[发明专利]基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法

摘要

本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法，该方法针对主次用户共享频谱问题，基于简化的VCG拍卖模型，引入次用户间的合作关系，并运用货币补偿激励原则，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型。该博弈模型在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略进行博弈，不仅具有非合作博弈模型的可自动实施性的决策模式特点，还具有寡头联合模型的公平性的特点。此外，由于采用的通信系统模型为拍卖模型，所以主用户可采用“预留带宽”措施来保证自身性能不受次用户共享频谱的影响，更好的保证了主次用户间的频谱共享环境。

主权项

1.一种认知无线电系统中基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法，其特征在于该方法结合经济学中的拍卖模型和补偿激励机制，建立了一个包含有谈判和协商环节在内的扩展式非合作博弈模型，在非合作博弈的框架内讨论次用户间的合作关系，通过特定的协调策略进行博弈，此外，由于本方法采用的是拍卖模型，所以主用户可以采用预留措施来避免自己性能的下降，具体的方法为：a、明确研究对象是主用户和次用户共享的频谱数：参与者为主用户与次用户，行为为选择频谱，效用为各次用户收益，纳什均衡为效用最大时的频谱分配；b、频谱拍卖规则：将主次用户频谱共享问题看作是一个主用户拍卖频谱，次用户投标问题，每个次用户都知道自己所投标后获得的单位传输速率的回报率f_i，同时每个次用户也可计算得到自身的频谱利用率k＝log₂(1+Kγ)，其中γ为信噪比，K＝1.5/(ln₂/BER^tar)，BER^tar为目标误比特率；在拍卖开始之前，主用户将公开其保留标底δ以及对单位频谱的定价p，为了保证自身性能不受到频谱共享的影响而恶化，主用户将根据次用户所提供的竞投拍卖标和自己的保留标底拍给次用户相应的频谱其中I为次用户数目，B_tot为主用户总的的频谱，b_i为次用户i提供的竞购拍卖标，这个竞购拍卖标反应了次用户用于信息传输所需最大频谱数。次用户将支付主用户相应的报酬Q_i(b_i，p)＝ps_ib_i，其中s_i是各个次用户独立的优先级参数，这种支付差异类似于经济学中的价格歧视；此外，由于这种拍卖模型的特殊性，对次用户采取预付机制，即它所支付给主用户的报酬为它投标的总频谱数价格，而并非主用户拍卖给它的总频谱数价格；定义所有次用户的投标集合为b＝(b_i，...，b_j)，次用户i的竞争对手的投标集合定义为b_-i＝(b₁，...，b_i-1，b_i+1，...，b_j)，故而b＝(b_i；b_-i)；由于拍卖规则的限定，投标集合必须满足条件c、建立博弈模型：博弈分为两个阶段，第一是合作协调阶段，第二是市场竞争阶段；合作协调阶段的第1步，次用户间按照补偿激励原则建立起合作关系，次用户约定互相从对方的产出中获取补偿利润，用t_i表示第i个次用户向对方索取的利润补偿率，这里的t_i为博弈第一阶段双方合作协调的策略变量，次用户i的效用函数可表示为：Ri(bi;b-i,p)=fikiBi-Qi(bi,p)+tiΣj≠ibj+12Σj≠itj2-Σj≠itjbi-12ti2]]>其中第一项为次用户在主用户拍得的频谱上传输时得到的效益，第二项为次用户竞拍频谱所付出的代价，第三项为次用户i从其它次用户竞拍得到的频谱中获取的补偿利润，第四项为次用户i根据其它次用户所选择的补偿率获得的罚金，对应的，第五第六项表示次用户i向其它次用户支付的补偿利润和罚金；在市场竞争阶段的第2步，次用户独立的进行竞投，策略变量为b_i，i∈I；从上述的博弈模型看出，次用户间的合作关系是通过双方补偿策略的选择来体现的，有别于次用户间简单的串谋行为；d、计算价格取值范围：当R_i(b_i^*；b_-i^＊，p)≥R_i(b_i；b_-1^＊，p)，b^＊即为投标者的最优策略，定义次用户i的最佳反应函数为根据效用最大化条件，得到R_i是b_i和∑_j≠ib_j的下降函数，所以主用户对次用户收取的频谱单价存在两个极端价格，即对应于次用户频谱策略取到最小和最大时的两个价格值，可以推导得到两个极端价格如下：pi‾=Δminb∈bR∂Ri∂bisi=fikiBtot((I-1)Btot+δ)(IBtot+δ)2si-Σj≠itjsi,(bi=Btot)]]>p‾i=Δmaxb∈bR∂Ri∂bisi=fikiBtotδsi-Σj≠itjsi,(bi=0)]]>因此一个合理的价格必须是介于这两个极端价格之间，所以在价格设定程序中，主用户通过收集次用户的有效信息(f_i，k_i，s_i，I)来计算这两个极端价格；e、计算次用户共享的频谱数：定义B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}表示除次用户i外的其它次用户的策略集合，这样对于某个次用户来说，分配的频谱数与其它次用户的决策有关，B＝B_-i∪{b_i}表示所有用户的策略集合；在给定其他参与者的行为时，没有任何参与者会选择不同的行为来提高自身收益，此时的状态就是纳什均衡，最佳响应函数定义为集合在满足时为纳什均衡解的集合，表示次用户j的最佳策略，j≠i；为了得到效用的最大值，求解方程∂Ri∂bi=fikiBtot(Σj≠ibj+δ)(Σj∈Ibj+δ)2si-psi-Σj≠itjθi=0,]]>即bi=fikiBtot(Σj≠ibj+δ)psi+Σj≠itj-(Σj≠ibj+δ)]]>对于次用户i，给定了次用户j的策略，B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}，根据上式就可得到次用户i的最佳共享频谱，以同样的方法可以求出每个次用户的最佳共享频谱。