一种基于博弈理论的认知无线电网络频谱定价方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是认知无线电领域频谱定价方法。

背景技术：
无线通信技术的快速发展及无线应用需求的不断增长对通信系统无线频谱的需求日益增加。传统的固定频谱分配方法导致部分频带竞争激烈，频谱资源严重匮乏，而另一方面，部分频段大量已分配频谱未能充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年来受到广泛关注。认知无线电系统采用基于软件无线电技术的认知无线电终端，能够动态感知可用频谱，优化、改变传输参数，执行软硬件重配置，在不影响授权用户(主用户)正常通信情况下动态、智能接入空闲频谱，实现未授权用户(认知用户)的数据传输，认知无线电技术可有效实现频谱资源共享，提高频谱利用率，解决频谱资源匮乏的问题。认知无线电网络中，认知用户通过接入主用户空闲频谱，可实现其通信需求；而主用户通过为认知用户提供频谱接入，可获得一定频谱共享收益，进而激励其频谱共享行为。在存在多个认知用户竞争接入主用户可用频谱的认知网络中，主用户可采用特定的频谱定价策略，以实现其效用最优化。认知网络的频谱定价策略，对保障主用户效用及认知用户接入满意度，提高网络频谱资源利用率均有重要意义。目前已有研究考虑认知用户频谱定价方案，如申请号为201010274853.6的中国专利申请“基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方法”，提出一种针对异构网络中不同等级用户的动态定价机制。该机制中基站根据认知用户的频谱需求情况，首先进行频谱初步定价，继而将认知用户划分为优先级不同的等级，基于博弈理论在不同等级用户间进行频谱定价。申请号为201110106062.7的中国专利申请“基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法”，提出了一种基于博弈理论的认知无线电主从用户频谱共享的方法，该方法基于拍卖模型，即主用户拍卖频谱，从用户竞标，建立从用户间的合作关系，并运用货币补偿激励原则，建立了以各从用户收益为效用函数的频谱选择博弈模型。以上方法多考虑从用户业务需求及效用优化，但未综合考虑从用户资源需求及主用户性能优化，无法实现系统综合性能优化。

技术实现要素：
为保障主用户频谱效用及认知用户接入性能，实现频谱资源共享，提高系统频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，本发明提出一种基于博弈论的主用户频谱定价方法，将认知无线电网络中主用户为认知用户提供共享频谱的优化定价问题建模为合作博弈模型，根据各信道认知用户需求函数及主用户联合效用函数，通过优化求解合作博弈模型，得到主用户最佳频谱策略集。本发明解决上述技术问题的技术方案为，提出一种基于博弈理论的认知无线电网络主用户频谱定价方法，建模网络中各主用户为博弈局中人，建立对应N个主用户的频谱定价集合为{P1,P2,…Pn…,PN}；根据认知用户信道特性及主用户定价因子，建立各子信道认知用户需求函数；确定主用户收益函数 Wn；确定主用户成本函数Cn；基于主用户分享频谱产生的收益函数及需支付的成本函数，定价因子及各信道认知用户需求函数，根据公式Un＝Wn-Cn建立各主用户效用函数，根据公式建立主用户联合效用函数，通过优化求解上述主用户联合效用函数，主用户最佳频谱策略集实现主用户联合效用最大化。其中，根据认知用户信道特性及主用户定价因子，调用公式：确定第k个认知用户对第[l/M]个主用户的第l个子信道的需求函数Dkl，其中，ρk为第k个认知用户频谱需求系数，εn为第n个主用户频谱价格因子，Rkl为第k个认知用户在第l个信道上的数据速率，Sk及分别表示第k个认知用户的数据速率敏感因子及偏移度。将各主用户的信道划分为M个子信道，各认知用户占用一个子信道，根据公式计算第n个主用户分享频谱所产生的收益函数，其中，K表示认知用户总数，δkl为频谱可用标识，定义为调用公式：计算第n个主用户成本函数，其中，ζn表示第n个主用户支持认知用户接入信道拟支付的成本因子，ekl表示第k个认知用户在第l个信道上的效率因子。(1)基于博弈理论，建模认知无线电网络中多个主用户针对认知用户共享频谱的优化定价问题；(2)综合考虑多个主用户的联合效用，将上述问题建模为合作博弈模型；(3)基于主用户频谱收益函数及成本函数，定价因子及本发明建模的各信道认知用户需求函数，建模各主用户效用函数，通过对 合作博弈模型求解得到的最佳频谱定价策略集使所有主用户的联合效用最优。本发明针对认知无线电网络多个认知用户接入主用户可用频谱的应用场景，实现主用户对频谱的优化。将多个主用户针对认知用户共享频谱的优化问题建模为合作博弈模型，通过优化求解该模型可得到对应主用户联合效用最优化的最佳定价策略集。该方法可有效解决无线网络中频谱资源紧张问题，并在满足认知用户业务需求基础上，实现主用户综合性能优化。附图说明图1各主用户子信道划分示意图图2基于博弈理论的认知无线电网络主用户频谱定价方法流程图具体实施方式为将本发明目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面以UMTS网络为例，结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例子用于说明本发明，但不限制本发明的范围。本发明采用如下技术方案实现：假设网络覆盖区域内存在N个主用户和K个认知用户，每个主用户的可用信道以时分复用(TDD)模式划分为M个子信道，设第n个主用户的各子信道带宽相同，记为Bn，每个认知用户可占用一个主用户子信道进行通信，如图1所示为主用户信道划分示意图。各主用户提供共享频谱支持认知用户业务需求，并基于频谱定价获取一定收益，认知用户共享主用户频谱资源，实现其通信需求。综合考虑各主用 户联合效用，可基于博弈理论思想，将多个主用户针对认知用户共享频谱的优化问题建模为合作博弈模型。确定博弈局中人为网络中各主用户；对第n个主用户，针对认知用户的单位频谱定价Pn，1≤n≤N，则对应N个主用户的频谱定价集合为{P1,P2,…Pn…,PN}；确定效用函数为各主用户效用函数及主用户联合效用函数。根据认知用户信道特性及主用户定价因子，调用公式：建立各子信道认知用户需求函数，Dkl为第k个认知用户对第[l/M个主用户的第l个子信道的需求函数，[x]表示对x取整。其中，ρk为第k个认知用户频谱需求系数，εn为第n个主用户频谱价格因子，Rkl为第k个认知用户在第l个信道上的数据速率，即：Rkl＝Bnlog2(1+γkl)，其中，Bn为第n个主用户的各子信道带宽，γkl为链路信噪比，Sk及分别表示第k个认知用户的数据速率敏感因子及偏移度。基于主用户频谱收益函数及成本函数，定价因子及各信道认知用户需求函数，根据第n个主用户分享频谱所产生的收益函数Wn和需支付的成本函数Ck，建立各主用户效用函数模型为Un＝Wn-Cn，1≤n≤N。假设各主用户的信道均可划分为M个子信道数，各认知用户占用一个子信道，第n个主用户收益函数为：其中，K表示认知用户总数；δkl为频谱可用标识，定义为第n个主用户成本函数为：其中，ζn表示第n个主用户支持认知用户接入信道拟支付的成本因子，ekl表示第k个认知用户在第 l个信道上的效率因子。根据公式最大化主用户联合收益，可得主用户最佳定价策略集图2为本发明提出的基于博弈理论的认知无线电网络主用户频谱定价方法流程图，具体包括：301：确定博弈局中人。将认知无线电网络多个主用户针对认知用户共享频谱的优化定价问题建模为合作博弈模型，在该合作博弈模型中，建模网络中各主用户为博弈局中人。302：确立局中人策略。主用户的策略为针对认知用户的单位频谱定价分别为P1和P2，则对应N个主用户的频谱定价集合为{P1,P2,…Pn…,PN}。303：确定认知用户需求函数Dkl。根据认知用户信道特性及主用户定价因子，建立各子信道认知用户需求函数。根据公式确定：第k个认知用户对第[l/M]个主用户的第l个子信道的需求函数Dkl，其中，ρk为第k个认知用户频谱需求系数，εn为第n个主用户频谱价格因子，Rkl为第k个认知用户在第l个信道上的数据速率，即：Rkl＝Bnlog2(1+γkl)，其中，Bn为第n个主用户的各子信道带宽，γkl为链路信噪比，Pk为第k个认知用户的发送功率，hkl为第k个认知用户在第l个信道上的信道系数，N0为噪声功率，Sk及分别表示第k个认知用户的数据速率敏感因子及偏移度。304：确定局中人收益函数Wn。假设各主用户的信道均可划分为M个子信道数，各认知用户占用一个子 信道，根据主用户定价和认知用户需求函数计算各主用户分享频谱所产生的收益函数，根据公式计算第n个主用户收益函数。其中，K表示认知用户总数，δkl为频谱可用标识，定义为305：确定局中人成本函数Cn。根据主用户成本因子和各子信道认知用户需求函数等因素定义各主用户分享频谱需支付的成本函数，建立第n个主用户成本函数为：其中，ζn表示第n个主用户支持认知用户接入信道拟支付的成本因子，ekl表示第k个认知用户在第l个信道上的效率因子。306：确定局中人效用函数：Un＝Wn-Cn。基于主用户分享频谱产生的收益函数及需支付的成本函数，定价因子及各信道认知用户需求函数，根据公式Un＝Wn-Cn建立各主用户效用函数，1≤n≤N。307：计算局中人联合效用函数：基于各主用户效用函数，根据公式建立主用户联合效用函数。308：最大化局中人联合效用函数。通过优化求解上述博弈模型，主用户最佳频谱定价策略集根据主用户最佳频谱定价策略集实现主用户联合效用最大化。上述实施例假设覆盖场景为UMTS网络，所述方法可扩展至其他认知网络场景应用场景。以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。