[发明专利]高效与公平的动态频谱分配方法有效

专利信息
申请号: 201110371988.9 申请日: 2011-11-21
公开(公告)号: CN102404747A 公开(公告)日: 2012-04-04
发明(设计)人: 马忠贵;周贤伟;曾广平 申请(专利权)人: 北京科技大学
主分类号: H04W16/10 分类号: H04W16/10
代理公司: 北京中博世达专利商标代理有限公司 11274 代理人: 申健
地址: 100083 北京市海*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 高效 公平 动态 频谱 分配 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种解决认知无线网络动态频谱分配的效率与公平性问题的高效与公平的动态频谱分配方法,属于认知无线通信网络的动态资源划分技术领域。

背景技术

动态频谱分配是分布式、多用户的多方动态博弈问题。各个认知用户在资源有限的情况下,对频谱的占用过程可以看作是一个博弈过程,这种博弈包括通信时间先后的竞争、通信频率的竞争等。每个认知用户在使用频谱时,都希望能够最大程度满足自己的通信需求,但是,对于整个系统来说,无序的竞争反而可能导致整体性能的下降。因此,为了提高多个认知用户的频谱分配效率,就必须让各个认知用户按照一定的规则或算法使用频谱。

目前皆采用博弈论的理论、模型和算法,研究多用户间的频谱分配,解决多个认知用户之间的频谱资源竞争问题。

交互式认知无线网络中的动态频谱管理需要考虑四方面的问题:(1)认知用户对主用户的干扰问题;(2)认知用户之间的竞争问题;(3)频谱时变特性的最优频谱分配问题;(4)认知无线电系统的效率和用户间的公平性问题。对于(1)、(2)两个问题,通常采用静态博弈论的模型和方法。第(3)个问题,特别是连续时变频谱的最优频谱分配问题,是随时间变化的动态博弈和合作的过程。第(4)个问题属于合作与协同,通过协调可实现合作,发挥各方的所长与优势,协同创造共赢的局面。

文献1(Z.Ji,and K.J.R.Liu.Multi-Stage Pricing Game for Collusion-Resistant Dynamic Spectrum Allocation.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2008,26(1):182-191.)将动态频谱分配建模为一个多阶段定价博弈,并提出一种抑制冲突的动态定价方法,使用最优保留价格消除冲突,并最大化用户的效用水平。同时,使用纳什讨价还价解分析该方案的边界条件,需要的边界约束更低。仿真结果表明,在不同的用户冲突情况下,均可获得较高的频谱利用率。文献2(Dusit Niyato,Ekram Hossain.Competitive Pricing for Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks:Dynamic Game,Inefficiency of Nash Equilibrium,and Collusion.IEEE Journal on Selected Areas In Communications,2008,26(1):192-202.)提出多个主系统间频谱价格博弈的Bertrand模型,但假设参与博弈的主系统完全对称,没有任何差异,这只是认知无线网络的特殊情况。

可见,目前认知无线网络技术中的大部分技术方案都基于静态博弈论和重复博弈展开,虽然以上这些方法在实现高效与公平的动态频谱分配方面取得了一些进步,但是不能真实地反映使用场景。事实上,动态频谱分配是一个随时间动态交互的过程,前一时刻的最优频谱分配方案,可能在下一刻不再保持其最优性。也就是说,在认知无线网络中,无线电环境随着时间和空间的变化有着不同的特性,并且工作频率和带宽等频带信息也具有不同的特性;同时,由于认知无线网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量、状况和位置都是随时变化的。因此,灵活有效的频谱分配方法显得至关重要。认知无线网络为了满足用户的QoS需求,必须在时变的可用频带中选出最佳频带。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于合作微分博弈的交互式认知无线网络高效与公平的动态频谱分配方法,以解决目前的动态频谱分配方法尚不能真实地反映时变射频环境的问题。

为解决上述技术问题,本发明提供的高效与公平的动态频谱分配方法包括以下步骤:基于合作微分博弈理论,将交互式认知无线网络划分为不同的联盟,建立交互式认知无线网络“联盟-竞争”型体系结构;设定交互式认知无线网络具有n个认知用户,以及每个认知用户i∈N的目标函数或支付函数为:i∈N={1,2,...,n},s∈[0,∞)(1);式(1)中,s表示时刻,N表示认知用户集合,状态变量x(s)表示交互式认知无线网络在时刻s可用频谱的百分比,控制变量ui(s)表示每个认知用户i∈N在时刻s的频谱接入率,正常数r表示交互式认知无线网络的贴现率,可用频谱的百分比x(s)满足如下的动态系统:对式(1)求解。

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