專利名稱：基于無(wú)線協(xié)作通信的頻譜租賃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其是基于協(xié)作通信機(jī)制的頻譜租賃的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻譜產(chǎn)權(quán)(property rights)是實(shí)現(xiàn)自由化頻譜管理，動(dòng)態(tài)頻譜接入的潛力方法， 也是頻譜改革的方向之一。根據(jù)頻譜產(chǎn)權(quán)模型，擁有頻譜授權(quán)的主用戶(授權(quán)用戶)可以通過(guò)租賃的形式把部分頻譜轉(zhuǎn)讓給次級(jí)用戶(非授權(quán)用戶)，以換取適當(dāng)?shù)睦?。頻譜租賃(spectrum leasing)屬于頻譜交易。主用戶和次級(jí)用戶通過(guò)次級(jí)頻譜市場(chǎng)(secondary spectrum market)進(jìn)行交易。頻譜產(chǎn)權(quán)模型中，如何能夠使有限的頻譜資源得到最大價(jià)值的利用，經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)機(jī)制將起到重要的作用。從直觀理解和理論上來(lái)說(shuō)，該模型具有很好的價(jià)值和不錯(cuò)的發(fā)展前景。但是頻譜資源的一些特殊性(比如電磁的空間傳播沒(méi)有確界)，使得定義一個(gè)明晰可執(zhí)行的頻譜產(chǎn)權(quán)比較困難。另外，頻譜產(chǎn)權(quán)模型的實(shí)現(xiàn)涉及到法規(guī)問(wèn)題，之間缺乏明確的定價(jià)模式。目前針對(duì)頻譜產(chǎn)權(quán)的研究主要從兩個(gè)方面展開(kāi)一是從實(shí)際出發(fā)，考慮在現(xiàn)實(shí)中定義、實(shí)施和管理頻譜產(chǎn)權(quán)；二是建立一定的模型框架，通過(guò)分析主用戶和次級(jí)用戶在次級(jí)頻譜市場(chǎng)中的行為，研究和評(píng)價(jià)各種定價(jià)機(jī)制的效能，用于指導(dǎo)主用戶的定價(jià)策略和次級(jí)用戶的出價(jià)策略。Simeone 在其論文((Spectrum leasing to cooperating secondary ad hoc networks》中提出了基于協(xié)作通信機(jī)制的頻譜租賃，其基本思想是主用戶把頻譜租賃給次級(jí)用戶，作為回報(bào)，次級(jí)用戶幫助主用戶進(jìn)行協(xié)作傳輸，提高主用戶的鏈路質(zhì)量。然而該框架不是基于定價(jià)機(jī)制的，頻譜和協(xié)作之間的交換比較復(fù)雜，存在集中運(yùn)算、信道反饋開(kāi)銷大和可擴(kuò)展性差的問(wèn)題。本發(fā)明提出了一種基于無(wú)線協(xié)作通信的頻譜租賃方法，該方法不涉及貨幣操作， 并且運(yùn)算簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于無(wú)線協(xié)作通信的頻譜租賃方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為所述無(wú)線協(xié)作通信包含主用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的主用戶接收機(jī)，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的次級(jí)用戶接收機(jī)，其中主用戶將自身的一部分頻譜資源以價(jià)格P租賃給次級(jí)用戶，次級(jí)用戶的發(fā)射機(jī)為主用戶提供協(xié)作傳輸以作為回報(bào)，所述方法具體包括以下步驟步驟11、將主用戶所占有的頻段劃分為時(shí)間長(zhǎng)度為T的幀結(jié)構(gòu)，將該時(shí)間長(zhǎng)度T進(jìn)一步劃分為T1, T2，T3三個(gè)時(shí)隙；步驟12、在1\時(shí)隙，主用戶發(fā)射機(jī)將信號(hào)發(fā)送給主用戶接收機(jī)和次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)；步驟13、在T2時(shí)隙次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)將接收到的信號(hào)放大并轉(zhuǎn)發(fā)給主用戶接收機(jī)；
步驟14、在T3時(shí)隙，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)在其租賃的主用戶的頻譜資源上將信號(hào)發(fā)送給次級(jí)用戶接收機(jī)；其中，T3為次級(jí)用戶租賃的頻譜資源，(=T2 =I^。進(jìn)一步地，所述價(jià)格ρ可以是指次級(jí)用戶租賃單位頻譜資源時(shí)為主用戶提供的功率，其中頻譜資源以時(shí)間表示，價(jià)格P的單位為瓦特/秒。進(jìn)一步地，所述次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)可以根據(jù)效用函數(shù)Ur (p，t)和價(jià)格ρ來(lái)確定需要租賃的頻譜資源T3(P)；進(jìn)一步地，所述主用戶發(fā)射機(jī)可以調(diào)整價(jià)格ρ的值以使得效用函數(shù)Us(p，T3)取得最大值。進(jìn)一步地，所述主用戶發(fā)射機(jī)調(diào)整價(jià)格ρ的值以使得效用函數(shù)Us (p，T3)取得最大值具體可以為步驟21、在初始時(shí)刻，ρ = 0,T3 = 0，主用戶發(fā)射機(jī)進(jìn)行直接傳輸，即在整個(gè)時(shí)隙T 主用戶發(fā)射機(jī)將信號(hào)發(fā)送給主用戶接收機(jī)，此時(shí)主用戶的效用函數(shù)的值為Us(p，t) = Udir ；步驟22、主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)布初始價(jià)格ρ = Δρ，其中Δρ為價(jià)格調(diào)整步長(zhǎng)；步驟23、次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)根據(jù)效用函數(shù)Ujp，t)和價(jià)格ρ來(lái)確定需要租賃的頻譜資源，記作T3 (p)，即T3 = T3 (p)，并為主用戶提供與T3相對(duì)應(yīng)的協(xié)作通信； 步驟24、主用戶更新自身的效用函數(shù)Us (p，T3)，如果Us (p，T3) > Us (ρ-Δ p, T3)成立，即主用戶的效用函數(shù)的值有所增加，則執(zhí)行步驟25，如果不成立，則執(zhí)行步驟沈；步驟25、主用戶將價(jià)格提升Δ ρ，即ρ = ρ+Δ ρ，返回步驟23 ；步驟26、主用戶確定最優(yōu)價(jià)格為ρ = ρ-Δ ρ，次級(jí)用戶確定其購(gòu)買的時(shí)隙為T3 = T3 (ρ-Δ ρ)。


圖1是本發(fā)明的無(wú)線協(xié)作通信的系統(tǒng)框架圖。圖2是本發(fā)明的主用戶發(fā)射機(jī)調(diào)整價(jià)格ρ的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的系統(tǒng)模型如圖1所示，主用戶發(fā)射機(jī)PT(Primary Transmitter，簡(jiǎn)寫為 s)與其接收機(jī)I3R(Primary Receiver，簡(jiǎn)寫為d)通信。主用戶所占有的頻段被劃分為時(shí)間長(zhǎng)度為T的幀結(jié)構(gòu)，而每一幀又按照時(shí)分的方式劃分成若干時(shí)隙。在下面的分析過(guò)程中，假定時(shí)隙足夠小，因此每幀可以當(dāng)做連續(xù)的時(shí)間進(jìn)行任意比例的劃分。在同樣的頻段上，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)ST (Secondary Transmitter，簡(jiǎn)寫為r)和接收機(jī)SR(Secondary Receiver)尋求可能的傳輸機(jī)會(huì)。主用戶租賃部分時(shí)隙給次級(jí)用戶使用， 并由此來(lái)?yè)Q取次級(jí)用戶的協(xié)作，從而提高自身鏈路的服務(wù)質(zhì)量。不失一般性，我們采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)作為協(xié)作方式。具體來(lái)說(shuō)，主用戶將決定使用所有時(shí)隙進(jìn)行直接傳輸，或者選擇讓次級(jí)用戶進(jìn)行協(xié)作。如果選擇進(jìn)行協(xié)作，則主用戶發(fā)布每單位時(shí)隙的價(jià)格P，然后次級(jí)用戶根據(jù)發(fā)布的價(jià)格決定需要購(gòu)買的時(shí)隙數(shù)量。假定r購(gòu)買的時(shí)隙為t。那么在第一個(gè)階段，s將數(shù)據(jù)廣播發(fā)送給r和d ；第二個(gè)階段r放大并轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信號(hào)給d ；最后ー個(gè)階段，r允許在其購(gòu)買的時(shí)隙t上進(jìn)行傳輸(從ST至SR)。本發(fā)明提出了一種全新的價(jià)格定義，即以“功率/単位頻譜”作為價(jià)格P的単位 (由于這里頻譜資源是以時(shí)間表示，因此價(jià)格單位為w/s)。接下來(lái)，采用了賣家/買家(斯 塔克爾伯格)博弈框架對(duì)主用戶和次級(jí)用戶之間的博弈進(jìn)行建摸，并給出主用戶和次級(jí)用 戶各自的優(yōu)化問(wèn)題表示。下面是問(wèn)題描述中用到的符號(hào)表示用Ps表示S的發(fā)射功率，Pr, d表示r給d的發(fā)射功率。假定Gx,y表示從X到y(tǒng)的信道増益X = S or r，y = r or d，各 接收機(jī)噪聲功率認(rèn)為相同且用O2表示。次級(jí)用戶購(gòu)買的時(shí)隙由t表示。首先，將次級(jí)用戶！ 建模為買家，其目標(biāo)為獲得最多的收益。收益是由使用購(gòu)買的 信道獲得的利益減去協(xié)作引起的代價(jià)得到，當(dāng)價(jià)格主用戶發(fā)布價(jià)格為P吋，r的效用函數(shù)由 下式給出
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)線協(xié)作通信的頻譜租賃方法，其特征在于所述無(wú)線協(xié)作通信包含主用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的主用戶接收機(jī)，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的次級(jí)用戶接收機(jī)，其中主用戶將自身的一部分頻譜資源以價(jià)格P租賃給次級(jí)用戶， 次級(jí)用戶的發(fā)射機(jī)為主用戶提供協(xié)作傳輸以作為回報(bào)，所述方法具體包括以下步驟步驟11、將主用戶所占有的頻段劃分為時(shí)間長(zhǎng)度為T的幀結(jié)構(gòu)，將該時(shí)間長(zhǎng)度T進(jìn)一步劃分為T1, T2，T3三個(gè)時(shí)隙；步驟12、在T1時(shí)隙，主用戶發(fā)射機(jī)將信號(hào)發(fā)送給主用戶接收機(jī)和次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)； 步驟13、在T2時(shí)隙次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)將接收到的信號(hào)放大并轉(zhuǎn)發(fā)給主用戶接收機(jī)； 步驟14、在T3時(shí)隙，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)在其租賃的主用戶的頻譜資源上將信號(hào)發(fā)送給次級(jí)用戶接收機(jī)；其中，T3為次級(jí)用戶租賃的頻譜資源，$ =T2 =I^。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述價(jià)格ρ是指次級(jí)用戶租賃單位頻譜資源時(shí)為主用戶提供的功率，其中頻譜資源以時(shí)間表示，價(jià)格P的單位為瓦特/秒。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)根據(jù)效用函數(shù)Ur(p，t)和價(jià)格P來(lái)確定需要租賃的頻譜資源T3 (ρ)，T3(p)為使Ujp，t)取最大值的t;
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，主用戶發(fā)射機(jī)調(diào)整價(jià)格P的值以使得效用函數(shù)Us (p，T3)取得最大值；J Udll如果主用戶發(fā)射機(jī)選擇直接傳輸s \UC00V(PJ^ 如果如果主用戶發(fā)射機(jī)選擇協(xié)作傳輸’
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述主用戶發(fā)射機(jī)調(diào)整價(jià)格ρ的值以使得效用函數(shù)Us (p，T3)取得最大值具體為步驟21、在初始時(shí)刻，ρ = O, T3 = 0，主用戶發(fā)射機(jī)進(jìn)行直接傳輸，即在整個(gè)時(shí)隙T主用戶發(fā)射機(jī)將信號(hào)發(fā)送給主用戶接收機(jī)，此時(shí)主用戶的效用函數(shù)的值為Us(p，t) = Udir ； 步驟22、主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)布初始價(jià)格ρ = Δρ，其中Δρ為價(jià)格調(diào)整步長(zhǎng)； 步驟23、次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)根據(jù)效用函數(shù)扎(p，t)和價(jià)格ρ來(lái)確定需要租賃的頻譜資源， 記作T3 (ρ)，即T3 = T3 (ρ)，并為主用戶提供與T3相對(duì)應(yīng)的協(xié)作通信；步驟24、主用戶更新自身的效用函數(shù)Us(p，T3)，如果Us(p，T3) > Us (ρ-Δ ρ, T3)成立，即主用戶的效用函數(shù)的值有所增加，則執(zhí)行步驟25，如果不成立，則執(zhí)行步驟沈； 步驟25、主用戶將價(jià)格提升ApJPp = ρ+Δ ρ，返回步驟23 ；
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于無(wú)線協(xié)作通信的頻譜租賃方法，所述無(wú)線協(xié)作通信包含主用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的主用戶接收機(jī)，次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)及其對(duì)應(yīng)的次級(jí)用戶接收機(jī)，其中主用戶將自身的一部分頻譜資源以價(jià)格p租賃給次級(jí)用戶，次級(jí)用戶的發(fā)射機(jī)為主用戶提供協(xié)作傳輸以作為回報(bào)。本發(fā)明所提供的方法運(yùn)算簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展。
文檔編號(hào)H04W28/18GK102307355SQ20111025811
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者田耘, 袁志巍, 高展宏 申請(qǐng)人:西瑞克斯(北京)通信設(shè)備有限公司