基于供需平衡的认知无线电频谱共享方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种认知无线电系统中基于供需平衡的频谱共享方法。该方法将供需平衡理论应用于认知无线电的频谱共享中，供给与需求模型被分别用于描述主用户和次用户。主用户提供的频谱数量及意愿为供给函数，次用户所需要的频谱数量为需求函数，次用户获得频谱所付出的代价即为主用户提供频谱所获得的收益，这个代价(或收益)需要双方通过协商来确定，这就是供需理论中的均衡解。次用户根据确定的共享频谱代价、次用户终端的剩余电池容量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，在使自己效益最大化的前提下进行博弈，最终确定共享的频谱数量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及认知无线电系统中动态共事频谱的方案，具体是基于供需平衡理论的非合作博弈的资源共享方法，属于通信

技术介绍
动态频谱接入网络(dynamic spectrum access networks,DSANs)，也就是认知无线电网络，将会通过异质无线结构和动态频谱接入技术为移动用户提供更大的带宽。而在认知无线电网络中，开放式频谱系统的主要挑战之一就是频谱共享，因而认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电的概念的提出发展至今，不少学者提出了许多关于认知无线电中频谱共事问题的分析模型，大多是借鉴于一些经典的数学理论以及微观经济学理论等，两种经典的模型分别为基于图论的频谱共享模型和基于定价拍卖的频谱共享模型，这两种模型充分利用了经典数学和微观经济学理论，为认知无线电中的频谱共享提出了解决的框架，基于这两类模型的具体算法也得到了广泛的研究。然而第一个模型的频谱共事完成时间与空闲信道数的多少以及网络的动态特性有关，不适应认知无线电中空闲频谱快速时变的要求，也不适应网络动态变化环境下的频谱共享研究， 第二个模型适合于主、次用户间为租用关系的认知无线电系统，应用范围具有局限性。而为了推动认知无线电频谱共享技术的不断发展，提出新的频谱共享模型成了普遍的迫切需要。于是诞生了基于博弈论的研究方法，基于博弈论的模型将反映实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个博弈模型，对分布式动态共享算法进行分析。该模型中博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时候的决策以及这种决策的均衡问题的理论，它使用严谨的数学模型解决现实问题中的利害冲究，在决策选择问题上能够起到关键指导作用。 认知无线电网络中，为了使不同用户工作并台理地共享相同的频谱，需要根据不同的场景选择不同共享规则和频谱共享策略，而且，为使得整个系统性能最优，频谱共享时不仅需要考虑其他用户策略对自身的影响，也要考虑自身策略对其他用户的干扰，所以，运用博弈论研究此问题正是解决认知无线电网络中频谱共享问题的有效途径。对认知无线电进行博弈论分析为我们描述了认知无线电技术与博弈论相结合的发展前景，在认知无线电若干关键技术中，涉及到决策选择问题的研究都可以借助博弈论思想，只要找到合适的效用函数，都能利用博弈论使得算法收敛到均衡状态，为这些问题的解决找到自适应最优算法。基于博弈论的认知无线电频谱共享使博弈论在此频谱共享问题上的应用成为了可能，就网络结构而言，基于博弈论的算法比较适台于分布式网络，网络中各节点以合作的方式互相传递策略选择信息，便于下一个算法周期中对自身策略的修改， 实现自适应的策略收敛。另外，基于博弈论的频谱共享算法应该是认知无线电中的频谱共享优化算法，这要求系统存在一个初始分配状态，博弈论算法根据不同的优化目标实现频谱的重新分配。针对分布式认知无线电网络结构，可提出基于博弈理论的频谱共享算法，使认知无线电用户在此频谱共享博弈中自适应的选择信道，最终达到纳什均衡点，完成频谱的分配。算法目标分析认知无线电中进行频谱共享的目标根据实际需要的不同而有所区别，例如以最大化系统吞吐量为目标、以最大化信道利用率为目标、以最小化系统信干比水平为目标等。基于博弈论的认知无线电频谱共享技术为认知无线电的动态频谱共享问题研究开辟了一条新的道路，在认知无线电的博弈论分析方案下，其它认知无线电关键问题诸如功率控制、接入控制等都会有新的技术和算法产生。博弈论与认知无线电相结合必能为认知无线电的发展奠定更深厚的理论基础，并为其进一步研究起到积极促进作用。认知无线电的博弈论分析方案，对如何利用博弈论分析认知无线电进行了详细的论证，使得博弈论理论与认知无线电研究系统的结合在一起，为后人继续利用博弈论研究认知无线电相关技术提供了依据。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于提供一种，运用供需平衡理论，基于博弈论，考虑主用户的频谱总带宽、次用户终端剩余电量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，来使次用户在自身利益最大化的基础上选择接入主用户的空闲频谱，提高频谱的利用率。技术方案本专利技术提供了一种，各次用户根据主用户制定的频谱代价从主用户那共享空闲频谱，实现各次用户收益最大。专利技术提出了频谱共享的供需平衡模型，增加考虑次用户终端剩余电量，同时还从分配频谱的主用户出发，考虑主用户的频谱总带宽以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度。该方法建立一种主次用户之间频谱共享的供需模型，次用户根据共享频谱需付出的代价、终端剩余电量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，在使自己效益最大化的前提下确定共享的频谱数量，具体的方法为 a、建立频谱博弈模型假设主用户每个业务所需的频谱相等，定义主用户收益本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种认知无线电系统中基于供需平衡的频谱共享方法，其特征在于该方法建立一种主次用户之间频谱共享的供需模型，次用户根据共享频谱需付出的代价、终端剩余电量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，在使自己效益最大化的前提下确定共享的频谱数量，具体的方法为：ａ、建立频谱博弈模型：假设主用户每个业务所需的频谱相等，定义主用户收益为其中ｃ是主用户提供单位频谱所获得的收益，即为次用户获得单位频谱所付出的代价，Ｂ是主用户分配给次用户的频谱数，λ１、λ２是常数，Ｍ是主用户自身的业务数，Ｂｒｅｑ是主用户完成每个业务必需的频谱数，主用户频谱总带宽为Ｆ；主用户的收益由三部分组成：ｃＢ是主用户分配频谱获得的收益；λ１Ｍ是主用户完成自身业务的收益；是主用户由于分配频谱给次用户而对自身业务质量的影响；次用户的效用函数为其中ｒｉ表示次用户ｉ单位传输速率的收益，ｂｉ是次用户ｉ获得的频谱数量，ｋｉ＝ｌｏｇ２（１＋Ｋγｉ），Ｋ＝１．５／（ｌｎ２／ＢＥＲｔａｒ），γｉ是次用户ｉ的接收信噪比，ＢＥＲｔａｒ是目标误比特率，ｗｉ表示主用户对次用户ｉ的信任度αｉ表示次用户终端设备的剩余电量百分比，即剩余电池量与电池总量的比值；ｐｂ是背景功耗；ｐａ是业务的功耗密度，Ｐｃ是终端的功耗预算值；次用户的收益由三部分组成：第一项是次用户ｉ共事主用户空闲频谱完成次用户业务所获得的收益；第二项中αｉ和１－αｉ分别是频谱代价和功耗代价的权重因子，在电池电量逐渐消耗的过程中，随着次用户剩余电量的减少，频谱代价的权重因子αｉ就会逐渐减少，功耗代价的权重因子１－αｉ会逐渐增加，从而自适应减少对频谱需求；第三项是次用户ｉ共享频谱所付出的代价：ｃ是主用户提供单位频谱所获得的收益；ｂ、确定频谱供给与需求函数：由供需平衡理论可知，当主用户效用ｕｐ最大时应分配的频谱数量定义为供给函数，则供给函数为将所有的次用户看成一个整体，假设单位业务所需的频谱数量相等，ｍｉ为用户ｉ的业务数，则次用户总的业务数为次用户总的效用函数为次用户总效用最大时共享的频谱数量为需求函数，则需求函数为根据供需平衡关系ｎ１（Ｂ）＝ｎ２（Ｂ），即求解可以得到均衡解ｃ＊为ｎ１（Ｂ）为频谱的供给函数，ｎ２（Ｂ）为频谱的需求函数，Ｂ是主用户分配给次用户的频谱数；ｃ、次用户确定共享的频谱数：次用户根据确定的共享频谱代价、次用户终端的剩余电池容量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，在使自己效益最大化的前提下进行博弈，最终确定共享的频谱数量。...

【技术特征摘要】
1. 一种认知无线电系统中基于供需平衡的频谱共享方法，其特征在于该方法建立一种主次用户之间频谱共享的供需模型，次用户根据共享频谱需付出的代价、终端剩余电量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度，在使自己效益最大化的前提下确定共享的频谱数量，具体的方法为a、建立频谱博弈模型假设主用户每个业务所需的频谱相等，定义主用户收益为Wii=c_5+、A/-A(Jr—^)·’，其中c是主用户提供单位频谱所获得的收益，即为次用户获得单位频谱所付出的代价，B是主用户分配给次用户的频谱数，λ”入2是常数，M是主用户自身的业务数，Bretl是主用户完成每个业务必需的频谱数，主用户频谱总带宽为F;主用户的收益由三部分组成cB是主用户分配频谱获得的收益；λ ^是主用户完成自身业务的收益；SrT- ^β-)1是M主用户由于分配频谱给次用户而对自身业务质量的影响；次用户的效用函数为 ^ =呔 ++ρΡΛ)~ c-d - <x, )(ΣΜ·,…1’…，N'其中 α 表示次用户i单位传输速率的收益，h是次用户i获得的频谱数量，Ici = Iog2 (1+K Y J，K = 1. 5/ (ln2/BERtar), ^是次用户i的接收信噪比，BERt是目标误比特率，Wi表示主用户对次用户i的信任度=1，α i表示次用户终端设...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琦，马良，朱洪波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：84