专利名称：无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法
技术领域：
本发明涉及ー种通信技术领域的方法，尤其是一种无线电网络中的动态频谱分配方法，具体地，涉及无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法。
背景技术：
近年来 ，随着无线通信技术的飞速发展，无线频谱成为越来越稀缺的资源。为了解决该问题，学者提出了认知无线电，允许对已授权频谱进行二次利用以提高频谱利用率。在认知无线电网络中，一般分为主要用户和次级用户。其中，主要用户为授权用户，次级用户为非授权用户，又称为认知无线电用户，主要用户和次级用户可以采用择机式或协商式的方式共享授权频段。在择机式频谱共享中，次级用户无需付费就可以使用频谱，并可能对主要用户造成潜在的干扰。这对于为了获取执照而支付了大笔费用的主要用户而言是不公平的。协商式频谱共享可以较好地解决上述问题。在协商式频谱共享方式下，主要用户和次级用户针对频谱的范围、使用限制、时段和价格等进行协商，次级用户只能在主要用户指定的频段或时段上进行通信，未得到主要用户许可的情况下次级用户不可以使用授权频段。因此，协商式频谱共享中的研究重点是，如何设计ー种可行的协商方案，使主要用户愿意出售授权频段，同时，次级用户愿意从主要用户处购买频段。经对现有技术文献的检索发现，Niyato等于2009年在IEEE Transaction onMobile Computing 期干丨J上发表了“ Dynamics of Multiple-Seller and Multiple-BuyerSpectrum Trading in Cognitive Radio Networks A Game-Theoretic ModelingApproach”(认知无线网络中的多卖家多买家动态频谱交易基于博弈论的方法)。该技术提出了一种基于演化博弈和非合作博弈的频谱交易模型，通过迭代算法，可实现次级用户的动态频谱购买行为达到演化博弈均衡点，且主用户间的竞争式频谱出售行为达到纳什均衡点。基于拍卖理论，Gao等于2011年在IEEE Transaction on Mobile Computing期刊上发表,-‘MAP :Multi_Auctioneer Progressive Auction for Dynamic SpectrumAccess^MAP :基于多卖家渐进式拍卖的动态频谱接入)。该技术提出了一种多买家多卖家场景下的渐进式频谱拍卖算法以解决动态频谱共享的问题，在保证个体激励的基础上，可实现全局最优的频谱使用效率。上述现有技术都没有考虑过不同类型的频谱买家对频谱资源的实际要求不同这一问题。在他们的工作中，所有频谱资源被赋予相同的质量，并在所有频谱买家中进行交易，这ー假设与实际情况不符。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提出了一种无线电网络中的空闲频道分配方法。本发明适用于具有单个频谱拥有者和多个频谱买家的认知无线电网络。本发明最終由授权系统提出一组最优的质量价格组合，称为最优契约，使得授权系统因为出售信道而获得的总收益达到最大。
根据本发明的ー个方面，提供一种无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，包括如下步骤步骤一，授权系统统计自身的空闲频道数目，并定义自身的收益函数；认知无线链路定义自身的收益函数，井向授权系统汇报自身的类别信息；步骤ニ，授权系统将根据认知无线链路的类别信息求解最优质量集合，首先求出独立最优解的集合れ}，然后依次消去^沖的不合理子序列，直到沐}成为合理的质量集合为止，此时的沐}即为最优质量集合{幻；步骤三，授权系统根据所求的最优质量集合{免}，按照一定规则，求出相应的最优价格集合；步骤四，授权系统向所有认知无线链路宣告最优契约{免,も}，第t类认知无线链路根据自己的类别，选择相应的传输功率免，井向授权系统支付价格尽。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤步骤一，将单个授权系统和多个认知无线电链路构成的分布式认知无线电网络模型建模为垄断市场模型，并将其中的动态频谱分配问题建模为基于契约的频谱交易问题。在该系统中，授权系统作为频谱卖家出租其空闲信道，认知无线电链路作为频谱买家租用所需信道。将某个信道上认知无线电链路允许的最大功率定义为该信道的质量q。针对授权系统，需定义以下两个变量。首先，定义认知无线电链路使用该信道对授权系统造成的利益损失为信道成本(Cost)。则质量为q的信道成本记为C(q) = C0+T (q)式一其中，Ctl > 0代表固定成本，T(q)代表与质量相关的成本，假设它为为非负且随q单调递增的凸函数。其次，如果授权系统出售ー个质量为q的信道给认知无线电链路，其收益(Utility)R(q)定义为信道的价格与成本的差值，即R(q) = (q)-C(q)式ニ其中，(q)为授权系统指定的质量为q的信道的售价。特别的，引入ー个特殊的质量q = Na用于描述ー个中断的交易过程，即如果认知无线电链路选择购买质量q = Na的信道，则表示该链路不愿意购买任何信道，相应的，也不需要支付任何费用。在这种情况下，显然C(Na) = n (Na) =0。针对认知无线链路，需定义以下三个变量。首先，根据认知无线电链路在给定的传输功率q下信道容量的不同，我们将认知无线电链路划分为不同的类别(Types) 9，表示为
权利要求
1.一种无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一，授权系统统计自身的空闲频道数目，并定义自身的收益函数；认知无线链路定义自身的收益函数，井向授权系统汇报自身的类别信息； 步骤ニ，授权系统将根据认知无线链路的类别信息求解最优质量集合，首先求出独立最优解的集合沐}，然后依次消去沐}中的不合理子序列，直到沐}成为合理的质量集合为止，此时的沐}即为最优质量集合{免}; 步骤三，授权系统根据所求的最优质量集合{免}，按照一定规则，求出相应的最优价格集合; 步骤四，授权系统向所有认知无线链路宣告最优契约{免，も}，第t类认知无线链路根据自己的类别，选择相应的传输功率免，井向授权系统支付价格尽。
2.根据权利要求I所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，将信道以不同的质量进行交易，并为每个质量指定ー个价格，认知用户根据自己的类别，选择使自身收益最大的质量和价格。
3.根据权利要求I所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，在所述步骤一中，具体地 将认知无线电链路划分为不同的类别e，表示为 0 =森式三 其中，Hi为链路i的收发用户之间的信道响应，Ii为授权系统的发射功率对链路i造成的干扰，Ji为授权系统所服务的所有授权用户的发射功率对链路i造成的干扰，O 2为噪声功率； 定义认知无线电链路对某个信道的估价V ( 0，q)，表示为 mq) {^1082(1+"-0) ”n]式四 其中，《 > O是容量收益转换比； 对于类别为9的认知无线电链路，购买ー个质量为q的信道所能获得的收益U(0，q)定义为信道的估价与销售价格的差值，即U ( 0 , q) = V ( 0 , q) - JI (q)式五 对于授权系统来说，将质量价格组合成为契约，记为 ぐ={(咐),ル(の)|70￡ }式六 其中，q(e)为每个链路类别e预先设定ー个信道质量，n (0)与信道质量相应的价格。
4.根据权利要求3所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，在所述步骤ニ中具体地 首先，任意给定ー组合理的质量集合{qt}，满足Na彡q:彡q2彡 彡qT彡Pmax,由式四求出的 v(ek，qk)以及 V(9k+1，qk); 其次，引入一组变量Ak，k= 1， ，T，定义为At = O, Ak = V( 0 k, qk) -V( 0 k+1, qk)，VA: = 1,. ,T-I式八并定义
5.根据权利要求I所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，步骤ニ中所求解的最优质量集合中，如果某ー类认知无线链路允许的传输功率免=O，则对应的第t类认知无线链路将不允许使用信道。
6.根据权利要求I所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，步骤三中所述的最优价格集合，是指基于授权系统所求出的最优质量集合{免}，使得授权系统在不干扰自身的前提条件下，通过卖出频谱获得最大收益，其中，最优的价格集合{元}由以下两个式子确定
7.根据权利要求I所述的无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法，其特征是，步骤四中所述的最优契约为第t类的认知无线链路选择相应的{免,も}，同时，所有类别的认知无线链路依照最优契约的规定选择相应的发射功率并支付相应的价格。
全文摘要
本发明涉及一种无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法。包括步骤授权系统统计自身的空闲频道数目，并定义自身的收益函数；认知无线链路定义自身的收益函数，并向授权系统汇报自身的类别信息；授权系统将根据认知无线链路的类别信息，求解最优质量集合；授权系统根据所求的最优质量集合求出相应的最优价格集合；授权系统向所有认知无线链路宣告最优契约，每一类认知无线链路选择最优契约规定的相应传输功率。本发明首次考虑将信道以不同的质量进行交易，并为每个质量指定一个价格，大大提高了授权系统的收益；最优契约可实现近似全局最优的频谱效率，同时可有效减少授权系统与认知无线电系统之间的干扰。
文档编号H04W72/08GK102647717SQ20121010639
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者冯心欣, 孙高飞, 王新兵, 高林 申请人:上海交通大学