包含家庭基站的异构网络的分组频谱拍卖方法与流程

本发明涉及无线通信系统技术领域，具体涉及一种包含家庭基站的异构网络中的组合频谱拍卖方法。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展，如何利用现有的频谱资源来尽可能的满足日益增长的数据业务和增大通信网络的系统容量，提高频谱效率，已成为现在学术界研究的热点。相关统计显示，在日益增长的无线通信业务的需求下，60％的话音业务和80％的数据业务发生在室内，显然移动用户通信的大量时间发生在信号较弱甚至无信号的室内，这样导致用户通信质量不理想；针对这一问题，第三代合作伙伴计划(3GPP)在LTE-A的标准中提出了支持异构蜂窝网络结构的家庭基站。这种家庭基站用户可自主部署，发射功率低；这种双层异构网络可以有效的解决宏基站的覆盖“盲区”问题，提高室内的通信质量，也有效地缓解宏基站的通信负载。

尽管家庭基站的引入增加了网络的系统容量，但也使网络中的用户干扰变得更为复杂，若宏基站和家庭基站频谱分配方案采用共信道分配方式，则会产生严重的同层和跨层干扰；若频谱分配方案采用正交信道分配方式，则系统的频谱利用率较低；若频谱分配方案采用部分共信道方案，虽然可以部分解决跨层干扰，但频谱分配固定，灵活性差，频谱使用效率不高。频谱资源有限，因此需要设计一种高效的频谱分配方案，以提高频谱利用率，保障用户通信质量，增加网络系统容量。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。

将拍卖理论应用到异构网络中，将网络中的空闲频谱资源进行拍卖，引入市场机制，增加了频谱分配的灵活性并兼具公平和高效性。考虑双层异构网络中家庭基站之间竞争关系，根据他们之间的社会关系，找出网络中家庭基站的最佳组合，通过最大社会效用的拍卖机制可以使频谱资源得到充分而有效地利用频谱资源，提高频谱分配效率，从而提高网络的系统容量。

基于以上的发明思想，提出了一种包含家庭基站的异构网络的组合频谱拍卖方法，家庭基站采用混合接入方式，授权用户可以接入，在家庭基站覆盖下非授权用户通过购买授权频带接入；首先根据双层异构网络中家庭基站之间的社会关系值将网络中干扰小且社会关系值大于θ的家庭基站进行组合，构建新买家，然后进行频谱拍卖。

具体的，一种包含家庭基站的异构网络的分组频谱拍卖方法，所述家庭基站采用混合接入方式，授权用户可以接入，在家庭基站覆盖下非授权用户通过购买授权频带接入，所述分组频谱拍卖方法包括以下步骤：

S10：在包含家庭基站双层异构网络中，设有K个授权的家庭基站和宏用户拥有相同带宽大小的空闲授权频带，记为{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每个家庭基站对自己频带估值的保底价为{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；

S20：构建家庭基站社会关系，中央处理单元收集网络中买家信息，买家之间进行信息交互，在网络形成相互的社会关系，构成一个社交网络，根据买家之间的喜好程度，不同的买家有不同的社会关系值然后按式(1)计算各个买家在同频带下的相互干扰情况，

式中表示买家j在信道m上的发射功率；表示买家j到第k₁个卖家的信道系数；表示卖家k₂到买家i的发射功率；表示在信道m上的背景噪声；若两个买家计算出的互干扰小于一个设定阈值γ，则这两个买家在双层异构网络中可视为无干扰用户，当买家的干扰小于一个设定阈值γ且社会关系值高于θ时，将它们组合在一起则形成新的买家；假设买家数为N个，根据式(1)分别计算在不同家庭基站中买家之间的相互干扰值，有干扰的记为1，反之记为0；将所有买家的干扰情况形成一个干扰矩阵I；

S30：中央处理单元定义一个频谱分配矩阵X，记为：并收集新的买家，记为{c₁,c₂,…,c_n}，在网络中广播频谱拍卖信息，包括家庭基站拥有的空闲频带{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每个家庭基站对自己的频带的保底价为{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，每个买家对每个频带的估价为B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；

S40：中央处理单元处理买家与卖家信息后进行频谱拍卖，首先对频带f₁进行拍卖，将出价高于相应家庭基站的保底价的买家列为赢家序列W，然后中央处理单元根据每个买家使用该频带产生的效益u_ij来选择最终的赢家，将频带分给能产生最大效用的买家，然后将相应的买家和卖家分别从买家集和卖家集中去除。

本方法中，同一频带在不同用户的使用下产生的社会效益是不同的，所以提出的估值保底价进行择优拍卖，可以将频带卖给那些能产生最大社会效用的买家，因此在一轮拍卖过程中会产生多个赢家，再从赢家集中选择最优者赢得频谱使用；另外由于无干扰用户之间在网络中几乎没有竞争关系，可以共用一个频带，产生的社会效益大；这简化拍卖，提高拍卖效率，从而大大提高频谱利用效率。

进一步的，上述方案中，若买家的出价均小于授权用户的保底价，中央处理单元重新收集买家和卖家的消息依次拍卖空闲频谱，重复步骤S40直到频谱分配完毕或买家集合变为空集。

进一步的，在上述方案中，为频谱分配问题建立一个优化问题：

式中，x_ij是拍卖结束后的分配值，值为1时表示频谱分配成功；n为参加拍卖的买家数，k为授权用户含有的频带数；在这个目标和约束条件下进行拍卖，当达到拍卖的纳什均衡时所得到的分配矩阵X就是最优分配结果，空闲频带的效益可达最大；第二个限制条件是一个频带只能分给两个买家中的一个；第三个条件是同一用户只能得到一个频带。

进一步的，在上述方案中，效益值由式(2)计算得到：

式中c_i是新买家所含的原始买家数目，B是频带带宽，P_b是宏基站的发射功率，h_bi是宏基站到相应家庭基站的信道增益。

进一步的，在上述方案中，在步骤S40中，若买家是原始买家的集合，则所产生的效益为整体的总和。

进一步的，在上述方案中，在步骤S40中，如果有相同的最大效益值，则将频带分给出价高的用户。从而可以增大授权用户的收益。

进一步的，在上述方案中，在步骤S40中，若两买家的效益u_ij和出价都相同，则随机分给一个用户，此时记为x_ij＝1，表示将频段j分配给买家i，新买家下的原始买家可用频段j，用户的收益为：λu_ij-b_ij，λ为加权值，λu_ij表示用户i使用频带j产生的价值，授权用户收益为：b_ij-a_ij；然后将买家i和卖家j在买家和卖家集中去除。

本发明出发点是结合包含家庭网络的异构网络的网络特点和频谱拍卖的优点，根据较密集分布的家庭基站的社会关系，将社会关系程度高且干扰小的家庭基站覆盖下的认知用户进行组合，设计择优的频谱拍卖方法，可以有效的提高网络的频谱利用率和最大化网络效益，提高授权家庭基站的收益。

本发明可用于包含家庭基站的异构网络中空闲频带分配，提高了频带的分配效率，增加授权用户的收益，有利于宏蜂窝的流量卸载；在异构网络中提出一种新的频谱拍卖形式，能够最大化网络系统效益，满足用户的通信要求，提高用户的通信质量；并且易操作，也易实现。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明方案中的包含家庭基站的双层异构网络的系统模型示意图；

图2为本发明方案中的包含家庭基站的双层异构网络的频谱拍卖模型图；

图3为本发明方案中的频谱分配流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-3对本发明实施例的包含家庭基站的异构网络的频谱拍卖方法做进一步的描述。

如图1和图2所示，在双层异构网络的系统模型下，将含有空闲频带的家庭基站和宏用户视为卖家，在家庭基站覆盖下的需要接入网络的未授权用户视为买家；拥有空闲频带的卖家通过出租自己的频带来的获得收益，未授权用户租用空闲频带来达到自身的通信需求，同时提高网络的频率利用率，假设有K个授权的家庭基站和宏用户拥有相同带宽大小的空闲授权频带，记为{f₁，f₂，…，f_k-1，f_k}，每个家庭基站对自己频带的估价为{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；中央处理单元构建家庭基站社会关系，收集网络中的买家信息，买家之间进行信息交互，在网络形成相互的社会关系，构成一个社交网络，根据买家之间的喜好程度，不同的买家有不同的社会关系值，然后根据公式(1)计算各买家之间在同频带下的互干扰值，有干扰的记为1，反之记为0；

式中表示买家j在信道m上的发射功率；表示买家j到第k₁个卖家的信道系数；表示卖家k₂到买家i的发射功率；表示在信道m上的背景噪声；

这些相互干扰值可以形成买家的干扰矩阵I，当买家的干扰值小于一个干扰阈值γ且社会关系值高于θ时，将它们组合在一起则形成新的买家，可将买家记为{c₁,c₂,…,c_n}，买家更新完成后，中央处理单元就可以准备拍卖阶段。同一频带在不同用户的使用下产生的社会效益是不同的，所以提出的择优拍卖机制中，可以将频带卖给那些能产生最大社会效用的买家，因此在一轮拍卖过程中会产生多个赢家，再从赢家集中选择最优者。

如图2所示，中央处理单元收集空闲频带并定义一个频谱分配矩阵X，记为：还收集新的买家并记为{c₁,c₂,…,c_n}，在网络中广播拍卖信息，包括家庭基站拥有的频带{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}数量、频带大小、地理位置，每个家庭基站；买家根据这些信息进行估计，向中央处理单元提交各频带的竞价信息，即提交每个买家对每个频带的估价为B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；通过拍卖频段来获得通信的需求，提高网络的吞吐量。逐个对频带进行拍卖处理，本着最大化网络效益的目的，对参加拍卖的买家只要出价高于相应家庭基站对自己的频带的保底价{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，就可以将其列为赢家序列W，然后中央处理单元根据每个买家使用该频带产生的效益来选择最终的赢家，若买家是原始买家的集合，则所产生的效益为整体的总和，效益值的计算如式(2)：

式(2)中c_i是新买家所含的原始买家数目，B是频带带宽,P_b是宏基站的发射功率，h_bi是宏基站到相应家庭基站的信道增益；建立一个优化问题

式中，x_ij是拍卖结束后的分配值，值为1时表示频谱分配成功；n为参加拍卖的买家数，k为授权用户含有的频带数；最优化这个目标函数，在第一个约束条件下进行频谱拍卖，第二个约束条件是一个频带只能分给两个买家中的一个；第三个约束条件是同一用户只能得到一个频带。

如图3所示，在拍卖开始时，买家向中央处理单元提交竞价信息，中央处理单元根据卖家的保底价{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}和买家的竞价B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}，只要竞价高于卖家的要价，就可以先列入赢家序列，赢家序列中每个新买家有一个使用该频段的社会效益值，然后根据公式(2)将频带分给能产生最大效用的买家，如果有相同的最大效益值，则将频带分给出价高的用户，增大授权用户的收益；若两买家的最大效益u_ij和出价都相同，则随机分给一个用户，此时记为x_ij＝1，表示将频段j分配给买家i，新买家下的原始买家可用频段j，用户的收益为：λu_ij-b_ij，λ为加权值，λu_ij表示用户i使用频带j产生的价值，授权用户收益为：b_ij-a_ij，将相应的买家和卖家在买家集和卖家集中去除；若买家的出价均小于授权用户的保底价，可能是买家之间的串通出价，则本次拍卖失败；未授权用户则无法获得接入网络的机会。下一步，由中央处理单元将拍卖失败的买家和剩余的频带重新整合，开始下一轮拍卖，重复拍卖步骤，直到频谱分配完毕或买家集合变为空集，则频谱拍卖阶段结束；每个用户组的收益为：λu_ij-b_ij，λ为加权值，λu_ij表示用户i使用频带j产生的价值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。