一种基于代币的认知无线网络业务带宽分配方法与流程

本发明涉及无线网络通信
技术领域：
，特别是一种基于代币的认知无线网络业务带宽分配方法。
背景技术：
：认知无线电(cr:cognitiveradio)是一种能提高频谱利用率的新技术。在认知无线网络中，合理的业务带宽分配方法是确保其高效运行的关键。在overlay认知无线网络中，次用户需要首先感知主用户在其授权信道上的行为，以获取频谱使用机会。鉴于单个次用户独立执行频谱感知易受阴影和衰落等效应的影响，通常采用多个次用户协作感知来提高频谱感知的检测性能，即在认知无线网络中配置一个融合管理中心(fusionmanagementcenter,fmc)，收集所有参与协作感知的次用户独立检测结果，依据特定的融合准则执行感知判决，最终生成一张当前时段的空闲信道列表。次用户试图接入空闲信道传输数据，但怎样在各次用户之间分配空闲信道是认知无线网络面临的重要问题之一。为了合理分配信道资源，提高频谱利用率，大量学者对其进行了广泛研究，如构建一种频谱共享博弈模型，采用分布式频谱分配策略，以满足各用户的qos需求；采用基于遗传算法(geneticalgorithm,ga)、量子遗传算法(quantumgeneticalgorithm,qga)或粒子群优化算法(particleswarmoptimization,pso)的频谱分配策略，基于信道可用性矩阵的特征和干扰约束，将信道分配矩阵映射为ga、qga算法的染色体或pso算法的粒子位置；依据信道统计信息对信道是否空闲做出评估，次用户按照预定的带宽和功率接入信道；定价是一种常用的经济学手段，特别是当卖方已知资源的准确价值时，针对包含少数频谱提供者和一个消费者的应用场景，将其构建为一个bertrand模型，分析频谱可置换性和信道质量对纳什均衡的影响，采用分布式算法求解动态博弈解；在卖方仅已知买方部分信息场合，契约是更有效的方式，依据频谱质量-价格契约分配频谱是一种较好的方法；拍卖机制在卖方未知买方关于资源估值的前提下也是适合的手段之一。以上方法存在的不足之处在于：第一，未考虑各次用户对协作频谱感知的贡献，缺乏公平性；第二，未考虑次用户的自私性，次用户缺乏参与协作频谱感知的动机；第三，为了实现最优的业务带宽分配，需要全网络细节信息，会增加次用户通信设备的复杂度；第四，次用户之间沟通少，频谱分配缺乏灵活性。技术实现要素：本发明的目的是提出一种基于代币的认知无线网络业务带宽分配方法，解决了空闲频谱在多个次用户之间的分配问题。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供的一种基于代币的认知无线网络业务带宽分配方法，所述认知无线网络包括n个次用户，1个管理单元和1条公共信道，另有m条潜在业务信道，所述次用户sun在轮次t选择1条潜在业务信道m执行频谱感知，获得该信道的本地可用状态anm(t)和检测概率pnm(t)，其中anm(t)＝1表示可用，anm(t)＝0表示不可用，n＝1,…,n表示次用户编号，m＝1,…,m表示潜在业务信道编号；t＝1,…表示轮次编号，所述轮次t表示第t个感知-传输时间周期；所述管理单元一方面利用公共信道收集所有次用户执行频谱感知获得的潜在业务信道的可用状态和检测概率，采用特定的准则，融合并判决所有潜在业务信道的全局可用状态am(t)，其中m＝1,…,m，am(t)＝1表示潜在业务信道m全局可用，am(t)＝0表示m全局不可用，所有判决为全局可用的业务信道构成本轮次的可用业务带宽b，另一方面管理并分配可用业务带宽，计算和管理各个次用户拥有的代币，并利用公共信道交互业务带宽分配的相关信息，其特征在于：包括以下步骤：s1：管理单元启动本轮次业务带宽分配，通过公共信道向所有次用户下发本轮次总的可用业务带宽b，将其作为商品拍卖；s2：次用户sun通过公共信道向管理单元报告本轮次的业务带宽需求wn(t),n＝1,…,n；s3：管理单元通过公共信道向各个次用户下发其它次用户本轮次的带宽需求wn(t)和当前代币储备并要求次用户形成联合；s4：次用户执行联合形成算法形成联合sk(t),k＝1,…,k，其中k表示形成的总联合数；s5：联合sk(t),k＝1,…,k通过公共信道向管理单元报告联合内次用户编号；s6：管理单元计算各联合获得频谱资源的优先度，p(sk(t))＝ak(t)/∑kak(t)，并对优先度做降序排列，构成联合优先度排序表，其中为联合sk(t)内次用户当前总的代币储备，nk为联合sk(t)内的次用户数；s7：依据联合优先度排序表顺次为联合分配业务带宽，直到本轮次可用业务带宽b分配完毕，有k(t)个联合获得了所需要的业务带宽，k(t)≤k；s8：管理单元向获得了业务带宽的联合sk(t),k＝1,…,k(t)收取代币bk(t)＝ak(t)，完成本轮次频谱分配。进一步，所述次用户sun拥有的代币表示该次用户对频谱感知的贡献，由管理单元按照以下方法计算并管理：an(t)＝100×∑m[1-h(pnm(t))]/cm(t)，其中，an(t)表示次用户sun执行第t轮频谱感知得到的代币；h(pnm(t))表示次用户sun执行第t轮次频谱感知的检测概率pnm(t)对应的信息熵；cm(t)表示在第t轮次频谱感知中该次用户选择的信道数；次用户sun当前代币储备为：其中，∑t＝1an(t)表示次用户sun各轮次获得的总代币；∑t＝1bn(t-1)表示次用户sun在本轮次之前被管理单元收取的总代币。进一步，所述联合形成算法基于聚合-分割准则设计，包括以下步骤：s31：管理单元根据各个次用户本轮次带宽需求wn(t)和当前代币储备计算单位带宽代币率指定单位带宽代币率最大的次用户作为联合形成的联合头s32：联合头按照一定顺序邀请次用户加入联合sk(t)，如果邀请被拒绝，接着邀请下一个次用户；如果邀请被接受，计算此时该联合的总带宽需求s33：当联合sk(t)的总带宽需求或已无可以加入该联合的次用户时，以联合头为核心的联合形成过程结束；s34：管理单元再在剩余的次用户中指定单位带宽代币率最大的次用户作为下一个联合形成的联合头，重复执行s32、s33，直到所有次用户都做出过决定，要么充当过联合头，要么受到过邀请，联合形成算法终止，得到本轮次形成的联合sk(t),k＝1,…,k。进一步，次用户sun是否接受邀请加入联合sk(t)，通过不可转移效用(ntu)的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定，其中v(sk(t))为具有特征形式的联合值，定义为：其中，其中，p(sk(t))＝ak(t)/∑kak(t)为联合sk(t)获得频谱资源的优先度，用表示次用户sun单独参与竞争获得频谱资源的优先度，如果pn(t)≤pn(sk(t))和接受邀请，否则，如果pn(t)>pn(sk(t))或拒绝邀请。进一步，联合头邀请次用户的顺序和联盟博弈(nk,v(sk(t)))依据帕累托(pareto)准则确定并求解其最大联合值。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：1、使用代币可在一定程度上保证业务带宽分配的公平性，对网络贡献大的次用户能拥有更多的代币，在竞争中更具优势。2、不同于第一价格拍卖或第二价格拍卖，即使是代币少的用户通过累积也有机会获得业务带宽，所有次用户有动机形成联合参与竞争。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明本发明的附图说明如下。图1是本发明的认知无线网络示意图；图2是本发明的业务带宽分配流程图；图3是本发明的联合形成算法流程图；具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本实施例提供的认知无线网络业务带宽分配方法，它考虑的是认知无线网络中可用业务带宽在多个次用户之间的分配问题。首先，它要求所有次用户采用频谱感知获取主用户对授权信道的占用状态和检测概率，在此过程中，由管理单元量化各次用户对频谱感知所做的贡献，并以代币形式记录。然后，由管理单元组织可用业务带宽分配。管理单元允许并鼓励各次用户组成联合，以联合为单位参与竞争，相比于常规的分束拍卖或多次拍卖，有效节约了处理时间。使用表征各次用户对频谱感知贡献的代币作为业务带宽分配的依据，也具备了公平性，鼓励了各次用户参与协作。如图1所示，本实施例中假定认知无线网络包括n个次用户，1个管理单元和1条公共信道，周围有主用户存在，主用户拥有的授权信道即为次用户的潜在业务信道，假定有m条潜在业务信道；所述次用户sun在轮次t选择1条潜在业务信道m执行频谱感知，获得业务信道m的本地可用状态anm(t)和检测概率pnm(t)，其中，anm(t)＝1表示可用，anm(t)＝0表示不可用，n＝1,…,n表示次用户编号，m＝1,…,m表示潜在业务信道编号；t＝1,…表示轮次编号，所述轮次t表示第t个感知-传输时间周期；所述管理单元一方面利用公共信道收集所有次用户执行频谱感知获得的潜在业务信道的可用状态和检测概率，采用特定的准则，融合并判决所有潜在业务信道的全局可用状态am(t),m＝1,…,m，其中am(t)＝1表示潜在业务信道m全局可用，am(t)＝0表示m全局不可用，所有判决为全局可用的业务信道构成本轮次的可用业务带宽b，另一方面管理并分配可用业务带宽，计算和管理各个次用户拥有的代币，并利用公共信道交互业务带宽分配的相关信息。每个次用户根据其在不同信道上的检测性能，选择侦测一条或多条信道上主用户的活动。次用户周期性执行频谱感知。管理单元可以与所有次用户通过一条公共信道通信，一方面对收集的感知结果进行分析和融合处理，得到信道状态的全局判决结果，另一方面，作为所有空闲信道的管理者，负责带宽分配。进一步假设管理单元采取特定的方法来量化每个次用户对频谱感知的贡献，并以代币形式记录。如果在一个感知-传输时间周期内存在可用频谱，称为一轮。在一轮中，每个次用户要么需要一些信道进行传输，要么没有传输需求。记一轮中的总可用带宽为b，至少应满足一个次用户的带宽需求。本实施例假定认知无线网络有10个次用户，即n＝10，这些此用户可以是智能手机、车载电台、pda或其它通信终端；潜在业务信道m＝10，信道带宽分别为：1,1,1,1,2,2,3,3,5,5mhz，各个次用户本轮次执行频谱感知选择的信道编号如表1所示：表1各次用户频谱感知选择的信道编号表su1su2su3su4su5su6su7su8su9su10信道1√√√信道2√√√信道3√√信道4√√信道5√√信道6√√信道7√√信道8√√√信道9√√信道10√√各个次用户执行频谱感知，获得的各条潜在业务信道的本地可用状态和检测概率分别如表2、3所示。表2各次用户频谱感知获得的信道可用状态表表3各次用户频谱感知的检测概率su1su2su3su4su5su6su7su8su9su10信道10.900.990.99信道20.990.990.99信道30.990.99信道40.990.99信道50.990.99信道60.990.99信道70.990.99信道80.900.990.99信道90.990.99信道100.990.90管理单元采用特定的准则，如k秩融合准则，融合并判决所有潜在业务信道的全局可用状态如表4所示：表4各潜在业务信道的全局可用状态表信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道8信道9信道10am(t)0100100010根据表4所示的各潜在业务信道的全局可用状态可知，本轮次可用的业务信道分别为信道2、信道5和信道9，可用业务带宽b＝1+2+5＝8mhz。如图2所示，基于代币的业务带宽分配方法包括以下步骤：步骤1：管理单元启动本轮业务带宽分配，通过公共信道向所有次用户下发本轮次总的可用业务带宽b＝8mhz，将其作为商品拍卖；步骤2：每个次用户通过公共信道向管理单元报告本轮的业务带宽需求wn(t),n＝1,…,n，假定各个次用户本轮次的带宽需求如表5所示：表5各个次用户本轮次的带宽需求su1su2su3su4su5su6su7su8su9su10wn(t)3333222111步骤3：管理单元通过公共信道向各个次用户下发其它次用户本轮的带宽需求wn(t)和当前代币储备并要求次用户形成联合；次用户sun的当前代币储备为：其中，∑t＝1an(t)为该次用户各轮获得的总代币；∑t＝1bn(t-1)为该次用户在本轮之前被管理单元收取的总代币。次用户sun在第t轮频谱感知中得到的代币为：an(t)＝100×∑m[1-h(pnm(t))]/cm(t)，其中，h(pnm(t))为该次用户执行第t轮次频谱感知的检测概率pnm(t)对应的信息熵；cm(t)为在第t轮次频谱感知中该次用户选择的信道数。管理单元根据各个次用户执行频谱感知选择的信道及其对不同信道的检测概率计算本轮次获得的代币如表6所示：表6各个次用户本轮次获得的代币统计表su1su2su3su4su5su6su7su8su9su10an(t)79929292739292799292假定本轮次为第一轮，∑t＝1bn(t-1)＝0，表6所示的各个次用户本轮次获得的代币就是当前代币储备步骤4：次用户执行联合形成算法形成联合sk(t),k＝1,…,k，其中k表示形成的总联合数；管理单元根据各个次用户本轮次带宽需求wn(t)和当前代币储备计算单位带宽代币率如表7所示，指定单位带宽代币率最大的次用户su9作为联合形成的联合头；表7各个次用户本轮次的单位带宽代币率su1su2su3su4su5su6su7su8su9su10γn(t)26313131374646799292联合头su9选择联合成员形成联合s1(t)，在su9加入联合s1(t)后，s1(t)首先邀请单位带宽代币率较大的次用户su10加入联合，su10通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su10单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p10(t)＝0.105，此时，联合s1(t)中总的带宽需求为w9(t)+w10(t)＝2<8mhz，联合s1(t)获得频谱资源的优先度为p(s1(t))＝0.210，由于p10(t)<p(s1(t))，次用户su10接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s1(t))＝0.420；s1(t)接着邀请单位带宽代币率较大的次用户su8加入联合，su8通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su8单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p8(t)＝0.090，此时，联合s1(t)中总的带宽需求为w9(t)+w10(t)+w8(t)＝3<8mhz，联合s1(t)获得频谱资源的优先度为p(s1(t))＝0.301，由于p8(t)<p(s1(t))，次用户su8接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s1(t))＝0.903；s1(t)接着邀请单位带宽代币率较大的次用户su6加入联合，su6通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su6单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p6(t)＝0.053，此时，联合s1(t)中总的带宽需求为w9(t)+w10(t)+w8(t)+w6(t)＝5<8mhz，联合s1(t)获得频谱资源的优先度为p(s1(t))＝0.354，由于p6(t)<p(s1(t))，次用户su6接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s1(t))＝1.770；s1(t)接着邀请单位带宽代币率较大的次用户su7加入联合，su7通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su7单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p7(t)＝0.053，此时，联合s1(t)中总的带宽需求为w9(t)+w10(t)+w8(t)+w6(t)+w7(t)＝7<8mhz，联合s1(t)获得频谱资源的优先度为p(s1(t))＝0.407，由于p7(t)<p(s1(t))，次用户su7接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s1(t))＝2.849；s1(t)接着邀请单位带宽代币率较大的次用户su5加入联合，su5通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su5单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p5(t)＝0.042，此时，联合s1(t)中总的带宽需求为w9(t)+w10(t)+w8(t)+w6(t)+w7(t)+w5(t)＝9>8mhz，次用户su5拒绝邀请，该联盟博弈的联合值仍然为v(s1(t))＝2.849；至此，以联合头su9为核心的联合s1(t)形成过程结束，该联合内成员包括su9、su10、su8、su6和su7，总带宽需求为7mhz，频谱资源的优先度p(s1(t))＝0.407。管理单元再在剩余的次用户中指定单位带宽代币率最大的次用户su5作为下一个联合形成的联合头；联合头su5选择联合成员形成联合s2(t)，在su5加入联合s2(t)后，s2(t)首先邀请单位带宽代币率较大的次用户su2加入联合，su2通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su2单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p2(t)＝0.035，此时，联合s2(t)中总的带宽需求为w5(t)+w2(t)＝8mhz，联合s2(t)获得频谱资源的优先度为p(s2(t))＝0.078，由于p2(t)<p(s2(t))，次用户su3接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s2(t))＝0.622；至此，以联合头su5为核心的联合s2(t)形成过程结束，该联合内成员包括su5和su2，总带宽需求为8mhz，频谱资源的优先度p(s2(t))＝0.078。管理单元再在剩余的次用户中指定单位带宽代币率最大的次用户su3作为下一个联合形成的联合头；联合头su3选择联合成员形成联合s3(t)，在su3加入联合s3(t)后，s3(t)首先邀请单位带宽代币率较大的次用户su4加入联合，su4通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请：次用户su4单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p4(t)＝0.035，此时，联合s3(t)中总的带宽需求为w3(t)+w4(t)＝6<8mhz，联合s3(t)获得频谱资源的优先度为p(s3(t))＝0.071，由于p4(t)<p(s3(t))，次用户su4接受邀请，该联盟博弈的联合值v(s3(t))＝0.452；s3(t)接着邀请最后一个次用户su1加入联合，su1通过不可转移效用的联盟博弈(nk,v(sk(t)))确定是否接受邀请；次用户su1单独参与竞争获得频谱资源的优先度为p1(t)＝0.030，此时，联合s3(t)中总的带宽需求为w3(t)+w4(t)+w1(t)＝9>8mhz，次用户su1拒绝邀请，该联盟博弈的联合值仍然为v(s3(t))＝0.452；至此，以联合头su3为核心的联合s3(t)形成过程结束，该联合内成员包括su3和su4，总带宽需求为6mhz，频谱资源的优先度p(s3(t))＝0.071。管理单元要求次用户su1形成最后一个联合s4(t)，该联合内成员仅有su1，总带宽需求为3mhz，频谱资源的优先度p(s4(t))＝0.030，联合值为v(s4(t))＝0.090。至此，联合形成过程结束，本轮次共形成4个联合，各个联合的相关信息如表8所示。表8各个联合的相关信息列表步骤5：联合sk(t),k＝1,…,4通过公共信道向管理单元报告联合内次用户编号；步骤6：管理单元计算各联合获得频谱资源的优先度，并对优先度做降序排列，构成联合优先度排序表如表8所示；步骤7：依据联合优先度排序表顺次为联合分配业务带宽，直到本轮次可用业务带宽b分配完毕，本轮次仅有联合s1(t)获得了所需要的业务带宽，剩余的1mhz带宽无法满足联合s2(t)任意成员的需求，不予分配；步骤8：管理单元向获得了业务带宽的联合s1(t)收取代币b1(t)＝a1(t)＝355，未获得业务带宽的其他次用户拥有的代币留着后续轮次使用，到此，本轮次频谱分配结束。事实上，本轮次未获得业务带宽的次用户，由于其拥有的代币传出在管理单元中，随着轮次的增加，累积更多的代币有利于提高获取业务带宽的机会。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。当前第1页1 2 3