基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方法技术

基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方法提出一个新的分等级的价格机制，该机制定义异构网络中的不同等级用户的动态的价格，分等级的结构确保了不同用户业务的优先级需求，在确保主系统用户利益的同时兼顾认知系统用户的需求。不但能够充分利用有限的频谱资源，而且能够确保认知用户与主用户以及认知用户之间公平合理的竞争，避免资源利用出现过饥或过饱的状况；分等级的价格机制是认知用户单方自愿选择模式，适用于ｕｎｄｅｒｌａｙ共享方式，即主用户系统可以容纳在其干扰承受能力之内的尽可能多的认知用户，根据认知用户的业务等级在同一等级的用户间通过博弈制定价格，认知用户根据其自身付出的代价选择是否接受主系统的价格。该发明专利技术建立在对用户业务、移动性等的合理建模基础上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要解决无线认知通信网络中的无线资源管理(RRM)问题，探讨其中的频 谱资源管理策略。在认知网络与主系统网络异构共存的环境下，通过建立合理的定价机制， 以基于博弈的价格机制作为资源管理的核心，是解决无线网络中频谱资源紧张的有效途 径，通过设计基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方案，不但能够充分利用有限的频 谱资源，而且能够确保认知用户与主用户以及认知用户之间公平合理的竞争，避免资源利 用出现过饥或过饱的状况。
技术介绍
面临网络服务多样化、资源日益紧张化、多种网络接入技术共存化的问题，无线通 信对未来网络研究提出了更高的要求，下一代无线通信将会通过动态频谱接入技术和异构 的网络结构使网络用户能够更有效地无缝使用无线网络资源。换言之，未来无线通信系统可以看作是不同无线接入技术(RAT)支持的无线接入 网络(RAN)相互融合的异构无线网络环境，同时也包括为解决频谱资源有限而采用的认知 技术与普通网络之间的异构环境。在这种环境中，不同技术有其各自的优点和局限性，例 如，无线广域网(WWAN)支持宽带覆盖，但是传输数据率低。无线局域网(WLAN)的数据传输 率高但是覆盖范围仅仅局限于“热点”区域。对一个既要求高速数据传输率又高速移动的 用户而言，仅仅依靠WffAN或WLAN单个网络服务是达不到用户服务质量(QoS)要求的。要 保证该用户的QoS要求，就应该在WffAN和WLAN共存的环境下，实现两种网络优点的融合， 缺点的相互补充，使得WLAN提供的高数据传输速率的服务在更广的范围内延续。对于认知 网络而言，需要与主系统网络达到互利、公平、有效的资源共享和共存。因此异构无线网络 融合应运而生。异构无线网络无疑将各种网络技术取长补短，相互补充，通过对整个网络 的无线资源管理和RAT技术切换，使得网络基站能够很好地在时间上和空间上为不同需求 的用户提够足够QoS保证的低成本服务，同时最大限度地提高其自身的网络容量和经营效 益。实现异构无线网络的关键技术之一是网络的无线资源管理(RRM)技术，即如何实现不 同RAT之间的无缝合作和互补。无线资源管理具体而言，就是对异构网络中频谱资源的管 理，主要包括主系统资源之间的管理和分配，主系统和认知系统资源之间的管理和分配，以 及认知系统资源之间的管理和分配等等。在RRM算法研究中，价格是资源管理的核心。基站之间现有的价格机制有竞争和 合作两种模式，以微观经济学模型为基础，竞争模式包括simulation-play，Stackelberg 和Bertrand模型。合作模式以N-person同盟模型为主。不同模型采用不同的效用函数和 QoS限制条件，决定了不同的竞争结构和竞争对象，并运用博弈理论进行分析得到均衡解。 两种模式各有利弊。竞争模式可以最大化基站个体的局部效益，但是网络的整体性能往往 不是最优的，而合作模式可以最大化网络的全局效益，但是往往以牺牲局部基站的利益为 代价。此外，现有的价格竞争机制并没有将用户的成本和不同需求等因素考虑在内，没有与 RAT切换、资源调度、配置以及功率控制等其它无线资源的管理方面建立联系，而实际上，基站提出的价格对以上各方面都是具有根本性影响的，这种影响决定了异构无线网络中用户 对RAT的选择、用户的成本以及QoS保证等。综上所述，现有异构网络中无线资源管理存在的问题主要有(1)全局效益和整 体系统性能不能兼顾，全局效益和局部效益不能兼顾；(2)现有的价格竞争机制并没有将 用户的业务模型、移动模型和网络行为等因素考虑在内，没有在资源价格与RAT切换、资源 调度和配置以及功率控制等无线资源管理的其它方面建立联系。为了解决上述问题，需要探讨RRM的新策略，实现真正的异构网络融合和无缝连 接服务。
技术实现思路
技术问题通过对异构网络中的无线资源价格机制、动态频谱接入方式以及干扰 抑制技术的研究，使异构网络获得全局效益最大化，全局性能最优化，局部效益最佳化，用 户QoS可靠化的性能。提出，主系统基站根 据自身用户和有资源要求的认知用户的频谱需求情况，首先在主用户和认知用户之间进行 频谱定价，再根据资源公平竞争的原则，将次用户按其QoS需求不同分为优先级不同的等 级，在不同等级用户间根据博弈理论进行频谱定价，达到系统资源公平、有效、互惠互利利 用的目的。技术方案本专利技术基于以上考虑，首先将主系统用户和认知用户的频谱资源进行 分级和量化，再在认知用户之间根据用户业务QoS特性将用户按优先级分类，在同一个优 先级内用户按博弈原则制定相应的价格。不同优先级用户有不同的价格。首先，这里定义的术语定义如下WffAN无线广域网RAT无线接入技术QoS服务质量i任意基站Cl基站i的剩余带宽容量C2系统用户的带宽容量CO基站i总的带宽容量Csl认知用户1的带宽需求Cs2认知用户2的带宽需求j第j类业务用户TJ第j类业务用户的时间延迟参数kj第j类业务的用户数目rJ第j类业务用户的速率参数Pj第j类业务用户的丢包率参数^aj第j类业务用户的认知用户到达率第j类业务用户的认知用户离开率Xj单位时间(或单位面积)内第j类业务用户的平均数目P (Χ = k,)第j类业务认知用户数目的分布函数本专利技术拟研究的异构无线网络环境如图1所示，圆形区域属于WffAN系统，六边形 区域属于蜂窝系统，在整个区域内，实现WWAN和蜂窝系统提供业务的异构融合。每个蜂窝 系统有各自的基站和系统用户。认知系统用户分布在WWAN系统覆盖范围以及WffAN与蜂窝 系统重叠覆盖范围内。在异构无线网络中影响认知系统用户价格的两个主要因素是用户的 需求和基站的竞争或合作。对图1中所示的环境，现有文献中的成果主要涉及两方面内容， 一是从基站角度，基站之间进行效益竞争，用户根据基站的出价决定RAT和业务模型，提出 其带宽要求。另一方面从用户的QoS角度，以保证通信质量，较少因不必要的切换带来的时 间延时和中断为出发点，根据已定的业务模型选择RAT。本专利技术的目标是在确保系统用户权 益和认知系统用户需求的条件下，通过不同的价格体系确定系统用户和认知系统用户对所 需资源所付出的代价，并通过价格调整最优化系统的频谱资源利用率。具体为步骤一基站对其所拥有的频谱资源进行量化，定义主用户带宽容量和剩余带宽 容量概念，对任意基站i而言，在初始状态，根据当前主用户的业务、移动模型对主用户的 带宽需求进行估值，得到主用户带宽容量C2 ；基站i的剩余带宽容量Cl等于所属系统i的带宽总容量CO减去所拥有主用户当 前时刻所需要的主用户带宽容量C2 ；步骤二 基站根据估计到的主用户带宽容量C2和业务类型，制定主用户的价格体 系，确定对主用户频带的收费标准；根据当前申请资源的认知用户的数量、业务、移动模型 以及接入方式，以及剩余带宽容量Cl，通过博弈方式确定对认知用户的收费标准；步骤三认知用户通过对用户满意度函数或者代价函数对所申请系统的出价进行 评估，如果出价过高，超出认知系统的满意程度，该认知用户可以放弃对当前小区基站系统 的申请而转向对同一覆盖区域其它系统的资源申请；最后，系统对系统用户和认知用户的定价随着系统内用户数量和业务的变化而变 化，并且为不影响更新带来的时延和性能损失，为此，基站根据用户的移动特性对更新作出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方法，其特征在于该方法具体为：步骤一：基站对其所拥有的频谱资源进行量化，定义主用户带宽容量和剩余带宽容量概念，对任意基站ｉ而言，在初始状态，根据当前主用户的业务、移动模型对主用户的带宽需求进行估值，得到主用户带宽容量Ｃ２；基站ｉ的剩余带宽容量Ｃ１等于所属系统ｉ的带宽总容量Ｃ０减去所拥有主用户当前时刻所需要的主用户带宽容量Ｃ２；步骤二：基站根据估计到的主用户带宽容量Ｃ２和业务类型，制定主用户的价格体系，确定对主用户频带的收费标准；根据当前申请资源的认知用户的数量、业务、移动模型以及接入方式，以及剩余带宽容量Ｃ１，通过博弈方式确定对认知用户的收费标准；步骤三：认知用户通过对用户满意度函数或者代价函数对所申请系统的出价进行评估，如果出价过高，超出认知系统的满意程度，该认知用户可以放弃对当前小区基站系统的申请而转向对同一覆盖区域其它系统的资源申请；最后，系统对系统用户和认知用户的定价随着系统内用户数量和业务的变化而变化，并且为不影响更新带来的时延和性能损失，为此，基站根据用户的移动特性对更新作出预测。

【技术特征摘要】
一种基于博弈论的分等级定价的频谱资源管理方法，其特征在于该方法具体为步骤一基站对其所拥有的频谱资源进行量化，定义主用户带宽容量和剩余带宽容量概念，对任意基站i而言，在初始状态，根据当前主用户的业务、移动模型对主用户的带宽需求进行估值，得到主用户带宽容量C2；基站i的剩余带宽容量C1等于所属系统i的带宽总容量C0减去所拥有主用户当前时刻所需要的主用户带宽容量C2；步骤二基站根据估计到的主用户带宽容量C2和业务类型，制定主用户的价格体系，确定对主用户频带的收费标准；根据当前申请资源的认知用户的数量、业务、移动模型以及接入方式，以及剩余带宽容量C1，通过博弈方式确定对认知用户的收费标准；步骤三认知用户通过对用户满意度函数或者代价函数对所申请系统的出价进行评估，如果出价过高，超...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙君，张少欣，蔡艳，朱洪波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]