一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法，根据频谱买家的最低频谱需求和预算成本以及干扰关系，计算为满足所有买家需求下限须保留的频谱数和可自由支配的频谱数量，在此基础上运行改进的递延接受模式的匹配算法，达到稳定的频谱分配结果，保证了频谱分配结果满足次级用户的最低频谱需求和成本预算，提高了初级用户和次级用户的频谱交易成功率和满意度。

A spectrum allocation method based on stable matching algorithm to guarantee lower limit of demand

The present invention relates to a stable matching algorithm of spectrum allocation method based on minimum guarantee requirements, according to the minimum spectrum demand spectrum of buyers and the budget cost calculation and interference relations, to meet all the buyers demand to keep the lower limit of spectrum number and free spectrum number, the deferred acceptance model matching algorithm based on the modified operation the spectrum allocation results reached stable, the spectrum allocation results meet the minimum spectrum demand of secondary users and the cost budget, improve the primary users and secondary users of spectrum trading success rate and satisfaction.

【技术实现步骤摘要】
一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法
本专利技术属于计算机网络
，尤其涉及基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配模型。
技术介绍
在当今的互联网时代，无线通信网络的频谱是一种不可或缺的重要资源。然而，由于无线通信流量的日益增长，频谱也成为了一种紧张的资源。为了尽可能更好地利用现有的频谱、避免由于传统的静态频谱分配方法而造成的频谱浪费。动态的频谱分配方法由此诞生，它能够使无线通信服务提供商根据自己的需求买卖过剩的频谱信道。频谱的交易活动其本质上是频谱买卖双方的一种匹配。相对于最优的频谱匹配结果，稳定的频谱匹配结果是针对自由频谱交易市场的合理的匹配结果。理由如下：(1)交易市场中的买卖双方都是自私性的，只考虑最大化自身的利益，这与整个交易系统的最优化的目标并不一定严格一致。最优的匹配算法只有在存在“控制者”的集中式系统中可以强制执行，而稳定的匹配算法则考虑了买家和卖家的个人偏好，使得任何买家或卖家都能单方面得到更好的匹配结果，保证了匹配算法在分布式的自由频谱交易市场的实行。(2)从计算复杂度上来说，最优的匹配方案往往是NP困难的，而稳定的频谱匹配方法可以在多项式时间内被解决。稳定的匹配算法源于Gale和Shapley等人的研究。他们最早提出了递延接受DeferredAcceptance(DA)算法，解决了具有需求上限的匹配问题。递延接受算法在计算机科学领域被广泛应用于资源的分配问题，如云端的虚拟机管理、家庭基站中的用户接入、端到端的频谱共享等问题。区别于传统的匹配问题，频谱分配具有复用性的重要特质。复用性是指在无线通信过程中，由于信号的衰减，距离足够远的两个用户的信号不会相互干扰，因此这两个用户可以使用相同的频谱。同理，在频谱交易市场中可以允许频谱卖家将它的频谱出售给距离足够远、信号不会相互干扰的买家。频谱复用提高了频谱的使用效率，但是给稳定的频谱匹配算法设计带来了挑战。Y.Chen等人曾提出过adaptedtwo-stagedeferredacceptance算法，该算法利用了频谱可复用性，并且能给出稳定的匹配结果。然而，这种算法仅仅考虑到了每个买家的频谱需求上限。事实上，为了实现无线通信的正常运营，频谱买家也有其频谱需求下限。传统的递延接受算法并不能满足需求下限，D.Fragiadakis提出了一种拓展递延接受算法，用于解决同时存在需求上限和需求下限的匹配问题。然而，由于频谱具有复用性的特质，这中算法并不能直接被用于解决频谱的匹配问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配模型。本专利技术的技术方案为基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配模型，包含以下步骤：一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法，其特征在于，定义P个频谱买家，Q个频谱卖家，频谱买家为次级用户，频谱卖家为初级用户，该方法包含以下步骤：步骤1，建立Q个干扰图，每个干扰图对应一个频谱卖家的频谱，即针对频谱卖家s，建立干扰图Gs＝(N,Es)，其中节点集合N为P个频谱买家的集合，边集合Es的建立方式如下。对于每一对频谱买家j,j’，如果j，j’在频谱s上干扰，则添加边到边集合Es中。步骤2，根据频谱买家对频谱卖家的频谱的出价，建立买家对卖家的偏好关系和卖家对买家集合的偏好关系，具体方法是：买方对卖方的偏好关系的生成方法为，如果买家i对卖家j和卖家j’的出价关系为那么偏好关系为j＞＞ij′。卖家对买家集合的偏好关系由买家的出价和干扰图决定决定。假设对于卖家i有买家集合A和B，如果买家集合A中的买家都相互不干扰，即卖家集合B中存在相互干扰的买家，即那么偏好关系为A＞＞iB；如果买家集合A中的买家和集合B中的买家都相互不干扰，而A中买家的总出价高于B中买家的总出价，即那么偏好关系为A＞＞iB，反之亦然；步骤3，计算可自由支配频谱数θ，具体步骤如下：步骤3.1、对于每一个需求下限为pc的买家s，创建pc个虚拟节点。步骤3.2、每个新建的虚拟节点均继承原节点的所有的干扰关系，即继承原节点在所有原始干扰图中的边。步骤3.3、在同一原节点的每两个虚拟节点之间创建冲突边。步骤3.4、对根据步骤步骤3.1至步骤3.3得到的干扰图，使用WelchPowell法，计算出能覆盖整G的最小颜色数coloring，θ＝M-coloring，其中M为所有卖家的个数。步骤4，根据每一个买家c的需求下限pc和需求上限qc(由买家预算决定)，生成两个新的虚拟买家：常规型ca和拓展型cb。ca的需求下限为0，需求上限为pc；cb的需求下限为0，需求上限为qc-pc。ca和cb均继承c对所有卖家的出价和偏好关系。对所有卖家的频谱，以所有新的虚拟买家为结点建立新的干扰图Gs，具体步骤如下：步骤4.1、ca和cb继承所有c的冲突关系，即继承c在原始干扰图中的边。步骤4.2、在ca和cb之间建立一条边。步骤5，频谱匹配，具体步骤如下；步骤5.1、将所有卖家s的候选匹配对象列表AS置为全体买家N。将所有买家c的候选匹配对象列表Wc置为空集。将所有买家的最终匹配列表μ(c)和所有卖家的最终匹配列表μ(s)置为空集。步骤5.2、如果存在卖家的候选匹配对象列表AS不为空集，跳转至步骤5.3；否则，整个算法结束。步骤5.3、对所有的候选匹配对象列表AS不为空集的卖家s，使用贪心算法在其干扰图Gs上求出极大独立集步骤5.4、如果根据步骤5.23求出的所有卖家s的都为空集，则结束步骤5；否则，跳转至步骤5.5。步骤5.5、对于所有卖家s的极大独立集中的买家c，将s加入c的候选匹配对象列表Wc中；将c从s的候选匹配对象列表AS中删除，并且在s的冲突图Gs中将代表c的节点以及与其相连的边删除。步骤5.6、对于所有的候选匹配对象列表Wc不为空的买家c，进行如下处理：步骤5.61、如果c属于常规型买家，在Wc和μ(c)的并集中选取c最偏好的不超过c的需求上限个数的频谱作为新的μ(c)，并将c加入这些频谱的匹配列表μ(s)中，跳转至步骤5.7；否则，如果c属于拓展型买家时，令临时计数变量count＝0，跳转至步骤5.62。步骤5.62、当count小于可自由支配频谱数θ，并且存在拓展型买家c满足μ(c)的模小于c的需求上限并且c的候选匹配对象列表Wc不为空集时，依次考虑买家c的匹配频谱，否则，跳转至步骤5.7。考虑买家ci，如果μ(ci)的模小于ci的需求上限且ci的候选匹配对象列表不为空集，从和μ(ci)的并集中取ci最偏好的一个频谱s加入到μ(ci)中，并且将ci加入频谱s的匹配列表μ(s)中，将s从中删除，并将干扰图Gs中代表ci的节点及其所连接的边删除，将计数变量count加1；否则，如果μ(ci)的模等于ci的需求上限或者ci的候选匹配对象列表不为空集时，i＝i+1，重复步骤5.62。步骤5.7、清空Wc。步骤5.8跳转至步骤5.2。在上述的一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法，在步骤3中，WelchPowell算法包括：步骤2.1、将干扰图G中的节点按度数递减的次序进行排列(相同度数的结点的排列随意)。步骤2.2、用第一种颜色对第一个节点着色，并按排列次序对与前面节点不相邻的每一点着同样的颜色。步骤2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法，其特征在于，定义P个频谱买家，Q个频谱卖家，频谱买家为次级用户，频谱卖家为初级用户，该方法包含以下步骤：步骤1，建立Q个干扰图，每个干扰图对应一个频谱卖家的频谱，即针对频谱卖家s，建立干扰图G

【技术特征摘要】
1.一种基于稳定匹配算法的保证需求下限的频谱分配方法，其特征在于，定义P个频谱买家，Q个频谱卖家，频谱买家为次级用户，频谱卖家为初级用户，该方法包含以下步骤：步骤1，建立Q个干扰图，每个干扰图对应一个频谱卖家的频谱，即针对频谱卖家s，建立干扰图Gs＝(N，Es)，其中节点集合N为P个频谱买家的集合，边集合Es的建立方式如下；对于每一对频谱买家j,j’，如果j，j’在频谱s上干扰，则添加边到边集合Es中；步骤2，根据频谱买家对频谱卖家的频谱的出价，建立买家对卖家的偏好关系和卖家对买家集合的偏好关系，具体方法是：买方对卖方的偏好关系的生成方法为，如果买家i对卖家j和卖家j’的出价关系为那么偏好关系为j＞＞ij′；卖家对买家集合的偏好关系由买家的出价和干扰图决定决定；假设对于卖家i有买家集合A和B，如果买家集合A中的买家都相互不干扰，即卖家集合B中存在相互干扰的买家，即那么偏好关系为A＞＞iB；如果买家集合A中的买家和集合B中的买家都相互不干扰，而A中买家的总出价高于B中买家的总出价，即那么偏好关系为A＞＞iB，反之亦然；步骤3，计算可自由支配频谱数θ，具体步骤如下：步骤3.1、对于每一个需求下限为pc的买家s，创建pc个虚拟节点；步骤3.2、每个新建的虚拟节点均继承原节点的所有的干扰关系，即继承原节点在所有原始干扰图中的边；步骤3.3、在同一原节点的每两个虚拟节点之间创建冲突边；步骤3.4、对根据步骤步骤3.1至步骤3.3得到的干扰图，使用WelchPowell法，计算出能覆盖整G的最小颜色数coloring，θ＝M-coloring，其中M为所有卖家的个数；步骤4，根据每一个买家c的需求下限pc和需求上限qc(由买家预算决定)，生成两个新的虚拟买家：常规型ca和拓展型cb；ca的需求下限为0，需求上限为pc；cb的需求下限为0，需求上限为qc-pc；ca和cb均继承c对所有卖家的出价和偏好关系；对所有卖家的频谱，以所有新的虚拟买家为结点建立新的干扰图Gs，具体步骤如下：步骤4.1、ca和cb继承所有c的冲突关系，即继承c在原始干扰图中的边；步骤4.2、在ca和cb之间建立一条边；步骤5，频谱匹配，具体步骤如下；步骤5.1、将所有卖家s的候选匹配对象列表AS置为全体买家N；将所有买家c的候选匹配对象列表Wc置为空集；将所有买家的最终匹配列表μ(c)和所有卖家的最终匹配列表μ(s)置为空集；步骤5.2、如果存在卖家的候选匹配对象列表AS不为空集，跳转至步骤5.3；否则，整个算法结束；步骤5.3、对所有的候选匹配对象列表AS不为空集的卖家s，使用贪心算法在其干扰图Gs上求出极大独立集步骤5.4、如果根据步骤5.23求出的所有卖家s的都为空集，则结束步骤5；否则，跳转至步骤5.5；步骤5.5、对于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳姣，熊宇轩，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42