本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種包含家庭基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的組合頻譜拍賣方法。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，如何利用現(xiàn)有的頻譜資源來盡可能的滿足日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和增大通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，提高頻譜效率，已成為現(xiàn)在學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。相關(guān)統(tǒng)計顯示，在日益增長的無線通信業(yè)務(wù)的需求下，60％的話音業(yè)務(wù)和80％的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，顯然移動用戶通信的大量時間發(fā)生在信號較弱甚至無信號的室內(nèi)，這樣導(dǎo)致用戶通信質(zhì)量不理想；針對這一問題，第三代合作伙伴計劃(3GPP)在LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)中提出了支持異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的家庭基站。這種家庭基站用戶可自主部署，發(fā)射功率低；這種雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以有效的解決宏基站的覆蓋“盲區(qū)”問題，提高室內(nèi)的通信質(zhì)量，也有效地緩解宏基站的通信負(fù)載。

盡管家庭基站的引入增加了網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，但也使網(wǎng)絡(luò)中的用戶干擾變得更為復(fù)雜，若宏基站和家庭基站頻譜分配方案采用共信道分配方式，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的同層和跨層干擾；若頻譜分配方案采用正交信道分配方式，則系統(tǒng)的頻譜利用率較低；若頻譜分配方案采用部分共信道方案，雖然可以部分解決跨層干擾，但頻譜分配固定，靈活性差，頻譜使用效率不高。頻譜資源有限，因此需要設(shè)計一種高效的頻譜分配方案，以提高頻譜利用率，保障用戶通信質(zhì)量，增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題。

將拍賣理論應(yīng)用到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，將網(wǎng)絡(luò)中的空閑頻譜資源進(jìn)行拍賣，引入市場機(jī)制，增加了頻譜分配的靈活性并兼具公平和高效性。考慮雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中家庭基站之間競爭關(guān)系，根據(jù)他們之間的社會關(guān)系，找出網(wǎng)絡(luò)中家庭基站的最佳組合，通過最大社會效用的拍賣機(jī)制可以使頻譜資源得到充分而有效地利用頻譜資源，提高頻譜分配效率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

基于以上的發(fā)明思想，提出了一種包含家庭基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組合頻譜拍賣方法，家庭基站采用混合接入方式，授權(quán)用戶可以接入，在家庭基站覆蓋下非授權(quán)用戶通過購買授權(quán)頻帶接入；首先根據(jù)雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中家庭基站之間的社會關(guān)系值將網(wǎng)絡(luò)中干擾小且社會關(guān)系值大于θ的家庭基站進(jìn)行組合，構(gòu)建新買家，然后進(jìn)行頻譜拍賣。

具體的，一種包含家庭基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分組頻譜拍賣方法，所述家庭基站采用混合接入方式，授權(quán)用戶可以接入，在家庭基站覆蓋下非授權(quán)用戶通過購買授權(quán)頻帶接入，所述分組頻譜拍賣方法包括以下步驟：

S10：在包含家庭基站雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)有K個授權(quán)的家庭基站和宏用戶擁有相同帶寬大小的空閑授權(quán)頻帶，記為{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每個家庭基站對自己頻帶估值的保底價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；

S20：構(gòu)建家庭基站社會關(guān)系，中央處理單元收集網(wǎng)絡(luò)中買家信息，買家之間進(jìn)行信息交互，在網(wǎng)絡(luò)形成相互的社會關(guān)系，構(gòu)成一個社交網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)買家之間的喜好程度，不同的買家有不同的社會關(guān)系值然后按式(1)計算各個買家在同頻帶下的相互干擾情況，

式中表示買家j在信道m(xù)上的發(fā)射功率；表示買家j到第k₁個賣家的信道系數(shù)；表示賣家k₂到買家i的發(fā)射功率；表示在信道m(xù)上的背景噪聲；若兩個買家計算出的互干擾小于一個設(shè)定閾值γ，則這兩個買家在雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中可視為無干擾用戶，當(dāng)買家的干擾小于一個設(shè)定閾值γ且社會關(guān)系值高于θ時，將它們組合在一起則形成新的買家；假設(shè)買家數(shù)為N個，根據(jù)式(1)分別計算在不同家庭基站中買家之間的相互干擾值，有干擾的記為1，反之記為0；將所有買家的干擾情況形成一個干擾矩陣I；

S30：中央處理單元定義一個頻譜分配矩陣X，記為：并收集新的買家，記為{c₁,c₂,…,c_n}，在網(wǎng)絡(luò)中廣播頻譜拍賣信息，包括家庭基站擁有的空閑頻帶{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每個家庭基站對自己的頻帶的保底價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，每個買家對每個頻帶的估價為B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；

S40：中央處理單元處理買家與賣家信息后進(jìn)行頻譜拍賣，首先對頻帶f₁進(jìn)行拍賣，將出價高于相應(yīng)家庭基站的保底價的買家列為贏家序列W，然后中央處理單元根據(jù)每個買家使用該頻帶產(chǎn)生的效益u_ij來選擇最終的贏家，將頻帶分給能產(chǎn)生最大效用的買家，然后將相應(yīng)的買家和賣家分別從買家集和賣家集中去除。

本方法中，同一頻帶在不同用戶的使用下產(chǎn)生的社會效益是不同的，所以提出的估值保底價進(jìn)行擇優(yōu)拍賣，可以將頻帶賣給那些能產(chǎn)生最大社會效用的買家，因此在一輪拍賣過程中會產(chǎn)生多個贏家，再從贏家集中選擇最優(yōu)者贏得頻譜使用；另外由于無干擾用戶之間在網(wǎng)絡(luò)中幾乎沒有競爭關(guān)系，可以共用一個頻帶，產(chǎn)生的社會效益大；這簡化拍賣，提高拍賣效率，從而大大提高頻譜利用效率。

進(jìn)一步的，上述方案中，若買家的出價均小于授權(quán)用戶的保底價，中央處理單元重新收集買家和賣家的消息依次拍賣空閑頻譜，重復(fù)步驟S40直到頻譜分配完畢或買家集合變?yōu)榭占?/p>

進(jìn)一步的，在上述方案中，為頻譜分配問題建立一個優(yōu)化問題：

式中，x_ij是拍賣結(jié)束后的分配值，值為1時表示頻譜分配成功；n為參加拍賣的買家數(shù)，k為授權(quán)用戶含有的頻帶數(shù)；在這個目標(biāo)和約束條件下進(jìn)行拍賣，當(dāng)達(dá)到拍賣的納什均衡時所得到的分配矩陣X就是最優(yōu)分配結(jié)果，空閑頻帶的效益可達(dá)最大；第二個限制條件是一個頻帶只能分給兩個買家中的一個；第三個條件是同一用戶只能得到一個頻帶。

進(jìn)一步的，在上述方案中，效益值由式(2)計算得到：

式中c_i是新買家所含的原始買家數(shù)目，B是頻帶帶寬，P_b是宏基站的發(fā)射功率，h_bi是宏基站到相應(yīng)家庭基站的信道增益。

進(jìn)一步的，在上述方案中，在步驟S40中，若買家是原始買家的集合，則所產(chǎn)生的效益為整體的總和。

進(jìn)一步的，在上述方案中，在步驟S40中，如果有相同的最大效益值，則將頻帶分給出價高的用戶。從而可以增大授權(quán)用戶的收益。

進(jìn)一步的，在上述方案中，在步驟S40中，若兩買家的效益u_ij和出價都相同，則隨機(jī)分給一個用戶，此時記為x_ij＝1，表示將頻段j分配給買家i，新買家下的原始買家可用頻段j，用戶的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權(quán)值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產(chǎn)生的價值，授權(quán)用戶收益為：b_ij-a_ij；然后將買家i和賣家j在買家和賣家集中去除。

本發(fā)明出發(fā)點(diǎn)是結(jié)合包含家庭網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和頻譜拍賣的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)較密集分布的家庭基站的社會關(guān)系，將社會關(guān)系程度高且干擾小的家庭基站覆蓋下的認(rèn)知用戶進(jìn)行組合，設(shè)計擇優(yōu)的頻譜拍賣方法，可以有效的提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率和最大化網(wǎng)絡(luò)效益，提高授權(quán)家庭基站的收益。

本發(fā)明可用于包含家庭基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中空閑頻帶分配，提高了頻帶的分配效率，增加授權(quán)用戶的收益，有利于宏蜂窩的流量卸載；在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提出一種新的頻譜拍賣形式，能夠最大化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效益，滿足用戶的通信要求，提高用戶的通信質(zhì)量；并且易操作，也易實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發(fā)明方案中的包含家庭基站的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型示意圖；

圖2為本發(fā)明方案中的包含家庭基站的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜拍賣模型圖；

圖3為本發(fā)明方案中的頻譜分配流程圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

下面參照圖1-3對本發(fā)明實(shí)施例的包含家庭基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜拍賣方法做進(jìn)一步的描述。

如圖1和圖2所示，在雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型下，將含有空閑頻帶的家庭基站和宏用戶視為賣家，在家庭基站覆蓋下的需要接入網(wǎng)絡(luò)的未授權(quán)用戶視為買家；擁有空閑頻帶的賣家通過出租自己的頻帶來的獲得收益，未授權(quán)用戶租用空閑頻帶來達(dá)到自身的通信需求，同時提高網(wǎng)絡(luò)的頻率利用率，假設(shè)有K個授權(quán)的家庭基站和宏用戶擁有相同帶寬大小的空閑授權(quán)頻帶，記為{f₁，f₂，…，f_k-1，f_k}，每個家庭基站對自己頻帶的估價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；中央處理單元構(gòu)建家庭基站社會關(guān)系，收集網(wǎng)絡(luò)中的買家信息，買家之間進(jìn)行信息交互，在網(wǎng)絡(luò)形成相互的社會關(guān)系，構(gòu)成一個社交網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)買家之間的喜好程度，不同的買家有不同的社會關(guān)系值，然后根據(jù)公式(1)計算各買家之間在同頻帶下的互干擾值，有干擾的記為1，反之記為0；

式中表示買家j在信道m(xù)上的發(fā)射功率；表示買家j到第k₁個賣家的信道系數(shù)；表示賣家k₂到買家i的發(fā)射功率；表示在信道m(xù)上的背景噪聲；

這些相互干擾值可以形成買家的干擾矩陣I，當(dāng)買家的干擾值小于一個干擾閾值γ且社會關(guān)系值高于θ時，將它們組合在一起則形成新的買家，可將買家記為{c₁,c₂,…,c_n}，買家更新完成后，中央處理單元就可以準(zhǔn)備拍賣階段。同一頻帶在不同用戶的使用下產(chǎn)生的社會效益是不同的，所以提出的擇優(yōu)拍賣機(jī)制中，可以將頻帶賣給那些能產(chǎn)生最大社會效用的買家，因此在一輪拍賣過程中會產(chǎn)生多個贏家，再從贏家集中選擇最優(yōu)者。

如圖2所示，中央處理單元收集空閑頻帶并定義一個頻譜分配矩陣X，記為：還收集新的買家并記為{c₁,c₂,…,c_n}，在網(wǎng)絡(luò)中廣播拍賣信息，包括家庭基站擁有的頻帶{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}數(shù)量、頻帶大小、地理位置，每個家庭基站；買家根據(jù)這些信息進(jìn)行估計，向中央處理單元提交各頻帶的競價信息，即提交每個買家對每個頻帶的估價為B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；通過拍賣頻段來獲得通信的需求，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。逐個對頻帶進(jìn)行拍賣處理，本著最大化網(wǎng)絡(luò)效益的目的，對參加拍賣的買家只要出價高于相應(yīng)家庭基站對自己的頻帶的保底價{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，就可以將其列為贏家序列W，然后中央處理單元根據(jù)每個買家使用該頻帶產(chǎn)生的效益來選擇最終的贏家，若買家是原始買家的集合，則所產(chǎn)生的效益為整體的總和，效益值的計算如式(2)：

式(2)中c_i是新買家所含的原始買家數(shù)目，B是頻帶帶寬,P_b是宏基站的發(fā)射功率，h_bi是宏基站到相應(yīng)家庭基站的信道增益；建立一個優(yōu)化問題

式中，x_ij是拍賣結(jié)束后的分配值，值為1時表示頻譜分配成功；n為參加拍賣的買家數(shù)，k為授權(quán)用戶含有的頻帶數(shù)；最優(yōu)化這個目標(biāo)函數(shù)，在第一個約束條件下進(jìn)行頻譜拍賣，第二個約束條件是一個頻帶只能分給兩個買家中的一個；第三個約束條件是同一用戶只能得到一個頻帶。

如圖3所示，在拍賣開始時，買家向中央處理單元提交競價信息，中央處理單元根據(jù)賣家的保底價{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}和買家的競價B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}，只要競價高于賣家的要價，就可以先列入贏家序列，贏家序列中每個新買家有一個使用該頻段的社會效益值，然后根據(jù)公式(2)將頻帶分給能產(chǎn)生最大效用的買家，如果有相同的最大效益值，則將頻帶分給出價高的用戶，增大授權(quán)用戶的收益；若兩買家的最大效益u_ij和出價都相同，則隨機(jī)分給一個用戶，此時記為x_ij＝1，表示將頻段j分配給買家i，新買家下的原始買家可用頻段j，用戶的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權(quán)值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產(chǎn)生的價值，授權(quán)用戶收益為：b_ij-a_ij，將相應(yīng)的買家和賣家在買家集和賣家集中去除；若買家的出價均小于授權(quán)用戶的保底價，可能是買家之間的串通出價，則本次拍賣失敗；未授權(quán)用戶則無法獲得接入網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會。下一步，由中央處理單元將拍賣失敗的買家和剩余的頻帶重新整合，開始下一輪拍賣，重復(fù)拍賣步驟，直到頻譜分配完畢或買家集合變?yōu)榭占?，則頻譜拍賣階段結(jié)束；每個用戶組的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權(quán)值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產(chǎn)生的價值。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的創(chuàng)造性精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。