[發明專利]認知無線網絡中頻譜博弈分配方法

無效

• 申請號: 201110287190.6
• 申請日: 2011-09-23
• 公開（公告）號: CN102316465A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 俎云霄;李鵬;劉毅飛;賈越
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W16/14
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及認知無線網絡中頻譜博弈分配方法。

背景技術

隨著各種無線通信新技術的不斷出現以及各種無線業務的興起，以及新一代寬帶無線網絡的大量出現(如LTE-A和WiMAX)，頻譜資源短缺的問題日益嚴重。目前無線電頻譜是采取固定方式分配給不同的網絡(即為授權頻譜)，由國家統籌規劃管理。實際應用中的大量測量結果表明，這種固定頻譜授權分配使用的方式導致某些頻譜承載的業務量很大，出現嚴重的擁塞現象；而同時，也有些頻譜的頻譜使用效率極低，造成了頻譜資源的嚴重浪費。認知無線電的提出被認為是解決這一問題最完美的技術方案，由此衍生的認知無線網絡也已被視為未來網絡的主流發展方向。

認知是指無線電必須具有自我感知能力，了解其工作環境的基本狀況，并使用無線電知識表示語言與其他的實體進行通信，從而實現無線電的控制問題。認知無線電技術為次用戶提供了擇機使用和共享頻譜的能力，主要包括頻譜檢測、頻譜分配(管理)以及頻譜切換等多方面的內容，核心思想是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用的能力。

頻譜分配是指根據需要接入系統的節點數目及其服務要求將頻譜分配給一個或多個指定節點。頻譜分配策略的選擇直接決定系統容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業務而不斷變化的需求。在認知無線電中，為了解決頻譜資源的匾乏和目前固定分配頻譜利用率較低的問題，就要求找到更有效的方法來充分感知和利用無線頻譜資源。基本途徑有兩條：其一，提高頻譜利用率，將已授權用戶的頻譜資源充分利用，減少浪費；其二，提高系統通信效率，將已獲得的頻譜資源和其他資源綜合優化分配，進而提高利用率，這些都涉及到頻譜分配的內容。

認知無線電中的頻譜共享問題一直是國內外理論研究的熱點，自認知無線電概念的提出發展至今，不少學者提出了認知無線電中頻譜共享問題的分析模型，它們大多是借鑒于一些經典的數學理論以及微觀經濟學理論等，現就較為常見的兩種頻譜分配模型介紹如下：

(1)基于圖論的頻譜分配模型

基于圖論的頻譜分配模型是建立在相應的干擾和約束條件之上的。在認知無線電的研究中，將認知用戶組成的網絡拓撲結構抽象成圖，圖中的每一個頂點代表無線用戶，每一條邊表示一對頂點間的沖突或者干擾。特別的，如果圖中的某兩個頂點由一條邊連接，則假定這兩個節點不能同時使用相同的頻譜。另外，將每一個頂點與一個集合相關聯，這個集合代表該頂點所在區域位置可以使用的頻譜資源。由于每個頂點地理位置的不同，因而不同頂點所關聯的資源集合是不同的。在建立了網絡拓撲結構圖的基礎上，便可以根據圖論著色理論對認知無線電用戶進行頻譜分配。

但是，基于該模型的頻譜分配方法中，頻譜分配的完成時間與空閑信道數多少以及網絡的動態特性有關，在網絡結構發生變化的時候需要更新拓撲圖并重新著色進行頻譜的再分配，因而該模型無法適應認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求，也不適應認知無線電網絡的動態變化。

(2)基于定價拍賣的頻譜分配模型

利用微觀經濟學中定價拍賣原理而制定的無線電資源分配機制在近年來被廣泛研究，而且已經證明是認知無線電網絡的頻譜分配問題的有效解決方法。在這種基于拍賣的頻譜分配模型中，網絡結構一般采用集中式結構，認知無線電用戶是投標者，中心接入點(Access?Point，AP)或基站(Base?Station，BS)在一次拍賣中充當拍賣人。在一個拍賣輪回中，每個投標者為滿足自身需要給頻譜資源投標，由拍賣人根據最大化認知無線電網絡收益等原則確定勝利者。

基于定價拍賣的頻譜分配模型根據不同的網絡效用需要來確定自身的目標函數，即確定贏家勝出的規則。例如采用最大化系統吞吐量原則將某段頻譜分配給在其上吞吐量投標值最大的用戶，利用效用公平原則和時間公平原則保證投標在競爭頻譜資源過程中的效用公平和時間公平等等。

但是，基于該模型的頻譜分配方法中，只是根據次用戶的頻譜租用需求進行決策，并未考慮主用戶的出租效益和空閑頻譜動態變化情況，決策時如果次用戶需要在需求和效益之間進行平衡，則有可能導致一個輪回的決策時間過長(多個次用戶多次調整需求值)，因而該模型也無法適應認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求，也不適應頻譜分配的實時性要求。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本方案為了解決主用戶空閑頻譜利用率低的問題，提出了一種認知無線網絡中頻譜博弈分配方法，通過博弈論中的寡頭競爭抽象模型調整頻譜共享策略，使得主用戶得到額外的效用，次用戶也可以利用主用戶的頻譜傳輸信息，實現了頻譜共享，提高了頻譜利用率。