点、弱覆盖场景的网络覆盖问题，能够使运营商以更低的代价为用户提供更好的无线宽带语音及数据业务，实现网络无处不在。

毫微微基站的引入很好的弥补宏蜂窝的不足，提升频谱效率，提高网络容量，满足未来移动通信业务的发展需求和提升用户体验。但由于稀缺的频谱资源在大部分时间内处于空闲状态，造成了大量的频谱资源浪费，导致分配给次级市场的毫微微基站的频谱资源极其有限，没有充分发挥出毫微微基站优化网络覆盖等特点。基于竞标的步进式拍卖的频谱分配方法以其较少的信息需求和良好的分配效果被认为是解决频谱资源分配问题的有效方法，它能够充分利用频谱空穴中的空闲频谱，实现频谱资源的有效共享和动态管理，从根本上解决频谱效率低下的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种双层异构网中毫微微蜂窝基站的频谱拍卖方法，将空闲的频谱资源通过拍卖的方法分配给没有授权频带的毫微微基站。

这种方法既能解决宏蜂窝频谱资源利用率不高的问题，又能充分发挥出毫微微基站小功率、较高的网络覆盖等优点，从而进一步提高频谱利用率，实现频谱资源的有效共享和动态管理，解决移动通信网络的室内覆盖、热点覆盖、深度覆盖等问题，为用户提供高速无线服务。

实现本发明目的的技术方案是：

一种双层异构网中毫微微蜂窝基站的频谱拍卖方法，包括如下步骤：

1)建立频谱拍卖模型：所述频谱拍卖模型是基于双层异构网的系统模型,卖方为拥有多个互不重叠且不可再分的空闲频带的多个授权用户，且这些频带的性质即带宽、调制方式是完全相同的，卖方将他们的空闲频带放到次级市场的频谱池中，没有授权频带的买方是通过竞标获得空闲授权频谱并作为无线链路为非授权用户提供通信服务的毫微微基站，每个毫微微基站只关心有没有获得频谱池中的频谱而不会关心获得的是哪一段频谱，每个毫微微基站在一个拍卖周期内只需使用一个空闲频带；

2)部署毫微微基站、构造双层异构网络：在此异构网中,设多个授权用户在次级市场的频谱池中拥有m个空闲的授权频带，记为M＝{1，2，…，m}，对于授权用户即卖家，定义信道底价，该底价主要包含授权系统购买频谱时的花费和毫微微基站对授权用户的潜在干扰，是卖家对信道i的保留价格，记为v_i，i∈M，此底价以授权系统受到来自毫微微基站的跨层干扰进行建模；存在n个毫微微基站作为买方集合，记为N＝{1，2，…，n}；对于毫微微基站即买家，定义信道估价为无线链路使用此信道时获得的收益，与信道容量和信号质量SINR有关，拍卖模型主要服务于室内的数据传输，对于传输速率和吞吐量有所要求，故可将信道估价建模为信道容量的函数，记毫微微基站j对空闲频谱i的估价为c_ji，j∈N，i∈M，n个毫微微基站对授权频带作出估价矩阵，记为：

C_j＝{c_ji}_M×N，j∈N，i∈M

3)授权用户将m个空闲频带放入次级频谱市场的频谱池中；

4)宏基站充当拍卖者为空闲频带叫价，初始价格不小于授权用户的底价；

5)毫微微基站向宏基站发出竞标请求，同意宏基站的叫价：宏基站作为拍卖人在每一轮拍卖开始时进行叫价，其初始叫价不小于信道底价v_i，i∈M,毫微微基站接收到叫价信息后,通过与自己对频带的估价做比较决定发不发出竞标请求，若其叫价小于毫微微基站对频道的估价时，毫微微基站发出竞标请求，同时宏基站统计实时发起竞买请求的毫微微基站的数量n；

6)宏基站统计发出竞标请求的毫微微基站的数量n：n为实时发起竞买请求的毫微微基站的数量；

7)宏基站判断：宏基站判断发出竞标请求的毫微微基站数n与空闲频带数量m比较，若请n大于m，则为了达到稳定状态，宏基站进行下一轮叫价并且比上一轮的价格抬高一个步长ε；若n小于或等于m，则宏基站认为达到稳定状态，拍卖结束，授权用户以最后一轮叫价出售空闲频带。

授权用户在每轮的拍卖结束后以最后一轮叫价的价格让出频谱，设最后一轮的价格为p_i，c_ji﹥p_i且c_ji﹥v_i,p_i﹥v_i，i∈M。根据分配的结果定义一个N*M的0-1分配矩阵F＝{f_ji}_N*M，f_ji∈{0,1}。其中当毫微微基站j作为无线链路接入点从授权系统买到一段频谱i时，则f_ji＝1，否则f_ji＝0。

a)设拍卖结束时，频谱池中的空闲频带出售叫价为p_i，从而可以算出授权系统i收益为：

b)Ζ_i＝p_i-v_i (1)

毫微微基站j的收益为：

S_j＝c_j-p_i (2)

即系统总收益为授权系统收益与毫微微基站收益之和，表示为：

M＝Z_i+S_j＝c_j-v_i (3)

从系统全局角度出发，考虑授权系统的损失的同时也考虑无线链路的收益，可以列出系统收益的目标函数。定义为毫微微基站作为无线链路所获得收益与授权系统所受干扰的差值为全局收益，记为：

合理的信道分配将会满足一下两个约束条件：即每个毫微微基站在同一时间内只能使用一个信道：即每个信道在同一时间内只能给一个毫微微基站。

最优化问题可以表示为：

模型中的系统效用值的定义为在一个拍卖周期中，一次拍卖过程的中整个拍卖模型获得的总收益，系统效用值越高代表拍卖算法的频谱分配效率越高。

这种方法既解决了宏蜂窝频谱资源利用率不高的问题，又充分发挥了出毫微微基站小功率、较高的网络覆盖等优点，从而进一步提高了频谱利用率，实现了频谱资源的有效共享和动态管理，解决了移动通信网络的室内覆盖、热点覆盖、深度覆盖等问题，为用户提供了高速无线服务。

附图说明

图1为实施例方法流程示意图；

图2为实施例毫微微基站频谱拍卖系统模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种双层异构网中毫微微蜂窝基站的频谱拍卖方法，包括如下步骤：

1)建立频谱拍卖模型：如图2所示，所述频谱拍卖模型是基于双层异构网的系统模型,卖方为拥有多个互不重叠且不可再分的空闲频带的多个授权用户，且这些频带的性质即带宽、调制方式是完全相同的，卖方将他们的空闲频带放到次级市场的频谱池中，没有授权频带的买方是通过竞标获得空闲授权频谱并作为无线链路为非授权用户提供通信服务的毫微微基站，每个毫微微基站只关心有没有获得频谱池中的频谱而不会关心获得的是哪一段频谱，每个毫微微基站在一个拍卖周期内只需使用一个空闲频带；

2)部署毫微微基站、构造双层异构网络：在此异构网中,设多个授权用户在次级市场的频谱池中拥有m个空闲的授权频带，记为M＝{1，2，…，m}，对于授权用户即卖家，定义信道底价，该底价主要包含授权系统购买频谱时的花费和毫微微基站对授权用户的潜在干扰，是卖家对信道i的保留价格，记为v_i，i∈M，此底价以授权系统受到来自毫微微基站的跨层干扰进行建模；存在n个毫微微基站作为买方集合，记为N＝{1，2，…，n}；对于毫微微基站即买家，定义信道估价为无线链路使用此信道时获得的收益，与信道容量和信号质量SINR有关，拍卖模型主要服务于室内的数据传输，对于传输速率和吞吐量有所要求，故可将信道估价建模为信道容量的函数，记毫微微基站j对空闲频谱i的估价为c_ji，j∈N，i∈M，n个毫微微基站对授权频带作出估价矩阵，记为：

C_j＝{c_ji}_M×N，j∈N，i∈M

3)授权用户将m个空闲频带放入次级频谱市场的频谱池中；

4)宏基站充当拍卖者为空闲频带叫价，初始价格不小于授权用户的底价；

5)毫微微基站向宏基站发出竞标请求，同意宏基站的叫价：宏基站作为拍卖人在每一轮拍卖开始时进行叫价，其初始叫价不小于信道底价v_i，i∈M,毫微微基站接收到叫价信息后,通过与自己对频带的估价做比较决定发不发出竞标请求，若其叫价小于毫微微基站对频道的估价时，毫微微基站发出竞标请求，同时宏基站统计实时发起竞买请求的毫微微基站的数量n；

6)宏基站统计发出竞标请求的毫微微基站的数量n：n为实时发起竞买请求的毫微微基站的数量；

7)宏基站判断：宏基站判断发出竞标请求的毫微微基站数n与空闲频带数量m比较，若请n大于m，则为了达到稳定状态，宏基站进行下一轮叫价并且比上一轮的价格抬高一个步长ε；若n小于或等于m，则宏基站认为达到稳定状态，拍卖结束，授权用户以最后一轮叫价出售空闲频带。

授权用户在每轮的拍卖结束后以最后一轮叫价的价格让出频谱，设最后一轮的价格为p_i，c_ji﹥p_i且c_ji﹥v_i,p_i﹥v_i，i∈M。根据分配的结果定义一个N*M的0-1分配矩阵F＝{f_ji}_N*M，f_ji∈{0,1}。其中当毫微微基站j作为无线链路接入点从授权系统买到一段频谱i时，则f_ji＝1，否则f_ji＝0。

a)设拍卖结束时，频谱池中的空闲频带出售叫价为p_i，从而可以算出授权系统i收益为：

b)Ζ_i＝p_i-v_i (1)

毫微微基站j的收益为：

S_j＝c_j-p_i (2)

即系统总收益为授权系统收益与毫微微基站收益之和，表示为：

M＝Z_i+S_j＝c_j-v_i (3)

从系统全局角度出发，考虑授权系统的损失的同时也考虑无线链路的收益，可以列出系统收益的目标函数。定义为毫微微基站作为无线链路所获得收益与授权系统所受干扰的差值为全局收益，记为：

合理的信道分配将会满足一下两个约束条件：即每个毫微微基站在同一时间内只能使用一个信道：即每个信道在同一时间内只能给一个毫微微基站。

最优化问题可以表示为：

模型中的系统效用值的定义为在一个拍卖周期中，一次拍卖过程的中整个拍卖模型获得的总收益，系统效用值越高代表拍卖算法的频谱分配效率越高。