[發明專利]一種基于服務質量保障的物聯網頻譜資源分配方法

在審

• 申請號: 202110177514.4
• 申請日: 2021-02-09
• 公開（公告）號: CN114258137A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 黃隆勝;李建威;龔成堅;王軍;朱赟
• 申請（專利權）人: 贛南師范大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04W72/08;H04W4/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種物聯網中基于服務質量保障的頻譜資源分配方法。根據物聯網容忍的誤包率、誤比特率和傳輸時延等性能要求來保障物聯網用戶的服務質量需求，并通過該用戶的實時吞吐量最大化來評判該用戶的網絡性能，從而建立物聯網用戶的收益函數；考慮到用戶通過調節帶寬來保障服務質量和提高吞吐量，但使用帶寬的增大也相應會提高用戶的成本支出，從而設置成本函數；本發明的目標為保障物聯網用戶的誤包率、誤比特率和傳輸時延等服務質量需求下最大化其實時吞吐量，通過非合作博弈達到納什均衡作為其帶寬的優化值。當誤包率、誤比特率和傳輸時延在服務質量保障的情況下，達到納什均衡后，必然存在用戶帶寬的優化值使用戶的吞吐量性能對應的收益函數與成本函數之差，即效用函數，最大化；當信道某個參數變化超過閾值時，可通過最優帶寬的分配表達式重新更新合適的帶寬給物聯網節點。

技術領域

本發明屬于物聯網技術領域，具體涉及用于保障物聯網中服務質量性能要求的頻譜資源分配方法。

背景技術

由于快速不斷增長的無線通信需求和有限的頻率資源的可用性，通過允許未經授權的用戶傳輸信號給主用戶，可有效地提高頻譜利用率。認知無線電技術可實現動態頻譜共享，從而緩解頻譜供需矛盾的重要途徑。物聯網中頻譜分配的關鍵問題、算法設計目標以及主流頻譜分配模型的設計思想和技術特點是當前頻譜資源分配優化技術上的重點和難點。

發明內容

為實現在物聯網中復用模式下基于服務質量保障的物聯網頻譜資源分配方法，本發明的技術方案包括以下內容：

設定根據物聯網系統容忍的誤包率、誤比特率和傳輸時延等性能要求下來保障該用戶的服務質量需求，并通過該用戶的實時吞吐量來評判該用戶的網絡性能，則建立物聯網用戶i的收益函數，可表示為：

其中，H_i表示第i個用戶的信道吞吐量，T_i表示第i個用戶的時延，B_i為第i個用戶所占帶寬，G_i為第i個用戶的信道增益，ERB_i和ERP_i分別表示第i個用戶的誤比特率和誤包率，β、γ、λ₁、λ₂和λ₃等為權重系數，T_max表示系統容忍的最大時延，B_max為單個用戶可達的最大傳輸帶寬，H_max為單個用戶可達的最大吞吐量，ERB_max為系統容忍的最大誤比特率，ERP_max為系統容忍的最大誤包率。

由于吞吐量、誤包率、誤比特率、信道延遲和信道增益與很多非可控因素有關，而單個用戶的帶寬可通過設置優化值來滿足性能要求，因此在本發明中通過調節用戶帶寬來保障服務質量和提高吞吐量，但使用帶寬的增大會造成用戶成本支出的提高。考慮到要保障系統容忍的誤包率、誤比特率和傳輸時延等服務質量，同時要盡可能提高來實時吞吐量，則物聯網用戶i需要為其需求付出相關成本，其成本函數F_cost(i)可表示為：

其中，m為成本系數，n＝B/(B_h-B_l)，s為映射系數，B_h為階梯式價格上限，B_l為階梯式價格下限，B_i為第i個用戶所占帶寬。

因此，物聯網頻譜資源分配方法的目標為保障物聯網用戶的誤包率、誤比特率和傳輸時延等服務質量需求下最大化其實時吞吐量，通過非合作博弈達到納什均衡作為其帶寬的優化值。當吞吐量、誤包率、誤比特率、信道延遲和信道增益給定的情況下必然存在B_i^*使用戶i網絡性能對應的效用函數F_profit(i)最大，可表示為：

對F_profit(i)求一階導數可得：