基于伤害程度的频谱分配机制设计方法与流程

本发明涉及频谱分配、激励机制领域，特别涉及基于伤害程度的频谱分配机制设计方法。

背景技术：

频谱分配的机制设计是研究的热门主题。在主市场中，政府机构将特定的频谱资源通过某种方式分配给主用户，主用户缴纳一定的费用获得频谱的使用权。二级用户(如一些小型无线电用户)无法承受在频谱初次分配阶段高昂的费用。因此，在次级市场中，主市场的用户可以将空闲的频谱资源临时租赁给二级用户，以换取一定的利益。拍卖作为一种能够保证真实性的激励机制，已被广泛应用于频谱分配。

在本发明作出之前，现有的频谱拍卖仍然存在着如下问题：

1)真实性。作为传统的拍卖机制设计，频谱拍卖机制需要满足真实性，也就是说，真实的报价是拍卖双方(买家和卖家)的占优策略，换句话说，拍卖双方不能通过谎报报价来优化自己的利益，而真实性能防止拍卖遭受操纵。现存的大部分频谱拍卖都没有考虑真实性，不能够防范拍卖双方的欺诈行为，因而可能损害整个拍卖的效益。

2)频谱的异构性。在现实中，信道在很多方面都存在区别，如空间和频率。频谱异构性导致竞标的多样性，买方可能对某些信道有偏好或要求，也就增加了算法的复杂度。大部分的频谱拍卖机制只考虑同构的频谱，没有考虑用户需求的异构性。

3)交易的异构性。现有的异构频谱拍卖中，买家付同样的钱却租赁到不同的信道，同样，卖家得到相同的费用却被分配不同的买家，这在传统的交易市场中是不合理的。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服上述问题，研发基于伤害程度的频谱分配机制设计方法。

本发明的技术方案是：

基于伤害程度的频谱分配机制设计方法，其主要技术特征在于步骤如下：

拍卖者作为频谱持有者和二级用户之间的掮客，在收集到空闲信道的要价和二级用户对空闲信道的报价等信息后，拍卖者进行决策工作，主要包括候选人的筛选、赢者决策、定价策略三个阶段的工作。

所述的候选人的筛选阶段包括如下步骤：

步骤1：拍卖者收集频谱持有者提供的信道的要价和二级用户对一个或多个信道提出的相关带宽需求、报价；

步骤2：所有的二级用户对所有的频谱持有者的带宽需求为一个二维矩阵，权值为带宽需求；

步骤3：用最大权匹配算法(maximumweightedmatching)对带宽需求矩阵进行一对一匹配，得到候选频谱持有者和候选二级用户的以及他们之间的匹配关系。

所述的赢者决策阶段主要是应用mcafee算法来实现，包括如下步骤：

步骤1：排序。候选频谱持有者根据信道的要价由低到高排序，即aj1≤aj2≤…；候选二级用户根据与之匹配的信道的报价由高到低排序，即bi1≥bi2≥…；

步骤2：选择临界值k为报价大于要价的最大的下标，即k为最大的，bik≥ajk，

步骤3：以和为基准，计算临界价格p和q，其中p为买家的临时支付，q为卖家的临时获得。如果p＝q＝p0；否则p＝bik，q＝ajk。

所述的定价策略阶段应用了伤害程度，包括如下步骤：

步骤1：对于每个候选二级用户-候选频谱持有者对即买家-卖家对，在该买家ri不参与该场拍卖的情况下，重新进行候选人的筛选和赢者决策，计算买家和卖家的临时支付p-i和q-σ(i)，其中σ(·)为映射函数，hσ(i)为买家ri在候选人筛选阶段匹配到的卖家；

步骤2：对于每个买家-卖家对，计算该买家参与该场拍卖时其他人的社会福利swi，以及该买家不参与拍卖时的社会福利sw-i，该买家-卖家造成的伤害程度为ddi＝sw-i-swi。其中社会福利是一种衡量整个拍卖对社会造成的效用函数，可以为所有赢者买家-卖家对报价和要价之差的累加和，也可以为所有卖家要价的累加和；

步骤3：对于每个买家-卖家对，从候选人买家-卖家对中选择一对满足约束的买家-卖家对的报价-要价来作为该买家-卖家对的最终支付。需要满足四个约束(1)候选人买家-卖家对的报价-要价对于该买家-卖家对满足个体理性；(2)候选人买家-卖家对的报价-要价对于该买家-卖家对满足预算平衡；(3)根据伤害程度，所选择的候选人买家的报价应大于min(p，p-i+ddi)并且小于max(p，p-i+ddi)；(4)根据伤害程度，所选择的候选人卖家的报价应大于min(q，q-σ(i)-ddi)并且小于max(q，q-σ(i)-ddi)。若满足上述条件的买家-卖家对不存在，则用临时价格p和q作为最终该买家和卖家的最终支付价格。

本发明主要包括候选人的筛选、赢者决策、定价策略三个阶段，实现了频谱持有者和二级用户的匹配，并决定了最终双方的支付。整个过程是一种防策略(strategy-proof)的分配机制，即双方通过谎报价格并不会提高他们的效用，也就是说，报出真实的价格是一个占优策略(dominantstrategy)。

本发明的优点和效果在于考虑到得到不同物品支付相同价格的不合理性，其主要在于考虑到某参与者参与拍卖后对整个拍卖造成的伤害，也就是说，如果该参与者不参与该拍卖，整个拍卖的效用反而会更优，那就要对该参与者进行惩罚，具体地说频谱持有者得到更少的支付，二级用户支付更多。为了充分考虑用户的偏好，一个用户可以对不同的频谱提出不同的报价。同时，整个拍卖过程确保真实性，也就是说买家和卖家不能通过谎报来提高自己的收益，因此，真实的参与者也不用担心谎报带来的交易不公平。

附图说明

图1——频谱拥有者与二级用户拍卖模型示意图。

图2——频谱分配过程例图。

图3——支付规则例图。

具体实施方式

频谱持有者(spectrumholder)拥有空闲的和已经被占用的两种信道，频谱持有者释放空闲的信道给二级用户(secondaryuser)；二级用户根据自己的需求对一个或者多个信道提出请求；拍卖者(auctioneer)作为频谱持有者和二级用户之间的掮客，决定赢者、赢者之间的匹配关系和赢者之间的相互支付。

图1为本发明的过程示意图，拍卖者负责买家和卖家之间的交互，主要包括候选人的筛选、赢者决策、定价策略三个阶段的工作。

候选人的筛选包括如下步骤：

步骤1：拍卖者收集频谱持有者提供的信道的要价和二级用户对一个或多个信道提出的相关带宽需求、报价，其中带宽需求与买家-卖家之间的匹配有关，而报价与定价决策有关；

其中二级用户可以对一个或者多个信道提出请求，体现了二级用户的偏好以及报价的多样性。

步骤2：所有的二级用户对所有的频谱持有者的带宽需求为一个二维矩阵，权值为带宽需求；如表1矩阵所示，有5个二级用户分别对6个频谱持有者提出带宽请求，su3对所有的频谱持有者的带宽请求是{3，5，3，8，4，0}，su3对sh6的带宽请求是0，说明su3对sh6没有请求。

表1矩阵

步骤3：用最大权匹配算法(maximumweightedmatching)对带宽需求矩阵进行一对一匹配，得到候选频谱持有者和候选二级用户的以及他们之间的匹配关系。

赢者决策主要是应用mcafee算法来实现，包括如下步骤：

步骤1：排序。候选频谱持有者根据信道的要价由低到高排序，即aj1≤aj2≤…；候选二级用户根据与之匹配的信道的报价由高到低排序，即bi1≥bi2≥…；

步骤2：选择临界值k为报价大于要价的最大的下标，即k为最大的bik≥ajk，

步骤3：以和为基础，计算临界价格p和q，其中p为买家的临时支付，q为卖家的临时获得。如果p＝q＝p0；否则p＝bik，q＝ajk；

如图2所示，5个候选二级用户和5个候选频谱持有者，在候选人的筛选阶段确定了匹配关系。二级用户的报价由低到高排序，频谱持有者的要价由高到低排序；找到k＝4为报价大于要价的最大的下标，这里p0＝7.5，所以p＝7，q＝6。

定价策略体现了伤害程度，包括如下步骤：

步骤1：对于每个候选二级用户-候选频谱持有者对(简述为买家-卖家对)，在该买家ri不参与该场拍卖的情况下，重新进行候选人的筛选和赢者决策，计算买家和卖家的临时支付p-i和q-σ(i)，其中σ(·)为映射函数，hσ(i)为买家ri在候选人筛选阶段匹配到的卖家。

步骤2：对于每个买家-卖家对，计算该买家ri参与该场拍卖时其他人的社会福利swi，以及该买家不参与拍卖时的社会福利sw-i，该买家-卖家造成的伤害程度为ddi＝sw-i-swi。其中社会福利是一种衡量整个拍卖对社会造成的效用函数，可以为所有赢者买家-卖家对报价和要价之差的累加和，也可以为所有卖家要价的累加和。

伤害程度ddi可正可负。具体地说，如果伤害程度为负，说明该买家-卖家对之间的分配对这次拍卖造成了伤害，也就是说如果该买家不参与这场拍卖，其他买家可以占用该买家参与拍卖时占用的信道，并且整个拍卖的社会福利得到改善。在这种情况下，要对该买家-卖家对进行惩罚，也就是说买家支付更多，卖家得到更少。相反，如果伤害程度是正的话，该买家-卖家对会得到相应的补偿，即，买家支付更少，卖家得到更多。

步骤3：对于每个买家-卖家对，从候选人买家-卖家对中选择一对满足约束的买家-卖家对的报价-要价来作为该买家-卖家对的最终支付。

需要满足四个约束：

(1)候选人买家-卖家对的报价-要价对于该买家-卖家对满足个体理性；

(2)候选人买家-卖家对的报价-要价对于该买家-卖家对满足预算平衡；

(3)根据伤害程度，所选择的候选人买家的报价应大于min(p，p-i+ddi)并且小于max(p，p-i+ddi)；

(4)根据伤害程度，所选择的候选人卖家的报价应大于min(q，q-σ(i)-ddi)并且小于max(q，q-σ(i)-ddi)。若满足上述条件的买家-卖家对不存在，则用临时价格p和q作为最终该买家和卖家的最终支付价格。

对于每个买家-卖家对，选取的决定最终支付的候选人买家-卖家对可能是不同的，也就是说买家的最终支付或者卖家的获得是不一样的，解决了购买不同物品支付相同价格的不合理性。同时，选取的候选人买家-卖家对作为赢者买家-卖家对的最终支付，与赢者买家-卖家对本身没有关系，即，若赢者买家-卖家对谎报自己的报价-要价对最终候选人买家-卖家对的选取没有影响，确保了真实性。

如图3所示，横线上下方的符号表示各参数的位置，这边ddi是正的，根据约束，寻找的候选人买家-卖家对在该图的阴影部分；若不存在满足约束条件的候选人买家-卖家对，则用临时价格p和q作为最终支付。