专利名称：认知网络中频谱资源的分配方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种认知网络中频谱资源的分配方法。
背景技术：
随着无线服务的迅速发展，频谱资源逐渐成为一种稀缺资源。几乎所有的可用频带都已经被分配给了有关服务供其使用。然而，大量的测量发现在授权频谱中有相当大的一部分处于未使用或者不常使用的状态，无线频谱资源的利用率很低。正是如此，认知无线电(CR, Cognitive Radio)技术被提出，用于解决当前无线频谱资源的低利用率，同时也使得频谱的分配变得十分灵活。认知无线电也被称为智能无线电，是一种动态感知空闲频谱并加以分配利用的技术，其核心目标是改变现有固定频谱分配方式对频谱利用不够充分的缺点，以更有效地利 用频谱资源。通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配和频谱共享。由认知无线电技术衍生的认知无线网络则成为未来网络的主要发展方向。在认知无线网络中，频谱资源的原始拥有者被称为主用户(PU, primary user),而试图在PU频谱空闲时通过租借的方式使用PU频谱的用户被称为次级用户(SU, secondary user)。目前，一般将认知无线网络的模型分为独占使用(exclusiveuse)和层级接入(hierarchical access)两种。独占使用模型中，主用户将未被使用的频段租赁给次级用户使用。在层级接入模型中，当主用户处于空闲状态时，次级用户才可以传输数据。在层级接入模型中，根据主用户行为的动态特性又可以将次级用户的频谱使用分为动态频谱分配(dynamic spectrum allocation)和机会步页谱接入(opportunistic spectrum access)两种。在动态频谱分配中，主用户的动态特性较低，频谱资源在一个相对较长的时间段内处于未使用状态。然而在机会频谱接入中，次级用户的动态特性较高，频谱资源的空闲状态只持续一段较短的时隙。针对动态频谱分配，目前有很多经济学工具被用于解决其中的相关具体问题，在这些经济学工具中，拍卖理论作为一种强有力的工具，被很好地应用到动态频谱分配中。利用拍卖理论实现动态频谱分配技术多关注于实现提高次级用户的总收益(netsocial welfare),也称为次级用户价值总和、主用户的收益(generated revenue)与保证拍卖机制的真实性(truthfulness)中的一项或者几项。就目前而言，利用动态规划或者穷举法可以实现最大化次级用户的总收益，然而不论是动态规划还是穷举法，其运算复杂度都很高，且均不适用于短时间的动态频谱分配。有关认知无线网络中频谱资源的分配还可以参见文章 “A General Framework for Clearing Auction of Wireless Spectrum”(无线频谱拍卖的一种普遍架构，IEEE Symposium on New Frontiers in Dynamic SpectrumAccess Networks 2007)。因此，对于认知网络中频谱资源的分配而言，如何能够既降低频谱资源分配过程中的运算复杂度，又最大化次级用户的总收益、提高频谱利用率成为目前亟待解决的问题
之一 O
发明内容
本发明解决的问题是提供一种运算复杂度低、次级用户的总收益高和频谱利用率高的认知网络中频谱资源的分配方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种认知网络中频谱资源的分配方法，包括获取空闲时频单元块的数量；发送广播信息至次级用户，所述广播信息包括所述空闲时频单元块的数量；获取所述次级用户反馈的选择信息，所述选择信息包括所述次级用户申请的时频单元块的数量及其总报价；基于所述选择信息，获取每个次级用户的范数，所述范数关联于所述选择信息； 按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户。可选的，所述每个次级用户的范数通过如下方式确定
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yci其中，η,为第i个次级用户的范数，Ci为第i个次级用户申请的时频单元块的数量，4为第i个次级用户申请的时频单元块的总报价。可选的，所述认知网络中频谱资源的分配方法还包括确定获得频谱资源的次级用户的支付费用。可选的，所述确定获得频谱资源的次级用户的支付费用包括确定次级用户队列中，获得频谱资源的第i个次级用户存在时，第一个未获得频谱资源且在所述第i个次级用户不存在时，位于第i个次级用户之后获得频谱资源的次级用户为SUi-；若所述次级用户SR，不存在，则第i个次级用户的支付费用为零；若所述次级用户SUi，存在,则第i个次级用户的支付费用为AX'.，其中，rv为第i’个次级用户的范数；所述次级用户队列按照次级用户的范数由大至小的顺序建立。可选的,所述获取空闲时频单元块的数量包括对频谱进行划分以获取时频单元块的数量；确定占用的时频单元块的数量；在所述时频单元块的数量中减去所述占用的时频单元块的数量，获取空闲时频单元块的数量。可选的，所述广播信息还包括空闲时段的开始和结束时刻。可选的，通过香农定理或信噪比获取所述次级用户申请的时频单元块的数量。可选的，所述按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户包括判断当前空闲时频单元块的数量是否大于或等于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量；若当前空闲时频单元块的数量大于或等于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量，则所述次级用户获得频谱资源，并在次级用户队列中删除所述次级用户，所述次级用户队列按照次级用户的范数由大至小的顺序建立；
若当前空闲时频单元块的数量小于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量，则在所述次级用户队列中删除所述次级用户；重复上述步骤，直至当前空闲时频单元块的数量为零或所述次级用户队列中不存在次级用户。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点通过获取次级用户反馈的选择信息，并基于所述选择信息获得每个次级用户的范数，按照范数由大至小的顺序来确定获得频谱资源的次级用户，提高了次级用户的总收益。由于次级用户反馈的申请的时频单元块的数量及其总报价由其自身确定，故降低 了频谱资源分配过程中的运算复杂度。通过从时域和频域的角度来对频谱进行划分，获得时频单元块，进而分配空闲的时频单元块至次级用户，在很大程度上提高了频谱的利用率。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显图I是单个主用户和多个次级用户共存的认知网络结构示意图；图2是本发明实施方式的认知网络中频谱资源的分配方法的流程示意图；图3是本发明实施方式的主用户对于拍卖获胜的次级用户的频谱资源分配示意图；图4是本发明一实施例在N=500，S=288时，各个算法下次级用户价值总和随其可申请的最大时频单元块数量的变化示意图；图5是本发明一实施例在N=500，S=288时，各个算法下频谱利用率随次级用户可申请的最大时频单元块数量的变化示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。正如背景技术中所描述的，拍卖理论被广泛地应用在动态频谱分配中，采用拍卖理论来解决无线通信网络频谱资源的分配具有一般方法无法具备的优良特性。而且通过合理的设计拍卖机制一方面可以提高甚至最大化主用户的收益或者次级用户的收益，另一方面也能够保证出价真实性，防止主用户和次级用户可能发生的市场操纵行为，实现频谱资源的多用户动态分配。发明人提出，从时频角度将频谱划分为时间频谱单元块(时频单元块)，并根据次级用户反馈的申请的时频单元块的数量及其总报价获得次级用户的范数，按照次级用户的范数由大至小的顺序来将空闲的时频单元块分配给次级用户，以实现次级用户的需求，提高次级用户的总收益。为了更好地说明本发明的技术方案，本实施方式中以单个主用户系统工作在多个主用户信道上，或者说单个主用户租赁多个空闲信道，存在N个次级用户SUi (I < N),需要利用主用户信道的空闲频段传输数据为例进行说明。请参见图1，单个主用户和多个次级用户共存的认知网络结构示意图，如图I所示，在特定的地理区域存在单个主用户系统，所述主用户系统工作在多个主用户信道上，图中所示的多个次级用户构成了次级用户市场，在主用户信道空闲时，所述次级用户租赁其空闲信道以进行数据的传送。图2是本发明实施方式的认知网络中频谱资源的分配方法的流程示意图，如图2所示，所述认知网络中频谱资源的分配方法包括步骤Sll :获取空闲时频单元块的数量；步骤S12 :发送广播信息至次级用户，所述广播信息包括所述空闲时频单元块的
数量；步骤S13 :获取所述次级用户反馈的选择信息，所述选择信息包括所述次级用户申请的时频单元块的数量及其总报价；步骤S14 :基于所述选择信息，获取每个次级用户的范数，所述范数关联于所述选择信息；步骤S15 :按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户。以下对上述步骤进行一一说明。本实施方式中，采用分时分频的工作方式，按照时间和频率，其将整块频谱划分为等频带宽度等时隙长度的若干时频单元块。对于PU而言，这些时频单元块在某些特定的时间段并不是一直被PU使用，因此存在的空闲时频单元块可以被SU租赁以供其使用(参见图I中所示的主用户占用时频单元块、空闲时频单元块)。在实际的无线网络环境中，通常会存在一个接入点(AP,access point)用于向次级用户广播当前频谱信息,如当前空闲时频单元块的数量。同时，所述AP还会收集所有SU的反馈信息，根据获取的SU的反馈信息对空闲时频单元块进行动态分配。本实施方式中，所述AP的角色由I3U扮演，由其将空闲时频单元块动态地分配至各个SU。继续参考图1，本实施方式中，I3U在拍卖周期内拍卖其空闲时频单元块，在一个拍卖周期内PU的空闲时频单元块保持不变，拍卖成功后，SU拥有的空闲频谱的时长为一个周期。拍卖周期由PU的实际情况而定，如拍卖周期可以为30分钟，则SU拥有空闲频谱的时长为30分钟。执行步骤S11，获取空闲时频单元块的数量。在拍卖的起始时隙，根据自身的算法(不同的PU采用不同的算法)先将其占用的整块频谱划分为等频谱宽度等时隙长度的若干时频单元块。具体地，根据所占用的总频带宽度W和总时间段长度T，待划分的时频单元块的频带宽度w和时隙长度τ，可以确定时频单元块的总量为！xI，PU根据其在拍卖周期的业
务量，确定其实际占用的时频单元块的数量为U，则空闲时频单元块的数量
权利要求
1.一种认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，包括如下步骤 获取空闲时频单元块的数量； 发送广播信息至次级用户，所述广播信息包括所述空闲时频单元块的数量； 获取所述次级用户反馈的选择信息，所述选择信息包括所述次级用户申请的时频单元块的数量及其总报价； 基于所述选择信息，获取每个次级用户的范数，所述范数关联于所述选择信息； 按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户。
2.如权利要求I所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，所述每个次级用户的范数通过如下方式确定
3.如权利要求2所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，还包括确定获得频谱资源的次级用户的支付费用。
4.如权利要求3所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，所述确定获得频谱资源的次级用户的支付费用包括 确定次级用户队列中，获得频谱资源的第i个次级用户存在时，第一个未获得频谱资源且在所述第i个次级用户不存在时，位于第i个次级用户之后获得频谱资源的次级用户为 SUi,； 若所述次级用户SR，不存在，则第i个次级用户的支付费用为零； 若所述次级用户SR，存在，则第i个次级用户的支付费用为，其中，IV为第i’个次级用户的范数；所述次级用户队列按照次级用户的范数由大至小的顺序建立。
5.如权利要求I所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，所述获取空闲时频单元块的数量包括 对频谱进行划分以获取时频单元块的数量； 确定占用的时频单元块的数量； 在所述时频单元块的数量中减去所述占用的时频单元块的数量，获取空闲时频单元块的数量。
6.如权利要求I所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，所述广播信息还包括空闲时段的开始和结束时刻。
7.如权利要求I所述的认知网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，通过香农定理或信噪比获取所述次级用户申请的时频单元块的数量。
8.如权利要求I所述的认知无线网络中频谱资源的分配方法，其特征在于，所述按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户包括 判断当前空闲时频单元块的数量是否大于或等于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量； 若当前空闲时频单元块的数量大于或等于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量，则所述次级用户获得频谱资源，并在次级用户队列中删除所述次级用户，所述次级用户队列按照次级用户的范数由大至小的顺序建立； 若当前空闲时频单元块的数量小于当前范数最大的次级用户申请的时频单元块的数量，则在所述次级用户队列中删除所述次级用户； 重复上述步骤，直至当前空闲时频单 元块的数量为零或所述次级用户队列中不存在次级用户。
全文摘要
本发明涉及一种通信技术领域的认知网络中频谱资源的分配方法；所述认知网络中频谱资源的分配方法包括获取空闲时频单元块的数量；发送广播信息至次级用户，所述广播信息包括所述空闲时频单元块的数量；获取所述次级用户反馈的选择信息，所述选择信息包括所述次级用户申请的时频单元块的数量及其总报价；基于所述选择信息，获取每个次级用户的范数，所述范数关联于所述选择信息；按照所述次级用户的范数由大至小的顺序确定获得频谱资源的次级用户。本发明的方法提高了次级用户的总收益，降低了频谱资源分配过程中的运算复杂度，在很大程度上提高了频谱的利用率。
文档编号H04W16/10GK102883326SQ20121035701
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者王新宇, 孙高飞, 冯心欣, 田晓华, 杨峰, 王新兵 申请人:上海交通大学