一种基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统及方法与流程

本发明属于认知无线电技术领域，尤其涉及一种基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统及方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：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，在保证次用户的真实报价和利益之外，现有工作包括最大化各方的利益(如主用户，次用户，拍卖师)，最大化频谱利用率，保障各方的安全性出发，作出了许多工作。然而，之前的工作大部分都假设拍卖师是完全掌握频谱的使用状态的，但从实际出发，这个假设是很难成立的，因为实际环境中感知时的误差是不可能消除的。。在不了解频谱的使用状态的前提下，由于感知不精确的问题，拍卖师也许会将一个正在被使用的信道分配给次用户，而这会造成主用户和次用户发生干扰。实验结果表明，现存的模型不能直接应用与频谱状态不确定的拍卖中，否则会很容易造成主用户和次用户的干扰，进而影响拍卖师的收益。另一方面，由于感知不准确的，拍卖师不能做出一个从全局出发的分配，将未被使用的频谱再分配给有需要的次用户，进而使得频谱的利用率下降。

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没有考虑因为感知误差而带来的潜在风险，使得主用户和次用户发生干扰、频谱利用率降低。这是因为，在将无线频谱的缝隙感知问题引入频谱拍卖时，最大的难点在于如何量化感知误差对频谱分配的影响，同时，在量化之后，如何根据量化的结果来给出适当的频谱分配策略以及payment策略同样是一个难题。

解决上述技术问题的难度：在之前的研究中并没有量化感知误差的前例，需要在研究频谱分配问题之前定义一个量化感知误差的策略。这个量化的方法并没有可以对比的模型，但其好坏直接关系到分配算法的效率。在量化模型的基础上，作为一个实时的动态频谱分配系统，还需要把时间维度考虑进去，这使得频谱分配问题和payment决定问题成为了一个np难的问题。在研究这个问题时，还同时需要兼顾拍卖的基本性质，如truthfulness和individualrationality，这又大大增加了算法设计的难度。

解决上述技术问题的意义：误差量化问题是该系统的一个基础，只有量化之后，才能作为一个指标去为每一个信道选择合适的次用户，并且决定次用户的payment。在研究的过程中，通过加入时间维度，使得本发明更加地贴合实际应用场景，进一步地提高了频谱利用率和各方的收益。这样，首先，拍卖师可以通过计算更合理的payment来最大化自己的收益；其次，在不影响主用户的正常使用的前提下，可以使得频谱利用率更高；最后，次用户可以通过设计出来的算法最大的保证了自己的利益，并且提高了其参加频谱拍卖的积极性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法，所述基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法首先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放入频谱池供次用户竞标；然后所有竞标人提交灵活信道需求，并以对应真实估值为竞标价格，拍卖师先筛选掉对分配结果影响较大的次用户，再通过图着色算法对竞标人分组，同组内竞标人可共用同一信道，并根据组内次用户的报价计算出组报价；最后根据排序结果依次找出所有竞标人的临界点并计算价格；根据竞标人价格分配信道，确定最后的分配结果。

进一步，所述基于感知误差的实时动态频谱信息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，以及频谱的可使用总时间t；

步骤二，根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱集m＝{1，2，…，m}；

步骤三，确定所有参与竞标的次级用户集n＝{1，2，…，n}，参与竞标的次级用户需要提交一组竞标信息βi＝(bi，ai，ti)，分别为单信道报价，信道开始使用时间，使用时长；

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，生成竞标人之间的干扰图，通过筛选算法对竞标人进行第一轮筛选，再采用图着色算法对竞标人分组；其中，筛选算法如下：

将次用户的干扰系数定义为：

其中n(i)为次用户i在干扰图中邻接点的数量，定义次用户的干扰折扣为：

其中mi为次用户i的最大复用度，使用竞价和折扣的乘积，ii*bi来筛选次用户；使用bi＝∑j∈n(i)bjij/n(i)代表次用户i的邻接点的平均折扣；计算预测收益vi(t)估计分配信道给一个次用户带来的潜在损失，vi(t)的计算方法：

其中pr(τ)为次用户请求τ个时间隙的概率，当一个次用户i申请从时间隙ai开始使用信道ti个时间隙，机场成本为：

ci(ai，ti)＝vi(ai)-vi(ai+ti)；

若该用户满足ii*bi*ti≥ci(ai，bi)，则他不会在筛选阶段被淘汰；否则，他在筛选阶段就被淘汰并且不会进入步骤五；

步骤五，根据干扰图对次用户进行分组，对于组gl，其组报价被表示为：

步骤六，选择虚拟组作为赢家，将当前可用的信道按照准确概率降序排序，再将虚拟组按照组报价来降序排列；按照一一对应的关系，将频谱分配给相应的虚拟组，直至所有的频谱分配完，得到频谱的虚拟组中的次用户为赢家，其需要支付的价格为

步骤七，根据风险控制算法，对赢家进行一轮最终筛选，将信道j分配给虚拟组l的预计损失为：

并用预测将信道j分配给虚拟组l的利益，当ψl，j≥0，则虚拟组最终得到信道；否则，将不分配信道。

进一步，所述步骤四中的干扰图中的干扰关系，通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比得到。

进一步，所述步骤五的分组算法，将分组中报价最低的竞标者排除，并且使用报价第二低的用户计算组报价。

进一步，所述步骤六赢家选择即分配算法，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择获胜的竞标人到赢家集w中，并根据申请信息βi＝(bi，ai，ti)分配相应信道和决定优胜者应该支付的费用。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法的基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统，所述基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统包括：

空闲频谱提交模块，用于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放入频谱池供次用户竞标；

出组报价计算模块，用于接收所有竞标人提交灵活信道需求，并以对应真实估值为竞标价格，拍卖师先筛选掉对分配结果影响较大的次用户，再通过图着色算法对竞标人分组，同组内竞标人可共用同一信道；并根据组内次用户的报价计算出组报价；

价格计算和分配模块，用于根据排序结果依次找出所有竞标人的临界点并计算价格；根据竞标人价格分配信道，确定最后的分配结果。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：现有基于拍卖的无线频谱分配机制没有考虑到感知误差对频谱拍卖的影响，降低了频谱的利用率以及主用户的利益。本发明整合经济学中的拍卖模型，设计了一个能够满足次级用户对信道的灵活需求以及考虑了感知误差对分配结果的影响的在线动态频谱拍卖机制；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，提升了频谱的利用率，实现了更好的频谱共享机制。

本发明通过该机制刺激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。在此过程中，该机制考虑了感知误差的影响，对频谱拍卖机制进行了详细的分析与设计。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。对比于现有的频谱拍卖方法，本发明不仅考虑感知误差，而且是在线动态分配方法，是目前唯一兼顾这两点的频谱分配方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统的结构示意图；

图中：1、空闲频谱提交模块；2、出组报价计算模块；3、价格计算和分配模块。

图3是本发明实施例提供的频谱共享系统模型图。

图4是本发明实施例提供的系统模块图。

图5是本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息分配的实现流程图。

图6是本发明实施例提供的本发明(una)和现有技术(lotus、base)在各方面进行对比的仿真实验示意图；

图中：(a)和(b)表示了信道利用率和公平性与次用户数量的关系，(c)和(d)表示了信道利用率和公平性与信道数量的关系，(e)和(f)表示了信道利用率和公平性与时间长度的关系；从图中可以看出，本发明在多个方面优于现有技术；(g)和(h)表示了在不同用户数量下，次用户使用真实报价和非真实报价所获得的收益。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息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(包括申请时长和数目等)，并以对应真实估值为竞标价格，拍卖师先筛选掉对分配结果影响较大的次用户，再通过图着色算法对竞标人分组，同组内竞标人可共用同一信道。并根据组内次用户的报价计算出组报价；

s103：根据排序结果依次找出所有竞标人的临界点并计算价格；根据竞标人价格分配信道，确定最后的分配结果。

如图2所示，本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息分配系统包括：

空闲频谱提交模块1，用于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放入频谱池供次用户竞标。

出组报价计算模块2，用于接收所有竞标人提交灵活信道需求，并以对应真实估值为竞标价格，拍卖师先筛选掉对分配结果影响较大的次用户，再通过图着色算法对竞标人分组，同组内竞标人可共用同一信道；并根据组内次用户的报价计算出组报价。

价格计算和分配模块3，用于根据排序结果依次找出所有竞标人的临界点并计算价格；根据竞标人价格分配信道，确定最后的分配结果。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图5所示，本发明实施例提供的基于感知误差的实时动态频谱信息分配方法具体包括以下步骤：

(1)建立系统模型，实体包括有频谱出租需求的主要用户、控制整个拍卖过程的拍卖师以及有频谱资源需求的次级用户以及确定总分配时间长度t。主要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级用户竞标。

(2)主要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m＝{1，2，…，m}，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)确定所有参与竞标的次级用户集n＝{1，2，…，n}，参与竞标的次级用户需要提交一组竞标信息βi＝(bi，ai，ti)，分别为单信道报价，信道开始使用时间，使用时长；

(4)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，生成竞标人之间的干扰图，通过筛选算法对竞标人进行第一轮筛选，再采用图着色算法对竞标人分组。其中，筛选算法如下：

将次用户的干扰系数定义为：

其中n(i)为次用户i在干扰图中邻接点的数量。定义次用户的干扰折扣为：

其中mi为次用户i的最大复用度。使用竞价和折扣的乘积，即ii*bi来筛选次用户。使用bi＝∑j∈n(i)bjij/n(i)代表次用户i的邻接点的平均折扣。计算预测收益vi(t)来估计分配信道给一个次用户带来的潜在损失，vi(t)的计算方法如下：

其中pr(τ)为次用户请求τ个时间隙的概率。当一个次用户i申请从时间隙ai开始使用信道ti个时间隙，其机场成本为：

ci(ai，ti)＝vi(ai)-vi(ai+ti)；

若该用户满足ii*bi*ti≥ci(ai，bi)，则他不会在筛选阶段被淘汰；否则，他在筛选阶段就被淘汰并且不会进入后面的步骤。

(5)根据干扰图对次用户进行分组，对于组gl，其组报价可被表示为：

(6)根据所设计的算法选择虚拟组作为赢家。将当前可用的信道按照准确概率来降序排序，再将虚拟组按照组报价来降序排列。按照一一对应的关系，将频谱分配给相应的虚拟组，直至所有的频谱分配完。得到频谱的虚拟组中的次用户为赢家，其需要支付的价格为

(7)根据风险控制算法，对赢家进行一轮最终筛选。将信道j分配给虚拟组l的预计损失为：

并用来预测将信道j分配给虚拟组l的利益，当ψl，j≥0，则虚拟组最终得到信道；否则，将不分配信道。

通过实验仿真结果说明了本发明在考虑感知误差的基础上，拍卖师可以获得更高的利益，此外，频谱的利用率得到了较大的提升。此外，实验证明了，次用户不能够通过使用恶意报价来增加自己的利益。通过控制变量法，对比两种不同的位置分布式方式，即服从均匀分布和正态分布，对用户满意度，频谱分配律和公平性进行实验。实验结果表明，本发明在分配方面取得了良好的效率和公平性。

在本发明的优选实施例中，频谱信道是同构的，即对于竞标人，频谱池中的信道没有区别，在申请时只考虑申请信道数量。

在本发明的优选实施例中，干扰图g＝<v,e>中的干扰关系，在实际应用中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，小于425米则互相干扰。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

图6给出了本发明(una)和现有技术(lotus、base)在各方面进行对比的仿真实验。图6(a)和6(b)表示了信道利用率和公平性与次用户数量的关系，图6(a)和6(b)表示了信道利用率和公平性与信道数量的关系，图6(a)和6(b)表示了信道利用率和公平性与时间长度的关系。从图中可以看出，本发明在多个方面优于现有技术。图6(g)和图6(h)表示了在不同用户数量下，次用户使用真实报价和非真实报价所获得的收益。可以看出，用户不能通过提交一个虚假的报价来增加自己的报酬，这证明了本发明中所设计的系统能够保证所有的次用户都提交真实报价来参加竞拍。

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。