一种基于服务质量保障的物联网频谱资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种物联网中基于服务质量保障的频谱资源分配方法。根据物联网容忍的误包率、误比特率和传输时延等性能要求来保障物联网用户的服务质量需求，并通过该用户的实时吞吐量最大化来评判该用户的网络性能，从而建立物联网用户的收益函数；考虑到用户通过调节带宽来保障服务质量和提高吞吐量，但使用带宽的增大也相应会提高用户的成本支出，从而设置成本函数；本发明专利技术的目标为保障物联网用户的误包率、误比特率和传输时延等服务质量需求下最大化其实时吞吐量，通过非合作博弈达到纳什均衡作为其带宽的优化值。当误包率、误比特率和传输时延在服务质量保障的情况下，达到纳什均衡后，必然存在用户带宽的优化值使用户的吞吐量性能对应的收益函数与成本函数之差，即效用函数，最大化；当信道某个参数变化超过阈值时，可通过最优带宽的分配表达式重新更新合适的带宽给物联网节点。带宽给物联网节点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于服务质量保障的物联网频谱资源分配方法


[0001]本专利技术属于物联网
，具体涉及用于保障物联网中服务质量性能要求的频谱资源分配方法。

技术介绍

[0002]由于快速不断增长的无线通信需求和有限的频率资源的可用性，通过允许未经授权的用户传输信号给主用户，可有效地提高频谱利用率。认知无线电技术可实现动态频谱共享，从而缓解频谱供需矛盾的重要途径。物联网中频谱分配的关键问题、算法设计目标以及主流频谱分配模型的设计思想和技术特点是当前频谱资源分配优化技术上的重点和难点。

技术实现思路

[0003]为实现在物联网中复用模式下基于服务质量保障的物联网频谱资源分配方法，本专利技术的技术方案包括以下内容：
[0004]设定根据物联网系统容忍的误包率、误比特率和传输时延等性能要求下来保障该用户的服务质量需求，并通过该用户的实时吞吐量来评判该用户的网络性能，则建立物联网用户i的收益函数，可表示为：
[0005][0006]其中，H
i
表示第i个用户的信道吞吐量，T
i
表示第i个用户的时延，B
i
为第i个用户所占带宽，G
i
为第i个用户的信道增益，ERB
i
和ERP
i
分别表示第i个用户的误比特率和误包率，β、γ、λ1、λ2和λ3等为权重系数，T
max
表示系统容忍的最大时延，B
max
为单个用户可达的最大传输带宽，H
max
为单个用户可达的最大吞吐量，ERB
max
为系统容忍的最大误比特率，ERP
max
为系统容忍的最大误包率。
[0007]由于吞吐量、误包率、误比特率、信道延迟和信道增益与很多非可控因素有关，而单个用户的带宽可通过设置优化值来满足性能要求，因此在本专利技术中通过调节用户带宽来保障服务质量和提高吞吐量，但使用带宽的增大会造成用户成本支出的提高。考虑到要保障系统容忍的误包率、误比特率和传输时延等服务质量，同时要尽可能提高来实时吞吐量，则物联网用户i需要为其需求付出相关成本，其成本函数F
cost
(i)可表示为：
[0008][0009]其中，m为成本系数，n＝B/(B
h
‑
B
l
)，s为映射系数，B
h
为阶梯式价格上限，B
l
为阶梯式价格下限，B
i
为第i个用户所占带宽。
[0010]因此，物联网频谱资源分配方法的目标为保障物联网用户的误包率、误比特率和
传输时延等服务质量需求下最大化其实时吞吐量，通过非合作博弈达到纳什均衡作为其带宽的优化值。当吞吐量、误包率、误比特率、信道延迟和信道增益给定的情况下必然存在B
i*
使用户i网络性能对应的效用函数F
profit
(i)最大，可表示为：
[0011][0012]对F
profit
(i)求一阶导数可得：
[0013][0014][0015]其中，取其分子部分可得
[0016][0017]对其展开后，令其为0，进行移项处理，两边再取对数，解得：
[0018][0019]由于对F
profit
(i)求二阶导数较为繁琐，故接下来给出其在定义域B
i
＞0上紧密上凸的充分条件，令凸的充分条件，令则F
profit
(i)可表示为：
[0020][0021]令0＜x1＜x＜x2，可得
[0022][0023]因为0＜x1＜x＜x2，由y＝e
x
的下凸性质可知
[0024][0025]又由于C>0,D>0，故恒成立，故仅需满足：
[0026][0027]可使得又由于指数函数的下凸性质，仅需满足C＜1,D＜1。即在0＜C＜1,0＜D＜1,B
i
＞0的条件下，可得：
[0028][0029]由于上式是紧密上凸的，因此，若F
profit
(i)存在极大值B
i*
，则B
i*
是F
profit
(i)唯一的极值(极大值)。
[0030]因此，当检测到某一信道参量变化比例超过设定的阈值δ时，可以用以下迭代来更新第t+1次的B
i
，如下所示：
[0031]附图说明
[0032]图1为物联网中各用户的频谱资源分配状况图
[0033]具体实施措施
[0034]设定在一个物联网中随机分布5个全连接的物联网用户，且相关参数设置为B
max
＝50Mbps,B
l
＝0,B
h
＝10Mbps,λ1＝λ2＝2.5,λ3＝4，s＝0.5，计算得n＝5，γ＝108，参量格式为假设此时各个用户的信道参量发生变化，具体如下
[0035]arg1＝[2.1Mbps,23ms,3.2
×
10
‑6,1.6
×
10
‑7],arg2＝[1.4Mbps,17ms,7.1
×
10
‑6,2.4
×
10
‑7],arg3＝[3.8Mbps,27ms,7.4
×
10
‑7,4.4
×
10
‑7],arg4＝[2.2Mbps,19ms,3.1
×
10
‑6,1.6
×
10
‑7],arg5＝[2.9Mbps,82ms,5.5
×
10
‑7,7.7
×
10
‑8][0036]将其带入迭代式进行计算得到本次频谱分配结果为
[0037][B1,B2,B3,B4,B5]＝[8.23Mbps,9.45Mbps,14.33Mbps,11.7Mbps,7.29Mbps][0038]实时监测各个信道参量后，当某个信道的参量变化超过阈值δ＝1％时，重新对频谱进行分配可获得理论上最高效益，经仿真实验，则连续五次频谱的分配状况如图1所示。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于服务质量保障的物联网频谱资源分配方法，其特征在于：(1)设定根据物联网容忍的误包率、误比特率和传输时延等性能要求来保障该用户的服务质量需求，并通过该用户的实时吞吐量最大化来评判该用户的网络性能，则建立物联网用户i的收益函数，可表示为：其中，H
i
为用户i的信道吞吐量，T
i
为用户i的时延，B
i
为用户i的带宽，G
i
为用户i的信道增益，ERB
i
和ERP
i
分别为用户i的误比特率和误包率，β、γ、λ1、λ2和λ3为权重系数，T
max
为系统容忍的最大时延，B
max
为单个用户可达的最大传输带宽，H
max
为单个用户可达的最大吞吐量，ERB
max
为系统容忍的最大误比特率，ERP
max
为系统容忍的最大误包率。(2)由于物联网中吞吐量、误包率、误比特率、信道延迟和信道增益与很多非可控因素有关，而单个用户的带宽可通过设置优化值从而来满足系统性能要求，因此在本发明中通过调节用户带宽来保障服务质量和提高吞吐量，但使用带宽的增大也相应会提高用户的成本支出。考虑到要保障系统容忍的误包率、误...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄隆胜，李建威，龚成坚，王军，朱赟，
申请(专利权)人：赣南师范大学，
类型：发明
国别省市：