多信道防策略操纵频谱的分配方法、计算机程序、计算机与流程

本发明属于认知无线电技术领域，尤其涉及一种多信道防策略操纵频谱的分配方法、计算机程序、计算机。

背景技术：

近几年，随着软件定义无线电(sdr，software-definedradios)的出现和无线通信设备的发展，频谱短缺问题变的愈来愈严重。传统的无线频谱分配是由政府按照用途静态的分配到用户，导致无线频谱资源不能得到充分利用，造成了资源利用率大大降低和频谱资源的极大浪费。为了满足那些持续增长的无线设备对频谱的渴望，频谱拥有者(主用户)被鼓励出租授权空闲的频谱给无牌照的设备和用户(次用户)，导致无线频谱二级市场的出现。由于涉及到频谱分配过程中的效率和公平性的问题，拍卖理论被认为是一种很受欢迎的工具用于无线频谱的分配。近几年有很多基于拍卖的无线频谱分配机制被提出；在一定程度上提高了频谱的利用率，但没有考虑到防策略操纵以及其他相关性质，还是有很多缺陷存在，如：没有考虑激励相容(ic，incentivecompatibility)以及个人理性(ir，individualrationality)这两个性质，在理论上和现实上已经证明了，如果没有保证这两个性质就避免不了在拍卖过程中会受到市场操纵等影响。大多数以前的拍卖机制只关注ic而不关注另一个性质。在实现频谱共享方面要求每个次用户对请求的信道有相同报价(信道相同)而且申请信道数量只有单一或者连续多个的情况，用户竞标不够灵活，不能表达每个请求用户对频谱实际需求，没有很好的体现频谱共享的公平灵活性。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前基于拍卖的无线频谱分配机制存在用户竞标不够灵活，不能表达每个请求用户对频谱实际需求，没有很好的体现频谱共享的公平灵活性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多信道防策略操纵频谱的分配方法、计算机程序、计算机。

本发明是这样实现的，一种多信道防策略操纵频谱的分配方法，所述多信道防策略操纵频谱的分配方法采用拍卖理论与机制，建立包含灵活信道请求，以对应灵活真实估值进行报价的防策略操纵频谱拍卖模型，该模型包括主用户，拍卖师以及次用户三种实体，次用户提交竞标信息(灵活信道需求和灵活报价)到拍卖师，拍卖师执行拍卖策略分配主用户的空闲频谱给，在防策略操纵频谱拍卖模型中确定次用户之间的竞标关系，通过竞标策略进行频谱拍卖。该模型的设计最终实现了可以根据次用户的灵活需求以及灵活报价进行频谱的合理分配，并且防止了次用户之间策略性操纵，保证了次用户只有根据估价真实报价为最优策略。

进一步，所述多信道防策略操纵频谱的分配方法包括以下步骤：

步骤一，预出租频段信息提交，资源信息汇总放入频谱池；

步骤二，根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数c＝{1,2,…,c}；

步骤三，通过竞标信息，通过选择算法和支付算法得到每个竞标人i实际需要花费pi，获取的信道数ai，得到竞标人i的实际收益：

步骤四，竞标附带位置信息，通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比，对所有竞标人进行分组；

步骤五，每个组根据竞标人对信道的需求分为多个虚拟组，对于组gl，是该组内的一个虚拟组：

其中j表示在该虚拟组中包含的所有竞标人必须有对j个信道的竞标，这里表示gl组内竞标人中对信道的最大需求数：

di表示组内竞标人i的需求集合di中最大信道需求数。每个虚拟组表示在所属组gl内对第j个信道有竞标的竞标人集合；

步骤六，选择虚拟组。

步骤七，计算各竞标人的实际花费。

进一步，所述步骤三中在整个区域内所有参与竞标的次用户集合n＝{1,2,…,n}；所有次用户最多需求d个信道，完整连续的信道需求集合d＝{1,2,…,d}；所有次用户各自都有对信道的需求集合以及对应估价集合表示竞标人i对k个信道的估价，单位信道增加估价集合其中：

l是信道需求集合di中小于并且最接近j的数，通常l等于0或者j-1，同样：

各个次用户根据估价然后进行竞标，分别竞标表示竞标人i对k个信道的竞标价，单位信道增加竞标价集合其中：

类似与估价；当然：

进一步，所述步骤五中对每个虚拟组得到虚拟组报价，各虚拟组报价为虚拟组内最小竞标乘以虚拟组中竞标人个数，如果虚拟组中没有竞标人，则报价为0：

对于属于同一组的虚拟组gl，如果重新计算然后更新

进一步，所述步骤六中选择虚拟组的规则：

1)对于每个竞标组，组内虚拟组中，序号小的虚拟组比序号大的虚拟组有较高的优先级，优先被选择；

2)对于ndvgs，集合中所有虚拟组是一个整体，被一起选择或不选择；

3)为了使主用户获得更多收益，对于任意两个属于不同组的虚拟组，虚拟组报价较大的虚拟组有较高优先级，优先被选择。

进一步，所述多信道防策略操纵频谱的分配方法包括：

(1)根据竞标组的个数m建立m个栈s＝{s1,s2,…,sm}，其中每个栈入栈顺序从序号大的虚拟组到序号小的虚拟组，保证栈顶元素优先级最高，优先被选择；

(2)初始化一个候选虚拟组集合ω，初始时该集合包含所有m个栈顶元素；选出c个虚拟组作为分配信道的对象；

(3)进行迭代选择，每次在候选集合中选择一个拥有最高优先级的虚拟组，对于ndvgs虚拟组，判断剩余信道个数与每次迭代选取虚拟组个数的大小，如果前者大，则虚拟组都被选择为winner，放入winner集合；如果前者小，则虚拟组不被选择为winner；

(4)每次迭代的最后一个是把选为winner的虚拟组从所属栈中pop出，把新的栈顶元素作为候选集合中的元素，进行下一轮迭代，直到信道分配完或者候选集合为空得到一个winner集合w包含所有竞标成功的虚拟组。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述多信道防策略操纵频谱的分配方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述计算机程序的计算机。

本发明充分考虑频谱分配中次用户对频谱信道的灵活需求以及灵活报价函数、以及信噪比干扰等因素，同时考虑频谱利用率最大化以及次用户的防策略操纵性的要求，对频谱拍卖机制进行了详细的分析与设计。之前的拍卖机制，只考虑对单一信道或者多个信道的竞标，而且竞标者对需求的每个信道的估价都是相同的，这样的频谱拍卖设计太过于简单，考虑实际因素较少；而现实应用中，竞标者对信道的需求是灵活多样的，同样他们的相应估价也会不同，本发明考虑的情况较以前是复杂的，但是符合实际需求，基于这种情况设计出了一种频谱拍卖方法。本发明提出的方法容易实现，便于扩展，与已经提出的频谱拍卖方法相比更贴近实际应用；有较高的分配效率和公平的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多信道防策略操纵频谱的分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的频谱共享系统模型图。

图3是本发明实施例提供的系统模块图。

图4是本发明实施例提供的多信道防策略操纵频谱的分配方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明整合经济学中的拍卖模型，采用能够满足次用户对信道的灵活需求以及竞标对应满足灵活估值的防策略操纵的频谱共享拍卖机制。通过该机制次用户可以通过提交他们对频谱的不同需求以及相应估计函数来竞标频谱，而且在这个过程中阻止了非法用户的策略性操纵，实现了更好的频谱共享机制。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多信道防策略操纵频谱的分配方法包括以下步骤：

s101：建立频谱共享系统拍卖模型，主用户提交空闲频谱给拍卖师(auctioneer)放入频谱池供次用户竞标；

s102：所有竞标人(bidders)提交灵活信道需求(连续或非连续信道需求)，并以对应真实估值为竞标价格，拍卖师通过图着色算法对竞标人分组(模拟sinr干扰)，同组内竞标人可共用同一信道。根据竞标人的需求，在每组中划分虚拟组并计算虚拟组组报价；

s103：设计winner选择算法，winner集合中的每个虚拟组分配一个信道；设计chargingmethod计算每个虚拟组的花费(charge)和每个bidder的charge。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的多信道防策略操纵频谱的分配方法包括以下步骤：

(1)建立系统模型，实体包括有频谱出租需求的主用户、控制整个拍卖过程的拍卖师以及有频谱资源需求的次用户。主用户将自己预出租的频段信息提交给拍卖师，拍卖师把资源信息汇总整理后放入频谱池供次用户竞标。

(2)主用户把自己空闲的频段信息提交给拍卖师，拍卖师根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数c＝{1,2,…,c}，频谱信道与传统物件不同的是它可以被几个次用户共同使用，前提是他们都能够传输和发送信号在足够的信噪比(sinr)之下。

(3)在整个区域内所有参与竞标的次用户集合n＝{1,2,…,n}。所有次用户最多需求d个信道，完整连续的信道需求集合d＝{1,2,…,d}。所有次用户各自都有对信道的需求集合以及对应估价集合表示竞标人i对k个信道的估价，单位信道增加估价集合其中

这里l是信道需求集合di中小于并且最接近j的数，通常l等于0或者j-1，由于需求集合di中的元素不一定连续，所以l可能小于j-1。同样：

然后各个次用户根据他们的估价然后进行竞标，分别竞标表示竞标人i对k个信道的竞标价，单位信道增加竞标价集合其中：

类似与估价；当然：

通过这些竞标信息，拍卖师通过设计有效的选择算法和支付算法之后，得到每个竞标人i实际需要花费pi而且可以获取的信道数ai。这样就可以得到竞标人i的实际收益：

由于该算法考虑的不仅仅是频谱利用率的客观而且还要考虑灵活的竞标需求和竞标函数，所以实际收益不一定是最大化的。

(4)为了使单个信道可以被多个用户同时使用，提高利用率，考虑信噪比，每个用户竞标时还附带了自己的位置信息，通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比，例如ieee802.11n的户外传输范围大约250米，规定干扰因子θ＝1.7，则只要两个竞标人的距离大于425米就可以共用同一信道。这样拍卖师就可以通过这些信息对所有竞标人进行分组(图着色算法)。

(5)通过分组，组内多个次用户可以共用一个信道，由于在竞标时各个可以对多个信道需求进行竞标，所以每个组还需要根据竞标人对信道的需求分为多个虚拟组，对于组gl，是该组内的一个虚拟组：

其中j表示在该虚拟组中包含的所有竞标人必须有对j个信道的竞标，这里表示gl组内竞标人中对信道的最大需求数：

di表示组内竞标人i的需求集合di中最大信道需求数。每个虚拟组表示在所属组gl内对第j个信道有竞标的竞标人集合。为了后面设计选择算法，这里对每个虚拟组需要得到虚拟组报价。为了防止策略操纵，各虚拟组报价为虚拟组内最小竞标乘以虚拟组中竞标人个数，如果虚拟组中没有竞标人，则报价为0：

在本发明中还需要对原始虚拟组报价进行特殊处理，对于属于同一组的虚拟组gl，如果这种情况(不连续需求的虚拟组集合，简称ndvgs)，就需要重新计算然后更新

(6)在形成虚拟组之后频谱拍卖的问题就变成了选择winning虚拟组的过程，如何设计选择算法选择虚拟组，如果该虚拟组竞标成功，表示该虚拟组中所有竞标人共同获得一个信道。以前的拍卖机制中要求每个竞标人的信道需求是连续的，所以在一个组中形成的所有虚拟组是有规律的，虚拟组大小依次减小，虚拟组报价同样依次减小，这样在设计选择算法使保证了虚拟组选择的先后顺序，表示必须先得到第一个信道才能获得第二个。由于的方案中考虑的是竞标人根据不同需求灵活竞标，所以不能满足以上规则，同一组中各虚拟组大小不一，需要重新设计选择算法。拍卖师提出了三个选择虚拟组的规则：1)对于每个竞标组，组内虚拟组中，序号小的虚拟组比序号大的虚拟组有较高的优先级，优先被选择；2)对于ndvgs，该集合中所有虚拟组是一个整体，必须被一起选择或不选择；3)为了使主用户获得更多收益，对于任意两个属于不同组的虚拟组，虚拟组报价较大的虚拟组有较高优先级，优先被选择。需要强调的是，前两个规则是第三个规则的先决条件，必须首先考虑。

(7)本发明是一个启发式贪婪选择算法来分配信道给虚拟组。首先根据竞标组的个数m建立m个栈s＝{s1,s2,…,sm}，其中每个栈入栈顺序从序号大的虚拟组到序号小的虚拟组，保证栈顶元素优先级最高，优先被选择。初始化一个候选虚拟组集合ω，初始时该集合包含所有m个栈顶元素。本选择算法需要选出c个虚拟组作为分配信道的对象，接下来进行迭代选择，每次在候选集合中选择一个拥有最高优先级的虚拟组，对于ndvgs就是几个虚拟组，判断剩余信道个数与每次迭代选取虚拟组个数的大小，如果前者大，则这些虚拟组都被选择为winner，放入winner集合；如果前者小，则这些虚拟组不被选择为winner。每次迭代的最后一个就是把这些虚拟组从所属栈中pop出，把新的栈顶元素作为候选集合中的元素，然后进行下一轮迭代，直到信道分配完或者候选集合为空。最终得到一个winner集合w包含所有竞标成功的虚拟组。

(8)对于竞标成功的竞标人，需要为他们选择要支付的charge，本发明还设计了chargingmethod来计算每个虚拟组的charge，从而得到每个竞标人各自的charge。对于一个虚拟组当它不在winner集合时，它的charge该虚拟组中的所有竞标人的charge也为0。当它属于winner集合时，标记该虚拟组在集合中的索引位置index，然后删除该虚拟组所属组中包含该虚拟组以及它之后的所有虚拟组，然后重新进行winner选择，得到w'，之后从该集合中的索引index开始到最后一个虚拟组，选择其中最小虚拟组报价值min_value作为虚拟组的charge，得到所有虚拟组的charge之后，对于该虚拟组获得的这个信道，每个虚拟组中的竞标人的charge为虚拟组charge的平均值。每个竞标人的总charge等于它所有获得信道的charge的累加和。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。