本发明涉及一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法，可用于无线通信技术领域。
背景技术
为了满足未来无线通信网络日益增长的服务需求与用户所需的数据传输量，第五代蜂窝网络需要新的结构、技术及算法来实现更高的频谱利用率、更低的功耗，提升网络用户的用户体验，因此，多层异构网络的研究已然成为热点。
微小区由宏小区发展而来，其低功率的无线接入节点覆盖半径约为30m～300m，在宏小区上覆盖微小区可在扩展整个小区覆盖范围的同时提升网络容量。d2d通信可以采用复用小区内频谱资源的方式，在两个用户距离不远的情况下进行直通通信而无需经过基站，因此可以减轻基站的负荷、产生链路增益、节约频谱资源、提升网络的频谱效率，同时获得较高的传输速率、降低功耗。
拍卖是一种行之有效的经济决策手段，它的基本原理是商品所有者对某商品设置初始价，竞拍者对该商品依次出价，出价最高者最终获得该商品。因此，如何在拍卖中保证竞拍者与拍卖者间形成某种平衡，使双方均能获得一个合理且公平的收益，这也正是拍卖机制所要研究的主要内容。
现有关于异构网络资源分配问题的研究仍有以下几点不足：
1)研究多集中于把d2d技术引入宏蜂窝中，极少涉及d2d技术与微小区共存于宏小区的通信场景，频谱利用率未达到理想水平；
2)对于引入d2d技术的混合网络往往是d2d用户复用宏小区与微小区的频谱资源，并未考虑把d2d用户与微小区看为一个复用层去复用宏小区频谱资源的情况；
3)传统的基于拍卖理论的资源分配方法已无法适应日益复杂的网络模型，我们需要一种新的拍卖机制，在进行资源分配的同时管理和控制干扰，提高系统的适用性。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法，该方法基于一个单小区环境的上行传输链路通信场景，该多层异构网络系统包含一个宏基站bs，m个宏小区用户mue，用集合m＝{mue1，mue2，....，muem}表示；s个微小区基站ap，用集合a＝{ap1，ap2，....，aps}表示；一个ap服务一个微小区用户sue，用集合s＝{sue1，sue2，....，sues}表示所有微小区用户，满足|s|＝s，|·|表示集合中的元素个数，|·|表示集合中的元素个数，用集合d＝{d2d1，d2d2，....，d2dd}表示d个d2d用户对；p＝s∪d表示全部的复用层用户；
该方法包括如下步骤：
步骤101：系统中所有的微小区用户sue及d2d用户对均向宏基站bs反馈自己的位置信息，宏基站bs计算信道增益并设置拍卖轮次指标t＝0、每个频谱资源的初始支付价格c0(p)和价格减小量δ(δ＞0)；
步骤102：宏小区用户mue根据信道增益可知各通信链路的信干噪比γ与各用户的信道速率r，从而可知因复用给宏小区用户带来的性能增益，即对于第k个复用层频谱资源集合的私有估值rm(k)；
步骤103：宏小区用户mue通过计算对于第k个复用层频谱资源集合的私有估值rm(k)与支付价格cm(k)之差，从而得到自己的效用函数um(k)；
步骤104：宏小区用户mue根据自己的效用函数um(k)的大小向宏基站bs提交自己对于第k个频谱资源集合的竞价
步骤105：宏基站bs检测所有宏小区用户mue提交的竞价
步骤106：宏基站bs判断是否所有的复用层频谱资源均被拍卖出去或每个宏小区用户mue都分配到一个频谱资源集合，是则拍卖结束，不是返回步骤104。
优选地，在步骤101中，宏基站bs设置拍卖轮次指标t＝0、每个频谱资源的初始支付价格c0(p)和价格减小量δ(δ＞0)，系统中所有的微小区用户sue及d2d用户对均向宏基站bs反馈自己的位置信息，宏基站bs由此计算系统中各基站与各用户之间以及各用户之间的信道增益g。
优选地，在步骤102中，根据步骤101中的信道增益可以得到各通信用户接收端j的信干噪比γj，
第m个信道上的用户速率包括宏小区用户m的速率和复用同信道频谱资源的第k(k∈{1，2，.....，n})个集合gk中所有用户速率，可以将第m个信道上的用户速率表示为rm(k)；
估值模型集合{rm(k)}是所有宏小区用户mue对所有可能组成的用户频谱资源集合gk的私有估值，若宏小区用户m赢得了这次拍卖，那么该集合中的频谱资源就分配给该宏小区用户m，从而使信道速率得到提高，即性能增益，考虑到性能增益应为正值，因此该增益定义为：
rm(k)＝max(rm(k)-rm，0)
其中，rm(k)为第m个信道用户分配到第k个集合的信道速率，rm表示未进行信道复用的m信道速率，max(·，·)表示取两者中的最大值。
优选地，在步骤103中，宏小区用户mue通过赢得频谱资源集合而获得性能增益，定义cm(k)表示宏小区用户m为赢得频谱资源集合gk付出的代价，也就是支付价格，宏小区用户mue的效用函数um(k)代表了宏小区用户m对于得到频谱资源集合gk的满意程度，即性能增益减去为此付出的代价，公式表示为：
um(k)＝rm(k)-cm(k)。
优选地，在步骤104中，宏小区用户m根据效用函数的大小提交竞价，若um(k)之0则提交竞价
优选地，在步骤105中，宏基站bs检测所有的竞价，根据提交的竞价进行拍卖：
a)若存在p∈gk，满足
b)若宏基站bs检测到：
①
②
满足以上两个条件之一则表示求大于供，宏基站bs设置ct+1(p)＝ct(p)+ε，其中微调因子ε＝δ/n，n为一个整数参数(n＝1，2，...)，返回步骤104；若两个条件都不满足则跳到步骤106。
优选地，在步骤106中，宏基站bs监测所有的复用层频谱资源是否均被拍卖出去或每个宏小区用户mue都分配到一个频谱资源集合，是则拍卖结束，不是则继续进行拍卖。
优选地，宏小区用户mue得到某个用户频谱资源集合后，该宏小区用户mue与该资源集合将不再参与到下一轮竞拍中。
优选地，把宏基站bs与宏小区用户mue所在的网络层称为宏层，微小区基站ap、微小区用户sue以及d2d用户对所在的网络层称为复用层，假设系统共m个频谱资源，分别分配给m个宏层用户mue，所有复用层用户的频谱资源可组合成n个频谱资源集合g，通过组合拍卖机制将其分配给宏小区用户mue，进而实现性能增益。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明将一种新型的组合拍卖机制应用于由宏小区、微小区及d2d通信共同组成的多层异构网络通信场景，提供了一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法，解决网络用户频谱资源分配问题，提升系统的频谱效率与网络性能。本发明的系统模型不仅仅是引入d2d通信或微小区通信，而是考虑了二者与宏小区共存的场景，更加适用于高速发展的无线通信网络结构，发明把d2d用户对与微小区所在的网络层看为一个复用层，二者组合共同复用宏小区频谱资源。由于多用户在同一个信道上共存会产生相互干扰，本发明在进行资源分配的同时考虑了对干扰进行管理和控制，保证了各层用户的通信需求，提升了网络系统性能。
附图说明
图1是本发明的一种基于组合拍卖机制的多层异构网络系统的示意图。
图2是本发明的一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法流程图。
图3是本发明的在2个信道资源下的不同算法中的系统和速率仿真图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法，该方法基于一个单小区环境的上行传输链路通信场景，如图1所示，该多层异构网络系统包含一个宏基站bs，m个宏小区用户mue，用集合m＝{mue1，mue2，....，muem}表示；s个微小区基站ap，用集合a＝{ap1，ap2，....，aps}表示；一个ap服务一个微小区用户sue，用集合s＝{sue1，sue2，....，sues}表示所有微小区用户，满足|s|＝s，|·|表示集合中的元素个数，用集合d＝{d2d1，d2d2，....，d2dd}表示d个d2d用户对；p＝s∪d表示全部的复用层用户；把宏基站bs与宏小区用户mue所在的网络层称为宏层，微小区基站ap、微小区用户sue以及d2d用户对所在的网络层称为复用层，假设系统共m个频谱资源，分别分配给m个宏层用户mue，所有复用层用户的频谱资源可组合成n个频谱资源集合g，通过组合拍卖机制将其分配给宏小区用户mue，进而实现性能增益。
本发明公开了一种基于组合拍卖机制的多层异构网络频谱资源分配方法，流程图如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤101：系统中所有的微小区用户sue及d2d用户对均向宏基站bs反馈自己的位置信息，宏基站bs计算信道增益并设置拍卖轮次指标t＝0、每个频谱资源的初始支付价格c0(p)和价格减小量δ(δ＞0)；
步骤102：宏小区用户mue根据信道增益可知各通信链路的信干噪比γ与各用户的信道速率r，从而可知因复用给宏小区用户带来的性能增益，即对于第k个复用层频谱资源集合的私有估值rm(k)；
步骤103：宏小区用户mue通过计算对于第k个复用层频谱资源集合的私有估值rm(k)与支付价格cm(k)之差，从而得到自己的效用函数um(k)；
步骤104：宏小区用户mue根据自己的效用函数um(k)的大小向宏基站bs提交自己对于第k个频谱资源集合的竞价
步骤105：宏基站bs检测所有宏小区用户mue提交的竞价
步骤106：宏基站bs判断是否所有的复用层频谱资源均被拍卖出去或每个宏小区用户mue都分配到一个频谱资源集合，是则拍卖结束，不是返回步骤104。
在步骤101中，宏基站bs设置拍卖轮次指标t＝0、每个频谱资源的初始支付价格c0(p)和价格减小量δ(δ＞0)，系统中所有的微小区用户sue及d2d用户对均向宏基站bs反馈自己的位置信息，宏基站bs由此计算系统中各基站与各用户之间以及各用户之间的信道增益g。
系统中所有的微小区用户sue及d2d用户对均向宏基站bs反馈自己的位置信息，宏基站bs由此计算系统中各基站与各用户之间以及各用户之间的信道增益g，从而得到各通信用户接收端的信干噪比γ，在步骤102中，根据步骤101中的信道增益可以得到各通信用户接收端j的信干噪比γj，
第m个信道上的用户速率包括宏小区用户m的速率和复用同信道频谱资源的第k(k∈{1，2，.....，n})个集合gk中所有用户速率，可以将第m个信道上的用户速率表示为rm(k)。
估值模型集合{rm(k)}是所有宏小区用户mue对所有可能组成的用户频谱资源集合gk的私有估值。若宏小区用户m赢得了这次拍卖，那么该集合中的频谱资源就分配给该宏小区用户m，从而使信道速率得到提高，即性能增益。考虑到性能增益应为正值，因此该增益定义为：
rm(k)＝max(rm(k)-rm，0)
其中，rm(k)为第m个信道用户分配到第k个集合的信道速率，rm表示未进行信道复用的m信道速率，max(·，·)表示取两者中的最大值。
在步骤103中，宏小区用户mue通过赢得频谱资源集合而获得性能增益，但是由于复用层通信的存在，比如因传输一些控制信号或在通信接入过程中的信息反馈而付出一定的代价。因此我们定义cm(k)表示宏小区用户m为赢得频谱资源集合gk付出的代价，也就是支付价格。
宏小区用户mue的效用函数um(k)代表了宏小区用户m对于得到频谱资源集合gk的满意程度，即性能增益减去为此付出的代价，公式表示为：
um(k)＝rm(k)-cm(k)。
在步骤104中，宏小区用户m根据效用函数的大小提交竞价，若um(k)≥0则提交竞价
在步骤105中，宏基站bs检测所有的竞价，根据提交的竞价进行拍卖：
a)若存在p∈gk，满足
b)若宏基站bs检测到：
①
②
满足以上两个条件之一则表示求大于供，宏基站bs设置ct+1(p)＝ct(p)+ε，其中微调因子ε＝δ/n，n为一个整数参数(n＝1，2，...)，返回步骤104；若两个条件都不满足则跳到步骤106。
在步骤106中，宏基站bs监测所有的复用层频谱资源是否均被拍卖出去或每个宏小区用户mue都分配到一个频谱资源集合，是拍卖结束，不是则继续进行拍卖。
如图3所示，我们对本发明的逆迭代组合拍卖资源分配算法在不同信道资源数量下的系统和速率进行了仿真，并与穷举最优算法、随机分配算法进行了比较，由此可以得出穷举最优算法的速率最高，本发明的算法比随机分配算法优越，且接近最优。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。