專利名稱：基于需求因子的頻譜共享博弈方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中主用戶和次用戶共享頻譜的實(shí)現(xiàn)方案，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用，頻譜資源匱乏問題日益嚴(yán)重。 研究表明，目前的固定頻譜分配制度導(dǎo)致資源平均利用率低下，且極不平衡。有限的可用頻譜和低的頻譜資源利用率決定了急需一種新的通信方式。認(rèn)知無線電的出現(xiàn)為解決頻譜資源不足、實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)管理及提高頻譜利用率開創(chuàng)了嶄新的局面。而認(rèn)知無線電中的頻譜共享問題一直是國(guó)內(nèi)外理論研究的熱點(diǎn)，自認(rèn)知無線電概念提出至今，不少學(xué)者提出了頻譜共享問題的分析模型，其中一部分借鑒了微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，基于博弈論實(shí)現(xiàn)了頻譜共享。
目前已有研究者利用博弈論對(duì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜共享算法展開了研究，使用博弈中的潛在博弈(Potential game)理論對(duì)軟件無線電技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制進(jìn)行了分析，證明應(yīng)用基于博弈論的自適應(yīng)信道分配方法可以讓主次用戶有效的共享頻譜。有的給出了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的伯川德博弈模型，并利用該模型分析了多個(gè)主用戶間頻譜價(jià)格的博弈。有的則分析了認(rèn)知無線電中各種博弈模型的收斂性。而為了實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)，博弈中采用的效用函數(shù)的形式也往往各不相同，例如基于最小化系統(tǒng)干擾水平的效用函數(shù)，基于最大化系統(tǒng)吞吐量的效用函數(shù)等等。大都側(cè)重于考慮次用戶間頻譜共享的博弈，還有基于古諾模型的頻譜共享方法。但是在考慮次用戶的頻譜需求時(shí)，將各個(gè)次用戶的需求度視作一個(gè)定值，因?yàn)椴荒軐?shí)時(shí)反映用戶對(duì)頻譜實(shí)際的需求，無法很好的達(dá)到頻譜共享公平這一目的。
本方法基于鮑爾模型，提出了古諾博弈效用函數(shù)，該函數(shù)中的頻譜需求度參數(shù)不僅考慮了次用戶因?yàn)闃I(yè)務(wù)不同而導(dǎo)致對(duì)頻譜的需求不同這一因素，而且還考慮了可以共享到的頻譜的數(shù)量對(duì)需求的影響，次用戶共享的頻譜越多，則對(duì)頻譜的需求度會(huì)相對(duì)降低，因此本發(fā)明效用函數(shù)中的需求度是共享頻譜的函數(shù)，是一個(gè)變量，它更加準(zhǔn)確地描述了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中次用戶對(duì)頻譜需求的特性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于博弈理論的認(rèn)知無線電主用戶和次用戶頻譜共享的方法，構(gòu)建了基于需求的次用戶博弈效用函數(shù)，該函數(shù)中的頻譜需求度參數(shù)不僅考慮了次用戶因?yàn)闃I(yè)務(wù)不同而導(dǎo)致對(duì)頻譜需求不同這一因素，而且還考慮了可以共享到的頻譜數(shù)量對(duì)需求的影響，次用戶共享的頻譜越多，則對(duì)頻譜的需求度會(huì)相對(duì)降低，效用函數(shù)中的需求度是共享頻譜的函數(shù)，是一個(gè)變量，它更加準(zhǔn)確地描述了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中次用戶對(duì)頻譜需求的特性，可以更好地體現(xiàn)頻譜分配的公平性。
技術(shù)方案本方法的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的研究動(dòng)態(tài)與成果，通過博弈論 (Game Theory)方法建立模型，應(yīng)用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜共享中。采用了理論分析、可行性論證和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法，從理論和仿真兩個(gè)方面驗(yàn)證了所提出的方案。
本方法討論的次用戶系統(tǒng)博弈，是次用戶系統(tǒng)根據(jù)主用戶系統(tǒng)提出的價(jià)格函數(shù)來確定用于通信的頻譜數(shù)量，次用戶系統(tǒng)之間通過博弈來獲得頻譜。在次用戶系統(tǒng)博弈中，本方法研究的認(rèn)知無線電頻譜分配系統(tǒng)包括一個(gè)主用戶系統(tǒng)和多個(gè)次用戶系統(tǒng)(個(gè)數(shù)為N)， 一個(gè)次用戶系統(tǒng)包含一個(gè)或多個(gè)次用戶，主用戶系統(tǒng)也是多個(gè)主用戶的集合，分析時(shí)將所有的主用戶視為一個(gè)整體，一個(gè)次用戶系統(tǒng)也看成一個(gè)整體。
本方法的頻譜共享的博弈模型如

圖1所示，有一個(gè)主用戶系統(tǒng)和N個(gè)次用戶系統(tǒng)， 為了討論方便假設(shè)每個(gè)次用戶系統(tǒng)只存在一個(gè)次用戶，主用戶擁有一段授權(quán)頻譜，主用戶可以將該段頻譜中的空閑頻段分配給次用戶系統(tǒng)，但是次用戶要向主用戶支付報(bào)酬。圖右邊的總頻譜中，灰色表示主用戶已經(jīng)占用的頻譜，黑色表示各用戶之間的保護(hù)頻段(帶寬很小且固定)，白色表示次用戶占用的頻譜，《(W = 1,2,...,Λ0表示第i個(gè)次用戶系統(tǒng)共享到的頻譜。
該方法構(gòu)建了基于需求的次用戶博弈模型，該模型中的頻譜需求度參數(shù)不僅考慮了次用戶因?yàn)闃I(yè)務(wù)不同而導(dǎo)致對(duì)頻譜需求不同這一因素，而且還考慮了可以共享到的頻譜數(shù)量對(duì)需求的影響，次用戶共享的頻譜越多，則對(duì)頻譜的需求度會(huì)相對(duì)降低，效用函數(shù)中的需求度是共享頻譜的函數(shù)，是一個(gè)變量，具體的方法為 a、構(gòu)建博弈模型將頻譜共享問題模型化為古諾博弈模型，N個(gè)次用戶作為博弈的參與者，采取的策略為每個(gè)次用戶需求的頻譜數(shù)量，主用戶根據(jù)次用戶的需求不斷調(diào)整出價(jià)，共享的頻譜越多則出價(jià)越貴，次用戶相互競(jìng)爭(zhēng)租得需要的頻譜數(shù)，以使得自身的利益最大化。設(shè)主用戶對(duì)次用戶的出價(jià)函數(shù)為
權(quán)利要求
1. 一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于需求因子的頻譜共享方法，其特征在于該方法構(gòu)建了基于需求的次用戶博弈模型，該模型中的頻譜需求度參數(shù)不僅考慮了次用戶因?yàn)闃I(yè)務(wù)不同而導(dǎo)致對(duì)頻譜需求不同這一因素，而且還考慮了可以共享到的頻譜數(shù)量對(duì)需求的影響，次用戶共享的頻譜越多，則對(duì)頻譜的需求度會(huì)相對(duì)降低，效用函數(shù)中的需求度是共享頻譜的函數(shù)，是一個(gè)變量，具體的方法為a、構(gòu)建博弈模型將頻譜共享問題模型化為古諾博弈模型，N個(gè)次用戶作為博弈的參與者，采取的策略為每個(gè)次用戶需求的頻譜數(shù)量，主用戶根據(jù)次用戶的需求不斷調(diào)整出價(jià)， 共享的頻譜越多則出價(jià)越貴，次用戶相互競(jìng)爭(zhēng)租得需要的頻譜數(shù)，以使得自身的利益最大化。設(shè)主用戶對(duì)次用戶的出價(jià)函數(shù)為
，其中，、為次用戶j租到的頻譜，x、y和τ都為非負(fù)常數(shù)，τ彡1(保證出價(jià)函數(shù)為凸函數(shù))，Β表示所有主系統(tǒng)租借到的頻譜組成的集合，即B = Ib1,..... bN}，同時(shí)令w代表主用戶對(duì)頻譜的成本衡量，故而，必須保證
,條件成立，以保證主用戶共享頻譜的可行性和積極性。次用戶效用函數(shù)為L(zhǎng)(B) =Dikibi-I3ic (B)，其中第一項(xiàng)為次用戶在共享到的頻譜上傳輸時(shí)得到的效益，h為次用戶的頻譜利用率，h為次用戶i租到的頻譜，Di為次用戶對(duì)頻譜的需求函數(shù)；第二項(xiàng)為次用戶租借頻譜所付出的代價(jià)。根據(jù)鮑爾模型，定義次用戶的頻譜需求函數(shù)為Di = max (m-n^Q, 0)，其中Hii為次用戶自身的特征參數(shù)，隨業(yè)務(wù)需求而產(chǎn)生變化，η為常數(shù)，Q為博弈中次用戶所租借到的總頻譜數(shù)
’則Jii(B) = Oni-IiQ) M^biC (B 。b、計(jì)算次用戶共享的頻譜數(shù)定義B— = IbjIj = 1，...，N;j乒i}表示除次用戶 i外的其它次用戶的策略集合，這樣對(duì)于某個(gè)次用戶來說，分配的頻譜數(shù)與其它次用戶的決策有關(guān)，B = B_i U {bj表示所有用戶的策略集合。在給定其他參與者的行為時(shí)， 沒有任何參與者會(huì)選擇不同的行為來提高自身收益，此時(shí)的狀態(tài)就是納什均衡。這里給出最佳響應(yīng)函數(shù)的定義為
集合
在滿足
時(shí)為納什均衡解的集合，ZC表示次用戶j的最佳策略，j Φ i ；求解方程
可以得到效用的最大值，即
對(duì)于次用戶i，給定了次用戶j的策略I = IbjIj = 1，...，N;j乒i}；根據(jù)上式就可得到次用戶i的最佳響應(yīng)函數(shù)，以同樣的方法求出每個(gè)次用戶的最佳響應(yīng)函數(shù)；c、頻譜最佳響應(yīng)函數(shù)的求解過程根據(jù)邊際效用函數(shù)調(diào)整共享的頻譜bi;此時(shí)頻譜博 弈模型為
表示t時(shí)刻的次用戶i分配的頻譜大小，CIi 是次用戶i的收斂速度調(diào)整參數(shù)，也就是學(xué)習(xí)因子；從模型中可以看出頻譜是動(dòng)態(tài)分配的， 某一時(shí)刻次用戶只能與主用戶通信并知曉前一時(shí)刻其他次用戶的部分信息，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻其他次用戶的信息無法得知；將i’代入上式，博弈模型可以表示成
具體實(shí)現(xiàn)過程如下(1)當(dāng)t = 0時(shí)，為次用戶i設(shè)定初始頻譜h (t)，并設(shè)定授權(quán)給主用戶的頻譜大小為R ·utot ，⑵當(dāng)t = t+l時(shí)，根據(jù)
求出Mt+l)；(3)若
則算法結(jié)束，所得的頻譜bjt)即為求得的最佳頻譜組合；若
’判斷 bi(t+l)與 bi(t) =^biU+!) =bi(t)，則算法結(jié)束，所得的頻譜 bi(t)即為求得的最佳頻譜組合；否則返回步驟(2)繼續(xù)執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于需求因子的頻譜共享博弈方法，該方法針對(duì)主次用戶共享頻譜問題，構(gòu)建了基于需求的次用戶博弈效用函數(shù)，該函數(shù)中的頻譜需求度參數(shù)不僅考慮了次用戶因?yàn)闃I(yè)務(wù)不同而導(dǎo)致對(duì)頻譜需求不同這一因素，而且還考慮了可以共享到的頻譜數(shù)量對(duì)需求的影響，次用戶共享的頻譜越多，則對(duì)頻譜的需求度會(huì)相對(duì)降低，效用函數(shù)中的需求度是共享頻譜的函數(shù)，是一個(gè)變量，它更加準(zhǔn)確地描述了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中次用戶對(duì)頻譜需求的特性，可以更好地體現(xiàn)頻譜分配的公平性。
文檔編號(hào)H04W16/14GK102186177SQ20111010606
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者朱琦, 周惟風(fēng), 趙夙 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)