一种小小区的频谱拍卖方法
【专利摘要】本发明公开了一种小小区的频谱拍卖方法，该方法将小小区与频谱拍卖相结合，通过在宏小区边缘、校园、办公室、商场等宏基站覆盖较弱或用户密集地区及室内部署小小区，利用拍卖的方法获得空闲的授权频带，将频谱资源有效地分配给小小区，充分的发挥出小小区优化网络覆盖等优点，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，弥补宏蜂窝的不足，提升频谱效率，为附近的用户提供高速无线服务。
【专利说明】
一种小小区的频谱拍卖方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种小小区的频谱拍卖方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信系统的飞速发展，与之相伴移动宽带用户数快速增长，其中例如像 智能手机这样的移动终端大量涌现。传统的宏蜂窝在满足LTE移动宽带通信需求方面，各种 局限性日益体现。在此背景下，小小区的概念作为解决上述问题的一种有效手段被提出。小 小区是一种低发射功率、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。
[0003] 小小区的引入弥补宏蜂窝的不足，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。但由于传统模式下的固定频谱分配制度使得稀缺的频 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，导致分配给小小区的 频谱资源极其有限，限制发挥小小区优化网络覆盖等特点。基于上述技术缺点，本发明引入 频谱拍卖理论。基于竞价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。
[0004] 本发明将小小区与频谱拍卖相结合，利用竞价拍卖的频谱分配方法，将空闲的频 谱资源及时有效地分配给小小区，避免了频谱资源的浪费，解决小小区频谱资源极其有限 的问题，充分的发挥出小小区优化网络覆盖等优点，进而提高频谱利用率。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种小小区的频谱拍卖方法，该方法引入拍卖 理论，将小小区与频谱拍卖相结合，利用竞价拍卖的频谱分配方法，将宏蜂窝空闲频谱资源 分为多个互不重叠且不可再分的空闲频带，且这些频带的性质（带宽、调制方式等)是完全 相同的，将频谱资源有效地分配给小小区，解决小小区频谱资源极其有限的问题，充分的发 挥出小小区优化网络覆盖等优点，进而提高频谱利用率，获得空闲的授权频带，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，弥 补宏蜂窝的不足，提升频谱效率，为附近的用户提供高速无线服务。
[0006] 在小小区的频谱拍卖模型中，网络架构一般采用集中式，卖方是拥有多段空闲频 带的授权用户，买方是小小区，单个小小区可以服务于一个或数个移动终端，即利用小小区 的特性为广大移动终端(非授权用户)提供通信服务，授权用户在获得频谱使用权时缴纳了 相应的费用，因此频谱的使用具有一定的成本，授权用户希望在成本价格之上以尽可能高 的价格出租自己的空闲频段，而非授权用户希望在自己的预期收益之下以尽可能低的价格 租用空闲频段来满足自己的通信要求，其中存在一个中央频谱拍卖处理器，在拍卖中充当 拍卖者，用来收集双方频谱价格、地理位置、网络节点等信息，整理资料，进行频谱拍卖。在 拍卖周期中，每个小小区为满足自身需要给频谱资源投标，由中央频谱拍卖处理器根据最 大化收益等原则确定胜利者。
[0007] 实现本发明目的的技术方案如下：
[0008] 一种小小区的频谱拍卖方法，包括如下步骤：
[0009] 1)建立一个小小区频谱拍卖的系统模型。
[0010] 2)设授权用户作为卖方拥有Μ个授权频带，记为€1={1，2，-_』}，存在~个小小区作 为买方集合，记为β= {1，2，…，Ν}。拍卖开始时，中央频谱拍卖处理器公布Μ个授权频带的拍 卖信息。
[0011] 3)小小区之间存在干扰情况，根据距离等因素，建立一个Ν*Ν的干扰矩阵：
[0012] B={bij}NXN，bije {〇，l}，ie0，(1)
[0013]式中B为干扰矩阵，1?则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间的干扰情况。
[0014] 其中当bu = l，则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间存在干扰，不能同时使 用同一频带，反之，则表示小小区之间无干扰。
[0015] 4)中央频谱拍卖处理器收到了每个小小区的报价矩阵，整合每个小小区的信息包 括地理位置或邻节点等，根据这些信息为每个小小区分配干扰用户集合A和可用频带集合 F，中央频谱拍卖处理器根据最大化收益等原则进行第一轮拍卖，从小小区集合中选出一个 赢家，为这个赢家分配可用频带F中任意一个可用的频带，若这个赢家的可用频带集合 /·'二0，则丢弃这个赢家。
[0016] 5)当每一个频段拍卖后，更新买家集合N:N = N-1，更新每个小小区分配干扰用户 集合A和可用频带集合F，重复步骤4)、步骤5)，直到小小区集合# = 0，由此，得到分配矩 阵：
[0則 D=i<L (2)
[0018] 式中D为分配矩阵，rf?为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况。
[0019] 6)在分配矩阵D中的每个分量抽取5%_10%的小小区，连同在步骤4)中无可用频 带的原因导致被丢弃的部分小小区，重新导入小小区新集合γ，并将抽取的小小区在它们 上一次竞价成功所匹配获得的频带从各自的可用频带集中删除，重复步骤4)、步骤5)得到 新的分配矩阵：
[0020] :(:1:)
[0021] 式中E为新的分配矩阵，《为为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况。
[0022] 对比分配矩阵D和分配矩阵E，若分配矩阵E的系统效用值较大，则用新的分配矩阵 代替旧的。
[0023] 7)重复步骤6) i次，i彡10，得到最终的分配矩阵。
[0024] 8)根据分配矩阵和价格矩阵我们可以得出小小区频谱拍卖模型的系统效用值为：
[0026] 式中UV(D)为系统效用值，为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况，C为第 η个小小区对第m个授权频带的估价。
[0027] 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。
[0028] 步骤1)中模型中主要包含三类：
[0029] A.卖方为拥有多个互不重叠且不可再分的空闲频带的授权用户，且这些频带的性 质（带宽、调制方式等)是完全相同的；
[0030] B.买方为竞价频谱资源从而服务于非授权用户的小小区，每个小小区只关心有没 有获得信道而不会关心获得的是哪一条信道。同时，假设每个小小区在一个拍卖周期内只 需使用一个空闲频带。小小区是服务于任何需要频谱资源的通信设备，并且距离足够远的 多个小小区之间无干扰或干扰足够小，可以同时使用同一频带进行通信；
[0031] C.中央频谱拍卖处理器，它作为拍卖者处于卖方和买方之间，主要功能是公布授 权用户的频谱信息，接收每个小小区对于频谱的报价，分析每个小小区的干扰因素等，最终 进行频谱拍卖以及频谱分配，是联系买方和卖方的重要枢纽。
[0032] 步骤2)中，N个小小区对授权频带作出估价矩阵，记为
[0033] V={v:}歸⑶
[0034] 式中v"w为第η个小小区对第m个授权频带的估价，m G a，n e β。
[0035] 随后，每个小小区都需要向中央处理器提供对每个授权频带的报价矩阵，记为：
[0036] C={c；；'}wjv (6)
[0037] 式中 < 为第η个小小区对第m个授权频带的报价。
[0038] 授权用户向中央处理器标明了单个频带的平均成本价格，记为pc，< >此且 ?。根据这些信息在使系统效用值最大化的前提下，来决定哪些用户竞标成功以及竞 标成功用户的实际应付价格。整个拍卖算法的目标就是找出使得系统效用最高的分配矩 阵：
[0040] 式中€*表示为第η个小小区竞标第m个信道是否成功，
[0041] 和价格矩阵P，等表示第η个小小区竞标第m个信道成功，反之则表示竞标失 败。
[0042] 本发明的有益效果为:本发明将小小区和频谱拍卖充分的结合在一起。运用小小 区灵活、快速部署，优化网络覆盖的技术特点与实际情况相联系，再结合简单高效的频谱拍 卖分配方法，利用频谱资源的有效共享和动态管理，从而部署小小区来覆盖盲区以及分担 热点流量压力，弥补宏蜂窝的不足，提升频谱效率，提高网络容量，优化网络覆盖，更好地满 足未来移动通信业务的发展需求和提升用户体验。
【附图说明】
[0043] 图1为小小区频谱拍卖系统模型图；
[0044] 图2为小小区频谱拍卖的频谱分配方法流程图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图对本
【发明内容】
作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
[0046] 实施例
[0047] -种小小区的频谱拍卖方法，包括如下步骤：
[0048] 1)建立一个小小区频谱拍卖的系统模型。其中包括拥有多个互不重叠且不可再分 的空闲频带的授权用户；需要频谱资源的各类移动终端；拍卖得到频谱资源且服务于移动 终端的小小区；以及作为拍卖枢纽的中央频谱拍卖处理器。
[0049] 2)设授权用户作为卖方拥有Μ个授权频带，记为€(={1，2，一，1}，存在~个小小区作 为买方集合，记为β= {1，2，…，Ν}。拍卖开始时，中央频谱拍卖处理器公布Μ个授权频带的拍 卖信息。
[0050] 3)小小区之间存在干扰情况，根据距离等因素，建立一个Ν*Ν的干扰矩阵
[0051] B={bij}NXN，bije {〇，l}，ie0，(1) 式中B为干扰矩阵，1?则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间的干扰情况。
[0052]式中当bu = l，则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间存在干扰，不能同时使 用同一频带，反之，则表示小小区之间无干扰。
[0053] 4)中央频谱拍卖处理器收到了每个小小区的报价矩阵，整合每个小小区的信息包 括地理位置或邻节点等，根据这些信息为每个小小区分配干扰用户集合A和可用频带集合 F，中央频谱拍卖处理器根据最大化收益等原则进行第一轮拍卖，从小小区集合中选出一个 赢家，为这个赢家分配可用频带F中任意一个可用的频带，若这个赢家的可用频带集合 F二0，则丢弃这个赢家。
[0054] 5)当每一个频段拍卖后，更新买家集合N:N = N-1，更新每个小小区分配干扰用户 集合A和可用频带集合F，重复步骤4)、步骤5)，直到小小区集合汉=0，由此，得到分配矩 阵：
[0055] :〇={<}爾 C2)
[0056] 式中D为分配矩阵，<Γ为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况。
[0057] 6)在分配矩阵D中的每个分量抽取5%_10%的小小区，连同在步骤4)中无可用频 带的原因导致被丢弃的部分小小区，重新导入小小区新集合γ，并将抽取的小小区在它们 上一次竞价成功所匹配获得的频带从各自的可用频带集中删除，重复步骤4)、步骤5)得到 新的分配矩阵：
[0058] 則痛馳:(3)
[0059] 式中Ε为新的分配矩阵，<为为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况。
[0060] 对比分配矩阵D和分配矩阵E，若分配矩阵E的系统效用值较大，则用新的分配矩阵 代替旧的。
[0061] 7)重复步骤6)i次，i彡10,得到最终的分配矩阵。
[0062] 8)根据分配矩阵和价格矩阵我们可以得出小小区频谱拍卖模型的系统效用值为：
[0064]式中UV(D)为系统效用值，iC为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况，v" m为第 η个小小区对第m个授权频带的估价。
[0065]小小区频谱拍卖的目标函数为：
[0067] 式中为第η个小小区对第m个授权频带的分配情况，< 为第η个小小区对第m个 授权频带的估价。
[0068] 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。
[0069] 步骤1)中模型中主要包含三类：
[0070] A.卖方为拥有多个互不重叠且不可再分的空闲频带的授权用户，且这些频带的性 质（带宽、调制方式等)是完全相同的；
[0071] B.买方为竞价频谱资源从而服务于非授权用户的小小区，每个小小区只关心有没 有获得信道而不会关心获得的是哪一条信道。同时，假设每个小小区在一个拍卖周期内只 需使用一个空闲频带。小小区是服务于任何需要频谱资源的通信设备，并且距离足够远的 多个小小区之间无干扰或干扰足够小，可以同时使用同一频带进行通信；
[0072] C.中央频谱拍卖处理器，它作为拍卖者处于卖方和买方之间，主要功能是公布授 权用户的频谱信息，接收每个小小区对于频谱的报价，分析每个小小区的干扰因素等，最终 进行频谱拍卖以及频谱分配，是联系买方和卖方的重要枢纽。
[0073] 步骤2)中，N个小小区对授权频带作出估价矩阵，记为
[0074] V={v:}滅 (65):
[0075] 式中 < 为第η个小小区对第m个授权频带的估价，m G a，n e β。
[0076] 随后，每个小小区都需要向中央处理器提供对每个授权频带的报价矩阵，记为：
[0077] C={c；：}^ (6)
[0078] 式中 < 为第η个小小区对第m个授权频带的报价。
[0079] 授权用户向中央处理器标明了单个频带的平均成本价格，记为pc，< >pc且 < > <。根据这些信息在使系统效用值最大化的前提下，来决定哪些用户竞标成功以及竞 标成功用户的实际应付价格。整个拍卖算法的目标就是找出使得系统效用最高的分配矩 阵：
[0080] 〇令}歸(7)
[0081] 式中尤"表示为第η个小小区竞标第m个信道是否成功，
[0082] 和价格矩阵P，等表示第η个小小区竞标第m个信道成功，反之则表示竞标失 败。
[0083] 如图1所示，小小区频谱拍卖的系统模型包括拥有多个互不重叠且不可再分的空 闲频带的授权用户，它将空闲频带提供给拍卖枢纽的中央频谱拍卖处理器。中央频谱拍卖 处理器收集拍卖信息，根据最大化收益等原则将空闲频带卖给的合理部署在各区域小小 区，最终利用小小区灵活、快速部署等技术特点服务于需要频谱资源的各类移动终端。
[0084] 如图2所示，小小区拍卖的流程为：
[0085] S01建立频谱拍卖模型
[0086] S02部署小小区，构造网络
[0087] S03授权用户向中央频谱拍卖处理器提供Μ个空闲频带
[0088] S04中央频谱拍卖处理器向小小区发布频谱拍卖信息
[0089] S05小小区向中央频谱拍卖处理器提交频谱的竞价信息
[0090] S06中央频谱拍卖处理器构造干扰矩阵并为每个小小区建立可用频带集合F和干 扰用户集合A
[0091] S07开始频谱拍卖
[0092] S08根据最大化收益等原则选出一个赢家，并分配一个可用频带
[0093] S09赢家的可用频带集合F是否等于0.是则跳转sl3,否则顺序执行
[0094] S10更新小小区集合各自的F和A
[0095] S11小小区集合是否等于0，是则顺序执行，否则跳转S08
[0096] S12中央频谱拍卖处理器整理信息得出分配矩阵D和价格矩阵P
[0097] S13从分配矩阵D中抽取部分小小区，加上被丢弃的小小区重新拍卖
[0098] S14得到新的分配矩阵E，E的系统效用值是否较大，是则顺序执行，否则丢弃得到 的分配矩阵E
[0099] S15采用新的分配矩阵E
[0100] S16是否重复S13、S14、S15三个步骤i次，i彡10，是则顺序执行，否则跳转S13 [0101] S17结束频谱拍卖。
【主权项】
1. 一种小小区的频谱拍卖方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 建立一个小小区频谱拍卖的系统模型； 2) 设授权用户作为卖方拥有M个授权频带，记为a ={ 1，2，…，M}，存在N个小小区作为买 方集合，记为0={1，2，一4}。拍卖开始时，中央频谱拍卖处理器公布1个授权频带的拍卖信 息； 3) 小小区之间存在干扰情况，根据距离等因素，建立一个N*N的干扰矩阵 B={bij}NXN，bije {〇，l}，ie0，(I) 式中B为干扰矩阵，1?则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间的干扰情况。 其中当bu = l，则表示第i个小小区和第j个小小区相互之间存在干扰，不能同时使用同 一频带，反之，则表示小小区之间无干扰； 4) 中央频谱拍卖处理器收到了每个小小区的报价矩阵，整合每个小小区的信息包括地 理位置或邻节点等，根据这些信息为每个小小区分配干扰用户集合A和可用频带集合F，中 央频谱拍卖处理器根据最大化收益等原则进行第一轮拍卖，从小小区集合中选出一个赢 家，为这个赢家分配可用频带F中任意一个可用的频带，若这个赢家的可用频带集合# = 0， 则丢弃这个赢家； 5) 当每一个频段拍卖后，更新买家集合N:N = N-1，更新每个小小区分配干扰用户集合A 和可用频带集合F，重复步骤4)、步骤5)，直到小小区集合ΛΓ = 0，由此，得到分配矩阵：6) 在分配矩阵D中的每个分量抽取5%-10%的小小区，连同在步骤4)中无可用频带的 原因导致被丢弃的部分小小区，重新导入小小区新集合Y，并将抽取的小小区在它们上一 次竞价成功所匹配获得的频带从各自的可用频带集中删除，重复步骤4)、步骤5)得到新的 分配矩阵：对比分配矩阵D和分配矩阵Ε，若分配矩阵E的系统效用值较大，则用新的分配矩阵代替 旧的； 7) 重复步骤6)i次，i彡10,得到最终的分配矩阵； 8) 根据分配矩阵和价格矩阵我们可以得出小小区频谱拍卖模型的系统效用值为：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。2. 根据权利要求1所述的小小区的频谱拍卖方法，其特征在于，步骤1)中模型中主要包 含三类： A. 卖方为拥有多个互不重叠且不可再分的空闲频带的授权用户，且这些频带的性质 (带宽、调制方式等)是完全相同的； B. 买方为竞价频谱资源从而服务于非授权用户的小小区，每个小小区只关心有没有获 得信道而不会关心获得的是哪一条信道。同时，假设每个小小区在一个拍卖周期内只需使 用一个空闲频带。小小区是服务于任何需要频谱资源的通信设备，并且距离足够远的多个 小小区之间无干扰或干扰足够小，可以同时使用同一频带进行通信； C.中央频谱拍卖处理器，它作为拍卖者处于卖方和买方之间，主要功能是公布授权用 户的频谱信息，接收每个小小区对于频谱的报价，分析每个小小区的干扰因素等，最终进行 频谱拍卖以及频谱分配，是联系买方和卖方的重要枢纽。3.根据权利要求1所述的小小区的频谱拍卖方法，其特征在于，步骤2)中，N个小小区对 授权频带作出估价矩阵，记为：随后，每个小小区都需要向中央处理器提供对每个授权频带的报价矩阵，记为 其中 <为第n个小小区对第m个授权频带的报价。授权用户向中央处理器标明了 单个频带的平均成本价格，记为>/叱且< > .<。根据这些信息在使系统效用值最大 化的前提下，来决定哪些用户竞标成功以及竞标成功用户的实际应付价格。整个拍卖算法 的目标就是找出使得系统效用最高的分配矩阵D=PItfxiv和价格矩阵P。# =1表示第η个 小小区竞标第m个信道成功，反之则表示竞标失败。
【文档编号】H04W16/10GK106028346SQ201610664347
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月12日
【发明人】赵峰, 刘博 , 陈宏滨
【申请人】桂林电子科技大学