专利名称：认知无线网络中频谱博弈分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及认知无线网络中频谱博弈分配方法。
背景技术：
随着各种无线通信新技术的不断出现以及各种无线业务的兴起，以及新一代宽带无线网络的大量出现(如LTE-A和WiMAX)，频谱资源短缺的问题日益严重。目前无线电频谱是采取固定方式分配给不同的网络(即为授权频谱)，由国家统筹规划管理。实际应用中的大量测量结果表明，这种固定频谱授权分配使用的方式导致某些频谱承载的业务量很大，出现严重的拥塞现象；而同时，也有些频谱的频谱使用效率极低，造成了频谱资源的严重浪费。认知无线电的提出被认为是解决这一问题最完美的技术方案，由此衍生的认知无线网络也已被视为未来网络的主流发展方向。认知是指无线电必须具有自我感知能力，了解其工作环境的基本状况，并使用无线电知识表示语言与其他的实体进行通信，从而实现无线电的控制问题。认知无线电技术为次用户提供了择机使用和共享频谱的能力，主要包括频谱检测、频谱分配(管理)以及频谱切换等多方面的内容，核心思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。频谱分配是指根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求。在认知无线电中，为了解决频谱资源的匾乏和目前固定分配频谱利用率较低的问题，就要求找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有两条其一，提高频谱利用率，将已授权用户的频谱资源充分利用，减少浪费；其二， 提高系统通信效率，将已获得的频谱资源和其他资源综合优化分配，进而提高利用率，这些都涉及到频谱分配的内容。认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电概念的提出发展至今，不少学者提出了认知无线电中频谱共享问题的分析模型，它们大多是借鉴于一些经典的数学理论以及微观经济学理论等，现就较为常见的两种频谱分配模型介绍如下(1)基于图论的频谱分配模型基于图论的频谱分配模型是建立在相应的干扰和约束条件之上的。在认知无线电的研究中，将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图，图中的每一个顶点代表无线用户，每一条边表示一对顶点间的冲突或者干扰。特别的，如果图中的某两个顶点由一条边连接，则假定这两个节点不能同时使用相同的频谱。另外，将每一个顶点与一个集合相关联，这个集合代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱资源。由于每个顶点地理位置的不同，因而不同顶点所关联的资源集合是不同的。在建立了网络拓扑结构图的基础上，便可以根据图论着色理论对认知无线电用户进行频谱分配。但是，基于该模型的频谱分配方法中，频谱分配的完成时间与空闲信道数多少以及网络的动态特性有关，在网络结构发生变化的时候需要更新拓扑图并重新着色进行频谱的再分配，因而该模型无法适应认知无线电中空闲频谱快速时变的要求，也不适应认知无线电网络的动态变化。(2)基于定价拍卖的频谱分配模型利用微观经济学中定价拍卖原理而制定的无线电资源分配机制在近年来被广泛研究，而且已经证明是认知无线电网络的频谱分配问题的有效解决方法。在这种基于拍卖的频谱分配模型中，网络结构一般采用集中式结构，认知无线电用户是投标者，中心接入点 (Access Point,AP)或基站(Base Station,BS)在一次拍卖中充当拍卖人。在一个拍卖轮回中，每个投标者为满足自身需要给频谱资源投标，由拍卖人根据最大化认知无线电网络收益等原则确定胜利者。基于定价拍卖的频谱分配模型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。例如采用最大化系统吞吐量原则将某段频谱分配给在其上吞吐量投标值最大的用户，利用效用公平原则和时间公平原则保证投标在竞争频谱资源过程中的效用公平和时间公平等等。但是，基于该模型的频谱分配方法中，只是根据次用户的频谱租用需求进行决策， 并未考虑主用户的出租效益和空闲频谱动态变化情况，决策时如果次用户需要在需求和效益之间进行平衡，则有可能导致一个轮回的决策时间过长(多个次用户多次调整需求值)， 因而该模型也无法适应认知无线电中空闲频谱快速时变的要求，也不适应频谱分配的实时性要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题本方案为了解决主用户空闲频谱利用率低的问题，提出了一种认知无线网络中频谱博弈分配方法，通过博弈论中的寡头竞争抽象模型调整频谱共享策略，使得主用户得到额外的效用，次用户也可以利用主用户的频谱传输信息，实现了频谱共享，提高了频谱利用率。(二)技术方案本发明适用于可实施集中式控制的网络部署场景中，提出了一种认知无线网络中频谱博弈分配方法，所述方法包括步骤Si，次用户检测到空闲频谱，与频谱管理中心建立连接，将该次用户的详细信息传送给所述频谱管理中心，请求租借频谱；S2，所述频谱管理中心将各次用户的租借频谱请求信息进行公示；S3，不同的主用户出租一定数量的频谱，并观察供需情况，随时调整自己出租频谱的数量进行博弈；S4，所述频谱管理中心判断主用户博弈是否达到稳定状态，若未达到稳定状态，则继续等待博弈结束；若达到稳定状态，则进行公示，并选定主用户出租频谱；S5，主用户观察到博弈结束，则与次用户建立通信连接，以稳定状态时自己决定出租频谱的数量将频谱出租给次用户；S6，次用户使用主用户的频谱，在结束通信之后将频谱归还给主用户。
优选地，步骤S3中，所有主用户同时采取策略进行每次博弈，或者由一批主用户先采取策略、其他主用户后采取策略进行每次博弈。优选地，步骤S3中，在每次博弈过程中，主用户i调整自身出租的频谱数量h的值，以使得主用户i的实际效用up(h)最大。优选地，主用户i的实际效用函数为
权利要求
1.一种认知无线网络中频谱博弈分配方法，其特征在于，所述方法包括步骤Si，次用户检测到空闲频谱，与频谱管理中心建立连接，将该次用户的详细信息传送给所述频谱管理中心，请求租借频谱；S2，所述频谱管理中心将次用户的租借频谱请求信息进行公示；S3，不同的主用户出租一定数量的频谱，并观察供需情况，随时调整自己出租频谱的数量进行博弈；S4，所述频谱管理中心判断主用户博弈是否达到稳定状态，若未达到稳定状态，则继续等待博弈结束；若达到稳定状态，则进行公示，并选定主用户出租频谱；S5，主用户观察到博弈结束，则与次用户建立通信连接，以稳定状态时自己决定出租频谱的数量将频谱出租给次用户；S6，次用户使用主用户的频谱，在结束通信之后将频谱归还给主用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所有主用户同时采取策略进行每次博弈，或者由一批主用户先采取策略、其他主用户后采取策略进行每次博弈。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，在每次博弈过程中，主用户i 调整自身出租的频谱数量h的值，以使得主用户i的实际效用up(b》最大。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，主用户i的实际效用函数为1 ^Nτγ _ L·Ujbi) = (Iog2 (1 +-—-r)-V h )h - WM1 (B;eq - k J~'-)2 ；Λ" ν 52V Xn(^2IBERtar)‘台"！ Λ 1 ‘ M1 ‘其中，N为系统中主用户的数量，bi表示主用户i出租的频谱数量，Y表示接收机信噪比，BERtar为设定的比特错误概率的门限值，w为成本函数的权重，6广是主用户i连接需要的带宽,WjPMi分别指主用户i的频谱宽度和连接数目，表示主用户i的频带使用效率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述稳定状态指系统中出租的频谱总量和各主用户出租的频谱数量均稳定不变。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述频谱管理中心通过观察连续若干次的博弈结果是否相同来判断博弈是否达到稳定状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频谱管理中心通过观察连续三次的博弈结果是否相同来判断博弈是否达到稳定状态。
全文摘要
本发明涉及无线通信技术领域，提出一种认知无线网络中频谱博弈分配方法。该方法中，次用户检测到空闲频谱后请求租借频谱，频谱管理中心收到次用户的租借请求信息和详细参数信息，调用主用户的博弈算法，确定为次用户提供频谱的主用户；在博弈过程中，每个主用户每次博弈时根据供需情况调整当次出租频谱数量，以期获得最大效用；在博弈最终达到稳定平衡状态后，根据次用户的请求，在通信期间，多个主用户为次用户分配需要大小的频谱。本发明的方法完全反映了认知无线电系统中频谱分配的过程，通过主用户之间的竞争使得各主用户出租频谱数量达到均衡状态，将主用户效用最大化，实现了频谱共享，提高了主用户的频谱利用率。
文档编号H04W16/10GK102316465SQ201110287190
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者俎云霄, 刘毅飞, 李鹏, 贾越 申请人:北京邮电大学