一种具有功率分配和波束成形的小小区微基站频谱拍卖方法与流程
本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种具有功率分配和波束成形的小小区微基站频谱拍卖方法在宏蜂窝网、小小区微基站和手机用户构成的两层异构网络系统中的应用。
背景技术：
如今越来越多的用户依赖于移动通信，随着无线通信的蓬勃发展移动通信成为人们日常生活中不可或缺的一部分。与之相应的，移动终端的数量和用户对于频谱资源的需求也呈现大量的增长。目前商用最快的移动通信技术升级版长期演进lte-a也不得不面对新的挑战。为了应对移动通信用户需求的不断激增，通信运营商和设备商将设立小小区微基站。在宏蜂窝下设立多个小小区微基站，形成两层异构网络作为提升系统容量的解决方案。
小小区微基站是一种低功率的无线接入节点可以覆盖10米到200米的范围；如今运营商均开始使用小小区微基站来扩展覆盖范围和提升网络容量，尤其是用在诸如商业中心或者学校区域等通信数据流量大的繁忙地区进行分流；
近年来，许多研究人员对认知无线电系统中的频谱分配进行了深入研究，特别是基于拍卖理论的动态频谱分配研究。
拍卖是一个经济学概念，是一种售卖商品的手段。频谱拍卖是近年来新兴起的理论，将具有频谱需求的小小区微基站看作经济学中的买家，拥有频带授权的宏蜂窝基站作为卖家的拍卖行为。当小小区微基站中的移动终端需要使用频段时，通过拍卖获得授权频带的使用权。采用频谱拍卖机制可以有效优化分配频谱资源的使用效率，同时为宏蜂窝基站提供收益，提升其共享频谱资源的积极性。事实证明频谱拍卖是一种有效解决频谱资源分配问题，提升频谱资源利用率的有效手段。而vcg拍卖方法可以使理性的竞拍者实现激励兼容，保证出价的真实性，从而最优化系统的吞吐量。
目前，对于小小区微基站中的拍卖式分配频谱资源的研究尚处于起步阶段。例如：
申请号为2010102767804名称为“一种基于拍卖和满意度模型的动态频谱分配方法”的中国专利公开了一种依据用户满意度技术。该技术采用了按用户对频谱满意度的频谱分配，但该技术存在直接比较出价决定支付的缺点，不能有效保证诚实性，抑制买家虚报价格，影响拍卖的公平性。
申请号为2014104363803名称为“一种基于干扰信息的真实性动态双向频谱拍卖方法”的中国专利公开了一种基于微基站产生的干扰进行频谱拍卖的技术。该技术通过对微基站产生干扰和频谱占用时间的乘积与机会成本比较判断是否进行频谱分配。但该技术会产生对通过拍卖取得频谱使用权的微基站失去控制的后果，没有考虑到频谱分配完毕后，取得频谱使用权的微基站会自私的提升发射功率以提升用户的效用，但会对整个系统产生严重的层间干扰影响进而造成系统频谱利用率不高却影响整个系统用户通信质量的缺点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是合理分配宏蜂窝基站空闲时授权频带的使用权，提升频谱利用率，减少相邻小小区微基站干扰，提高通信质量并获得最大经济效益。
为解决上述技术问题，本发明使用一种具有功率分配和波束成形的小小区微基站频谱拍卖方法，在由宏蜂窝网、小小区微基站和手机用户构成的两层异构网络系统中，通过建立频谱分配拍卖模型，将宏蜂窝基站提供的授权频谱划分为多个时隙，根据设定的收益函数和拍卖目标函数对时隙频谱作为商品进行拍卖，按最优化理论获得收益最大的功率分配方法和相应的波束成形因子；
所述的频谱分配拍卖模型是利用划分时隙进行分配的具有功率分配和波束成形的诚心拍卖技术，其步骤如下：
步骤1开始拍卖准备阶段，宏蜂窝基站作为卖方公布准备出售用于共享的频谱资源；用于共享的频谱资源是以划分时隙的形式进行出售，假设宏蜂窝基站提供有p个空闲频带参与拍卖出售，可以通过拍卖出价获得频谱的使用权，而每条频带被分为t个时隙，每一个时隙将作为一件商品，小小区微基站的用户作为买家为满足自身通信需要将购买一至多个时隙，如若多个买方均对同一时隙有需求，将优先分配至同一频段内，但当该频段内用户数量过多，则会购买到同一时隙的下的不同频段；为保证用户的通信质量，我们规定一个时隙内一个宏蜂窝只能容纳s个用户；设有p条频谱进行拍卖，则宏蜂窝基站会生成一个分配矩阵a，表达式为
步骤2位于宏蜂窝基站覆盖范围内的用户分为两类，一类是宏蜂窝基站用户，该类用户没有被小小区微基站的微基站直接覆盖，其直接接入宏蜂窝基站。一类是小小区微基站用户，该类用户位于小小区微基站覆盖范围内，则选择接入微基站。该分类选择可以有效的卸载宏蜂窝基站的流量压力，提升宏蜂窝基站覆盖强度，保证用户通信质量。其中第二类小小区微基站用户将通过小小区微基站的频谱拍卖获得频谱资源进行通信。
步骤3开始拍卖阶段，各个对授权频带有需求的小小区微基站需要向宏蜂窝基站提交自身对于频谱资源的需求，宏蜂窝基站依据拍卖机制分配频谱资源，其中拍卖用来支付的价格数值与微基站对宏蜂窝用户产生的干扰成正相关。同时买家根据用户的效用函数设定一个用户收益函数，以将用户效用和实际收益联系起来；
设第i个用户的收益函数为ui，
步骤4开始进行第一轮拍卖，通过出价决定最高出价者为本轮赢家，该拍卖机制具有一个分配算法和一个定价算法，可以保证小小区微基站只有出价符合自己的真实估计，即出价具有诚实性才能获得最大收益。
宏蜂窝基站将当前时隙所有的买家列为序列d。
步骤5选取序列d的前m1个元素，这m1个的值应当在数值上相近对这几个小小区微基站进行同一轮拍卖。将m1个小小区微基站依据出价降序排列，记为序列p，取出序列p最顶端的小小区微基站，为其进行频谱资源的分配。
步骤6分配频带完毕后，清除待分配频谱池中已分配的信道和序列p中的该元素。重复进行取序列p最顶端的元素，为其进行频谱分配。直至整个序列p为空或待分配频谱池为空。
步骤7清除序列d的前m1个元素，重新选取顶端的mk个元素，重复步骤3和步骤4进行频谱分配。其中mk的取值均符合数值上相近原则。直到序列d为空或待分配频谱池为空。
步骤8若序列d为空且待分配频谱池不为空，跳转至步骤,4开启下一时隙的拍卖。直到所有时隙分配完成或待分配频谱池为空，结束程序。
步骤9拍卖获得频谱的小小区微基站在通信时使用多天线进行信号传输。一个小小区微基站内一个微基站即可通过多天线服务小小区微基站覆盖的用户。微基站通过对各根天线的功率分配并使用波束成形技术提升用户吞吐量。
系统中只被宏蜂窝覆盖的用户记做mu，共m个mu收到的信号为：
式中，sigm表示宏蜂窝基站发送给第m个mu的信号，gm、gj表示宏蜂窝基站传输到第m和j个用户所使用的信道的信道估计值。pt表示宏蜂窝基站的发射功率，pi表示第i根天线的发射功率。hpi表示小小区微基站到第i个mu的信道估计值。fi是第i根天线对应的波束成形因子，np表示高斯白噪声。
系统中被小小区微基站覆盖的用户记做su，共k个su收到的信号为：
式中，x表示小小区微基站为su传输的信号，nk表示高斯白噪声。
对于第k个su的信噪比为：
则一个小小区微基站内用户的和效用为：
其中，c和λ为价格调节因子。c与吞吐量的乘积表示用户的实际收益。λ用来调节小小区微基站对宏蜂窝基站的支付值。
与之相对应的，宏蜂窝基站用户mu的信噪比为：
宏蜂窝范围内全部mu的和效用为：
本发明实现了以下有益技术效果：
1)引入拍卖方式进行资源分配，即提升了频谱利用率，又保障无线网络的通信质量；
2)将频谱资源以时隙划分，同时隙若存在不同用户则分别使用不同信道，有效减少小小区微基站间的干扰；
3)提出一个加权因子的概念，将用户出价和小小区微基站购买频段通信获得的利益联系起来。同时用户需要支付的费用与小小区微基站用户对宏蜂窝基站用户的干扰成正相关。
4)本发明将功率分配和波束成形技术用到小小区微基站的微基站通信中，能够有效提高用户的效用函数，提升用户实际/收益。
本发明将拍卖机制用到小小区微基站中，既能实现移动通信资源的有效分配，又能通过引入功率分配和波束成形技术提升用户效用，与现有技术相比具有更优良的频谱资源分配机制并提高了频谱资源的使用效率，具有广阔的应用前景。
附图说明：
图1为包含小小区微基站的两层异构网络的系统示意图；
图2为划分时隙的频谱拍卖分配频谱资源流程图；
图3为小小区微基站成功拍卖获得频谱后系统的信号传输图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。
如图1所示，在包含小小区的两层异构网络的系统中，当小小区微基站需要获得授权频带进行通信时，扮演买家的角色向宏蜂窝网进行购买。
如图2所示为划分时隙的频谱拍卖分配频谱资源流程图：
s201，开始程序；
进入s202，开始拍卖准备阶段，宏蜂窝网作为卖方公布准备出售用于共享的频谱资源；用于共享的频谱资源是以划分时隙的形式进行出售假设宏蜂窝网提供有p个空闲频带参与拍卖出售，可以通过拍卖出价获得频谱的使用权，而每条频带被分为t个时隙，每一个时隙将作为一件商品，小小区微基站覆盖的用户作为买家为满足自身通信需要购买一至多个时隙，小小区微基站作为买家提交所需时隙请求。
进入s203，选取所有对第t时隙有需求的买家。这些买家由于对同一时隙具有需求，彼此存在竞争关系，将成为同一轮拍卖的买家。若待拍卖分配时隙t大于全部可用时隙t，则说明全部时隙分配完毕，跳转至s209。
进入s204，将选取的买家按距离排列，生成序列d。序列d中的元素是对第t时隙具有需求的小小区微基站。且元素从数值上反应该小小区微基站距离宏蜂窝网的距离。
进入s205，选取序列d中距离相近的m个小小区微基站开启拍卖。选取序列d的前m1个元素，这m1个的值应当在数值上相近，表示该几个小小区微基站所在位置是相近的。若序列d为空集，则更新t为t+1，跳转至s203。
进入s206，将m1个小小区微基站依据出价降序排列记为序列p。如若存在多个买家，且其需求可以通过频谱分配满足，则开启拍卖进行频谱分配。
进入s207，对序列p顶端元素进行资源分配。即对m1个小小区微基站中出价最高者授予频带。若p为空集，则清楚序列d的m1个元素，跳转至s205。
进入s208，判断宏蜂窝网出售的资源是否分配完毕。若频谱池为空进入s209，若频谱池内有剩余，去除已分配资源，去除序列p顶端元素跳转回s207。
进入s209，结束程序。
如图3所示为当一个小小区微基站成功拍卖获得频谱后系统的信号传输图。
此时小小区微基站内存在多天线系统，将会通过波束成形提高信号的传输效率。根据图3我们可以获得
系统中只被宏蜂窝覆盖的用户记做mu，共m个mu收到的信号为：
式中，sigm表示宏蜂窝网发送给第m个mu的信号，gm、gj表示宏蜂窝网传输到第m和j个用户所使用的信道的信道估计值。pt表示宏蜂窝网的发射功率，pi表示第i根天线的发射功率。hpi表示小小区微基站微基站到第i个mu的信道估计值。fi是第i根天线对应的波束成形因子，np表示高斯白噪声。
系统中被小小区微基站覆盖的用户记做su，共k个su收到的信号为：
式中，x表示小小区微基站为su传输的信号，nk表示高斯白噪声。
对于第k个su的信噪比为：
则一个小小区微基站内用户的和效用为：
其中，c和λ为价格调节因子。c与吞吐量的乘积表示用户的实际收益。λ用来调节小小区微基站对宏蜂窝网的支付值。
与之相对应的，宏蜂窝网用户mu的信噪比为：
宏蜂窝范围内全部mu的和效用为：
由于λ与小小区微基站支付值成正比，λ值越大宏蜂窝收益越小，小小区微基站收益约高，系统将通过保证宏蜂窝的收益为条件设定价格因子λ的值。
最后，小小区微基站将通过最优化多天线的功率分配达到用户的和效用最大。
sinrk≥γk
上式约束条件中，ith表示不干扰到宏蜂窝网通信的阈值。γk表示第k个小小区微基站用户所要通信的最小信噪比值。
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