[發明專利]高效與公平的動態頻譜分配方法

有效

• 申請號: 201110371988.9
• 申請日: 2011-11-21
• 公開（公告）號: CN102404747A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 馬忠貴;周賢偉;曾廣平
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10
• 代理公司: 北京中博世達專利商標代理有限公司 11274
• 代理人: 申健

技術領域

本發明涉及一種解決認知無線網絡動態頻譜分配的效率與公平性問題的高效與公平的動態頻譜分配方法，屬于認知無線通信網絡的動態資源劃分技術領域。

背景技術

動態頻譜分配是分布式、多用戶的多方動態博弈問題。各個認知用戶在資源有限的情況下，對頻譜的占用過程可以看作是一個博弈過程，這種博弈包括通信時間先后的競爭、通信頻率的競爭等。每個認知用戶在使用頻譜時，都希望能夠最大程度滿足自己的通信需求，但是，對于整個系統來說，無序的競爭反而可能導致整體性能的下降。因此，為了提高多個認知用戶的頻譜分配效率，就必須讓各個認知用戶按照一定的規則或算法使用頻譜。

目前皆采用博弈論的理論、模型和算法，研究多用戶間的頻譜分配，解決多個認知用戶之間的頻譜資源競爭問題。

交互式認知無線網絡中的動態頻譜管理需要考慮四方面的問題：(1)認知用戶對主用戶的干擾問題；(2)認知用戶之間的競爭問題；(3)頻譜時變特性的最優頻譜分配問題；(4)認知無線電系統的效率和用戶間的公平性問題。對于(1)、(2)兩個問題，通常采用靜態博弈論的模型和方法。第(3)個問題，特別是連續時變頻譜的最優頻譜分配問題，是隨時間變化的動態博弈和合作的過程。第(4)個問題屬于合作與協同，通過協調可實現合作，發揮各方的所長與優勢，協同創造共贏的局面。

文獻1(Z.Ji，and?K.J.R.Liu.Multi-Stage?Pricing?Game?for?Collusion-Resistant?Dynamic?Spectrum?Allocation.IEEE?Journal?on?Selected?Areas?in?Communications，2008，26(1)：182-191.)將動態頻譜分配建模為一個多階段定價博弈，并提出一種抑制沖突的動態定價方法，使用最優保留價格消除沖突，并最大化用戶的效用水平。同時，使用納什討價還價解分析該方案的邊界條件，需要的邊界約束更低。仿真結果表明，在不同的用戶沖突情況下，均可獲得較高的頻譜利用率。文獻2(Dusit?Niyato，Ekram?Hossain.Competitive?Pricing?for?Spectrum?Sharing?in?Cognitive?Radio?Networks：Dynamic?Game，Inefficiency?of?Nash?Equilibrium，and?Collusion.IEEE?Journal?on?Selected?Areas?In?Communications，2008，26(1)：192-202.)提出多個主系統間頻譜價格博弈的Bertrand模型，但假設參與博弈的主系統完全對稱，沒有任何差異，這只是認知無線網絡的特殊情況。

可見，目前認知無線網絡技術中的大部分技術方案都基于靜態博弈論和重復博弈展開，雖然以上這些方法在實現高效與公平的動態頻譜分配方面取得了一些進步，但是不能真實地反映使用場景。事實上，動態頻譜分配是一個隨時間動態交互的過程，前一時刻的最優頻譜分配方案，可能在下一刻不再保持其最優性。也就是說，在認知無線網絡中，無線電環境隨著時間和空間的變化有著不同的特性，并且工作頻率和帶寬等頻帶信息也具有不同的特性；同時，由于認知無線網絡中用戶對帶寬的需求、可用信道的數量、狀況和位置都是隨時變化的。因此，靈活有效的頻譜分配方法顯得至關重要。認知無線網絡為了滿足用戶的QoS需求，必須在時變的可用頻帶中選出最佳頻帶。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于合作微分博弈的交互式認知無線網絡高效與公平的動態頻譜分配方法，以解決目前的動態頻譜分配方法尚不能真實地反映時變射頻環境的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供的高效與公平的動態頻譜分配方法包括以下步驟：基于合作微分博弈理論，將交互式認知無線網絡劃分為不同的聯盟，建立交互式認知無線網絡“聯盟-競爭”型體系結構；設定交互式認知無線網絡具有n個認知用戶，以及每個認知用戶i∈N的目標函數或支付函數為：i∈N＝{1，2，...，n}，s∈[0，∞)(1)；式(1)中，s表示時刻，N表示認知用戶集合，狀態變量x(s)表示交互式認知無線網絡在時刻s可用頻譜的百分比，控制變量ui(s)表示每個認知用戶i∈N在時刻s的頻譜接入率，正常數r表示交互式認知無線網絡的貼現率，可用頻譜的百分比x(s)滿足如下的動態系統：對式(1)求解。