一種分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用的頻譜拍賣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用的頻譜拍賣方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展W及人們對(duì)于通信要求的不斷提高，新興無線通信技術(shù) 相繼涌現(xiàn)，無線通信技術(shù)的種類日益增多，無線頻譜缺資源日益緊缺，同時(shí)，現(xiàn)有頻帶使用 不合理，頻譜擁堵與空閑頻譜共存，再加上信息傳輸過程中必然存在相互干擾，通信質(zhì)量亟 待改善。因此，如何盡可能地提高現(xiàn)有頻譜資源的分配效率和使用效率，有效抑制用戶間的 相互干擾，是長(zhǎng)期W來的研究熱點(diǎn)。
[0003] 頻譜拍賣是將頻譜資源作為商品，把有頻譜需求的買家作為競(jìng)拍人實(shí)施的拍賣行 為，它能有效幫助解決頻譜資源分配效率和使用效率低下的問題，拍賣理論應(yīng)用于提高頻 譜資源利用率已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。在頻譜拍賣的發(fā)展過程中，不斷有學(xué)者提出新型拍賣機(jī) 審IJ，W改進(jìn)傳統(tǒng)拍賣機(jī)制的不足，拍賣設(shè)計(jì)中的個(gè)人理性、預(yù)算均衡、激勵(lì)兼容和拍賣真實(shí) 性等性能不斷得到改善，保障經(jīng)濟(jì)魯棒性、收益率、服務(wù)質(zhì)量的真實(shí)雙向頻譜拍賣不斷得到 發(fā)展，但是兼顧頻譜利用率和干擾抑制的技術(shù)還有待改進(jìn)，而且現(xiàn)有頻譜拍賣技術(shù)在進(jìn)一 步提高頻譜分配效率方面變得很困難，頻率復(fù)用帶來的干擾也無法得到有效的解決。
[0004] 分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用是一種有效的頻率復(fù)用技術(shù)，它將蜂窩小區(qū)劃分為小區(qū)中屯、和邊 緣兩部分，通過給運(yùn)兩部分分配不同的頻段實(shí)現(xiàn)小區(qū)中屯、和邊緣的干擾抑制，從而保障用 戶的通信質(zhì)量。多蜂窩小區(qū)通過劃分同頻小區(qū)并給同頻小區(qū)的用戶分配相同的頻段而實(shí)現(xiàn) 頻率的復(fù)用，同時(shí)有效抑制小區(qū)之間的干擾。頻率復(fù)用因子的數(shù)值決定了同頻小區(qū)劃分后 共用相同頻段的小區(qū)的個(gè)數(shù)。復(fù)用因子的選取已經(jīng)得到了非常廣泛的研究。已有的分?jǐn)?shù)階 頻率復(fù)用研究大多采用復(fù)用因子為3或7進(jìn)行分析。結(jié)合有效抑制干擾、提高頻率利用率的 分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用技術(shù)和拍賣技術(shù)將能極大地改善頻譜分配效率。但是目前分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用 技術(shù)尚未應(yīng)用頻譜拍賣，因此將兩者進(jìn)行結(jié)合具有很廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于結(jié)合分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用技術(shù)和頻譜拍賣技術(shù)各自的特點(diǎn)，克服已 經(jīng)提出的頻譜拍賣技術(shù)難W進(jìn)一步提高頻率利用率和有效抑制干擾的缺陷，提供一種分?jǐn)?shù) 階頻率復(fù)用的頻譜拍賣方法，該方法面向復(fù)用因子為3的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用場(chǎng)景建立頻譜拍 賣的系統(tǒng)模型，在系統(tǒng)模型下建立授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶之間的頻率復(fù)用關(guān)系，W實(shí)現(xiàn)頻 率復(fù)用，然后結(jié)合同頻小區(qū)的劃分，將具有拍賣意向的非授權(quán)用戶先進(jìn)行分組，從而可W提 高分配效率，而且能有效抑制小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾，最終在該場(chǎng)景下進(jìn)行頻譜拍賣，建立 最大化系統(tǒng)效用的目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)一種利用拍賣技術(shù)進(jìn)行頻譜資源優(yōu)化分配的方案。其采 用的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用方案可W實(shí)現(xiàn)較大程度的頻率復(fù)用，顯著提高頻率利用率，同時(shí)有效 抑制頻率復(fù)用帶來的干擾。通過劃分虛擬買家小組，將隨機(jī)分布的非授權(quán)用戶劃分為有限 個(gè)同頻小組，從而顯著提高頻譜分配效率。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] (1)首先建立頻譜拍賣的系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型包括賣家、拍賣中間人、買家和頻譜 池，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的頻譜授權(quán)用戶作為頻譜拍賣的賣家，有頻譜需求的非授權(quán)用戶視為頻 譜拍賣的買家;賣家將自己待出租的頻段信息提交給拍賣中間人，拍賣中間人將待拍賣的 頻譜資源匯總整理后放入頻譜池中供有頻譜需求的非授權(quán)用戶競(jìng)標(biāo)；
[0008] (2)根據(jù)系統(tǒng)模型對(duì)隨機(jī)分布在認(rèn)知無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的非授權(quán)用戶參與拍賣之前 的分組，由于運(yùn)些用戶分配頻譜資源時(shí)需要考慮相互之間的通信干擾，為了有效抑制小區(qū) 內(nèi)和小區(qū)間的干擾，根據(jù)分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用技術(shù)和同頻小區(qū)劃分的原則，先將多個(gè)相鄰的蜂 窩小區(qū)進(jìn)行同頻小區(qū)的劃分，同頻小區(qū)之間不存在相互干擾，因此可W共用同一頻段，故隨 機(jī)分布在多個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)的非授權(quán)用戶也依據(jù)他們所在的位置被劃分到不同的小區(qū)內(nèi)，形 成自然的同頻小組，同頻小組內(nèi)的非授權(quán)用戶將被作為一個(gè)整體參與頻譜拍賣;將運(yùn)些同 頻小組視為參與頻譜拍賣的虛擬買家小組;設(shè)分組完成后得到的虛擬買家小組共有n個(gè)；
[0009] (3)同頻小組劃分完成后，再綜合小組內(nèi)部所有非授權(quán)用戶對(duì)某個(gè)頻段的出價(jià)信 息，將內(nèi)部成員出價(jià)最小值作為虛擬買家小組參與相應(yīng)頻段拍賣的出價(jià)。設(shè)授權(quán)用戶共有m 個(gè)待出讓的頻段，記為{S1，S2,…，Sm}，授權(quán)用戶對(duì)運(yùn)m個(gè)虛擬頻段的保留價(jià)記為：{bl，b2,…， bm}，虛擬買家小組對(duì)所有頻段的出價(jià)情況用出價(jià)矩陣V表示，他們對(duì)所有頻段的出價(jià)情況 表示為：{V1，V2,…，Vmh拍賣中間人收集、整理賣家和虛擬買家小組的價(jià)格信息，將虛擬買 家小組提交的出價(jià)信息進(jìn)行排序，對(duì)照賣家保留價(jià)情況將頻段優(yōu)化分配，優(yōu)先分配對(duì)某個(gè) 頻段出價(jià)較高者，保障拍賣的真實(shí)性和有效性，同時(shí)兼顧賣家和虛擬買家小組的利益，W實(shí) 現(xiàn)整個(gè)拍賣系統(tǒng)的效用最大化。所有的虛擬買家小組通過競(jìng)價(jià)方式獲得某個(gè)頻帶的使用 權(quán)，因此他們之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，各個(gè)虛擬買家小組存在謊報(bào)估價(jià)等手段W獲取自身利益 最大化的傾向；當(dāng)各個(gè)虛擬買家小組無法再通過更改自己的出價(jià)來獲得更高的利潤(rùn)時(shí)，拍 賣達(dá)到納什均衡狀態(tài)，運(yùn)時(shí)的分配結(jié)果就是系統(tǒng)效用最大化的分配方案；
[0010] (4)將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效用最大化的優(yōu)化分配，建立系統(tǒng)效用最大化的目標(biāo)函數(shù)為
,其中，U(X)表示系統(tǒng)的效用函數(shù)，頻譜拍賣的最終目標(biāo)就 是實(shí)現(xiàn)虛擬買家效用的最大化，XU表示分配向量，用于描述虛擬買家小組競(jìng)拍頻譜成功與 否，只能取0或1 ,XU=I表示虛擬買家小組i贏得某個(gè)頻段j的拍賣，VU表示虛擬買家小組i 對(duì)頻段j的出價(jià)情況，即虛擬買家小組i想要贏得頻段j所愿意支付的最大價(jià)格;分組完成后 形成的各個(gè)虛擬買家小組相互之間都存在干擾，不能共用一個(gè)頻段，各虛擬買家小組應(yīng)滿 足干擾約束條件，將他們的干擾約束條件表示為：
，它表示某個(gè)頻 段j在一輪拍賣中至多分配給一個(gè)虛擬買家小組，其中au指示虛擬買家小組i對(duì)頻段j的出 價(jià)情況，只有在虛擬買家小組i對(duì)頻段j的出價(jià)大于保留價(jià)時(shí)才有au = l，否則為0;虛擬買家 小組和各個(gè)賣家在拍賣中間人的組織下根據(jù)系統(tǒng)效用最大化的目標(biāo)和干擾約束條件的限 制進(jìn)行頻譜拍賣；
[0011] (5)采用拉格朗日松弛算法對(duì)該優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到最終的分配矩陣X;最終 虛擬買家小組贏得某個(gè)頻段的使用權(quán)后，虛擬買家小組內(nèi)部的各個(gè)買家可W共同使用而無 需再考慮干擾問題，從而實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。分析目標(biāo)函數(shù)和約束條件可知，運(yùn)是一個(gè)0-1整數(shù) 規(guī)劃問題，目前尚沒有精確的求解算法，我們綜合考慮算法復(fù)雜度等因素，采用拉格朗日松 弛算法求解上述優(yōu)化問題。
[0012] 所述系統(tǒng)模型面向復(fù)用因子為3的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用場(chǎng)景建立。
[0013] 所述步驟(5)中采用拉格朗日松弛算法求解優(yōu)化問題的過程為：
[0014] 首先通過拉格朗日乘子A建立拉格朗日松弛問題，并用L(A)表示，并且有： 巧 m 巧 巧
[0015] 幻:義)=? S SV,,. + S 乂,. (1 - S ",巧,.），通過化簡(jiǎn)計(jì)算，得到： /-1 J-A r-1 m 巧 說
[0016] L(A)二S年;+藝.的--。,.人），最終得到的拉格朗曰松弛子問題為： M M 巧
[0017] Ly二-?馬）;拉格朗日松弛子問題的解可W通過下式給出：
M/C m S通過求解拉格朗日松弛子問題和拉格 朗日對(duì)偶問題，得到原問題的近似解，并進(jìn)行可行化處理，最終得到原問題的可行解;采用 對(duì)偶間隙描述拉格朗日對(duì)偶解與原問題的解之間的接近程度，并通過次梯度優(yōu)化不斷修正 拉格朗日乘子A，最終實(shí)現(xiàn)拉格朗日對(duì)偶解充分接近原問題的解，從而求得最優(yōu)分配X。
[0019] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用的頻譜拍賣方法可W很好地 實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用和干擾抑制，容易實(shí)現(xiàn)，便于擴(kuò)展，與已經(jīng)提出的頻譜拍賣方法相比，具有更 高的頻譜分配效率和干擾抑制效果，能有效改善小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量。
【附圖說明】
[0020] 圖1為分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用場(chǎng)景下進(jìn)行頻譜拍賣的系統(tǒng)模型圖；
[0021] 圖2為復(fù)用因子是3的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用場(chǎng)景下進(jìn)行頻譜拍賣的示意圖；
[0022] 圖3為拉格朗日松弛算法求解本發(fā)明提出的優(yōu)化分配問題的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0024] 本發(fā)明首先面向復(fù)用因子為3的分?jǐn)?shù)階頻率復(fù)用場(chǎng)景建立頻譜拍賣的系統(tǒng)模型， 系統(tǒng)模型如圖1所示。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的頻譜授權(quán)用戶將自己待出租的頻段信息提交給拍賣中 間人，拍賣中間人將待拍賣的頻譜資源匯總整理后放入頻譜池中供有頻譜需求的非授權(quán)用 戶競(jìng)標(biāo)。將授權(quán)用戶作為頻譜拍賣的賣家，將有頻譜需求的非授權(quán)用戶視為頻譜拍賣的買 家。賣家將空閑頻段出租，從而實(shí)現(xiàn)與買家共用頻段，提高頻譜利用率，同時(shí)，賣家將要忍受 因?yàn)轭l率復(fù)用帶來的干擾，因此每個(gè)賣家對(duì)自己的待出租頻帶j有一個(gè)愿意出讓的最低價(jià)， 即保留價(jià)，用bj表示，假設(shè)賣家共有m個(gè)待出讓的頻段。買家根據(jù)自己的通信需求，選擇自己 想要競(jìng)標(biāo)的頻段并給出自己的保留價(jià)，用VU表