基于供需平衡的认知无线电频谱共享方法

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。

主权项

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，B^req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$u_i=r_i{k}_i{\mathrm{Fw}}_i\frac{b_i}{\Sigma b_i}-({\alpha }_i\frac{b_i}{F}+(1-{\alpha }_i)\frac{p_b+p_a{b}_i}{p_c})-c(1-{\alpha }_i)\left(\Sigma b_i\right)b_i,$$\forall i=1,...,N,$其中r_i表示次用户i单位传输速率的收益，b_i是次用户i获得的频谱数量，k_i=log₂(1+Kγ_i)，K=1.5/(log_e2/B ER^tar)，γ_i是次用户i的接收信噪比，BER^tar是目标误比特率，w_i表示主用户对次用户i的信任度，且N代表次用户数，α_i表示次用户终端设备的剩余电量百分比，即剩余电池量与电池总量的比值；p_b是背景功耗；p_a是业务的功耗密度，p_c是终端的功耗预算值；次用户的收益由三部分组成：第一项是次用户i共享主用户空闲频谱完成次用户业务所获得的收益；第二项中α_i和1-α_i分别是频谱代价和功耗代价的权重因子，在电池电量逐渐消耗的过程中，随着次用户剩余电量的减少，频谱代价的权重因子α_i就会逐渐减少，功耗代价的权重因子1-α_i会逐渐增加，从而自适应减少对频谱需求；第三项是次用户i共享频谱所付出的代价；c是主用户提供单位频谱所获得的收益；b、确定频谱供给与需求函数：由供需平衡理论可知，当主用户效用u_p最大时应分配的频谱数量定义为供给函数，则供给函数为将所有的次用户看成一个整体，假设单位业务所需的频谱数量相等，m_i为用户i的业务数，则次用户总的业务数为次用户总的效用函数为次用户总效用最大时共享的频谱数量为需求函数，则需求函数为根据供需平衡关系n₁(B)=n₂(B)，即，求解可以得到均衡解c^*为$c^{*}=\frac{{\lambda }_2(B^{\mathrm{req}}-F)+\sqrt{{\left((F-B^{\mathrm{req}}){\lambda }_2\right)}^2+{2M}^2{\lambda }_2\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{m}_i}}{M^2};$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。