一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法

申请号 CN201710148434.X 申请日 2017-03-14 公开(公告)号 CN106973390A 公开(公告)日 2017-07-21
申请人 桂林电子科技大学; 发明人 赵峰; 唐海波; 陈宏滨;
摘要 本 发明 提供一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的 频谱 拍卖方法,其中毫微微蜂窝采用混合接入方式,授权用户随时接入,在毫微微蜂窝 覆盖 下非授权用户通过拍卖购买授权频带接入;获得授权用户频带的次用户通过覆盖自身的毫微微基站接入蜂窝网络,从而实现频谱复用;在小区中没有干扰的用户才能共用频带,根据毫微微蜂窝覆盖下次用户的物理距离,通过次用户之间的同频干扰构建次用户之间的干扰矩阵;根据次用户在双层异构网络中的社交特性,提取次用户之间的社交互惠因子,然后进行频谱拍卖。本发明方法用于毫微微蜂窝异构网络中空闲频带分配,提高了频带的分配效率,增加授权用户的收益,有利于增大网络的系统容量,减轻宏基站的负担。
权利要求

1.一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法,其中毫微微蜂窝采用混合接入方式,授权用户随时接入,在毫微微蜂窝覆盖下非授权用户通过拍卖购买授权频带接入;获得授权用户频带的次用户通过覆盖自身的毫微微基站接入蜂窝网络,从而实现频谱复用;在小区中没有干扰的用户才能共用频带,根据毫微微蜂窝覆盖下次用户的物理距离,通过次用户之间的同频干扰构建次用户之间的干扰矩阵;根据次用户在双层异构网络中的社交特性,提取次用户之间的社交互惠因子,然后进行频谱拍卖,所述频谱拍卖方法具体包括以下步骤:
S10:在毫微微蜂窝双层异构网络中,构建次用户之间的干扰矩阵
假设有M个授权的主用户拥有相同带宽大小的空闲授权频带,记为{f1,f2,…,fm-1,fm},每个授权用户对自己频带的估价为{a1,a2,…,am-1,am},然后根据毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的物理距离,构建次用户之间的干扰矩阵C,具体运算如公式①:
其中 表示买家j在信道g上的发射功率, 表示买家j到第k1个卖家的信道系数,表示卖家k2到买家i的发射功率, 表示在信道g上的背景噪声;若两个次用户之间的干扰值低于用户通信的限值,则视为无干扰用户;根据公式①分别计算在不同毫微微蜂窝中买家之间的相互干扰值,有干扰的记为1,反之记为0,所有买家的干扰情况形成一个干扰矩阵C;
S20:构建毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的社交互惠关系
根据次用户在社交网络中体现出的兴趣列表Ti,i表示某个次用户,列表的取值为布尔值;通过用户体现的兴趣资源,可以得到用户之间的杰卡德相似系数: 然
后通过用户之间的杰卡德相似系数和用户之间的物理距离定义用户之间的互惠因子:
S30:定义一个分配矩阵X,记为: 并收集买家,记为{c1,c2,…,cn},
在网络中广播频谱拍卖信息,所述拍卖信息包括授权用户拥有的空闲频带{f1,f2,…,fm-1,fm},以及每个授权用户对自己的频带的保底价为{a1,a2,…,am-1,am},和每个买家对每个频带的估价为Bi={bi1,bi2,…,bim};
S40:通过设定拍卖规则保障拍卖的真实性和有效性,兼顾卖家和买家的利益,以实现整个拍卖系统的效用最大化
所述拍卖规则为:对参加拍卖买家出价需高于相应授权用户的保底价格,才有机会获得频带,当拍卖达到纳什均衡状态时的分配结果就是系统效用最大化的分配方案;具体是将优化分配问题建模为: 其中 表示单个用户得到
频带的效用;用户的收益为:λuij-bij,λ为加权值,λuij表示用户i使用频带j产生的价值,授权用户收益为:bij-aij;若买家的出价均小于授权用户的保底价,则拍卖结束,从新下一轮频谱拍卖;
S50对优化问题进行求解,得到最终的分配矩阵X
式②中,xik是拍卖结束后的分配值,取0或1,值为1时表示竞拍频谱成功;n为参加拍卖的买家数,m为授权用户含有的频带数;第二个限制条件是如果两个用户存在干扰,一个频带只能分给两个买家中的一个;第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个用户只能获得一个偏好的频带;采用量子遗传智能优化算法来求解次优解,进而得到最终的分配矩阵。

说明书全文

一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信系统技术领域,具体涉及一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法。

背景技术

[0002] 当今社会无线通信技术发展迅猛,通信网络中用户数急增,如何利用现有的频谱资源来尽可能的满足日益增长的数据业务和增大通信网络的系统容量,利用网络中用户形成的社交网络中体现的特性来优化网络设计,优化网络资源分配,已成为现在学术界面临的问题。第三代合作伙伴计划(3GPP)在LTE-A的标准中提出了支持异构蜂窝网络结构的毫微微蜂窝。这种毫微微蜂窝用户可自主部署,拉近基站与用户间的距离,降低发射功率;这种双层异构网络可以有效的解决宏基站的覆盖“盲区”问题,提高室内的通信质量,也有效地缓解宏基站的通信负载。
[0003] 毫微微蜂窝的引入增加了网络的系统容量,使得网络中用户数急增,这些用户构成了以移动设备为载体的具有移动性、便捷性、瞬时性和个性化定制特点的移动社交网络。利用用户在社交网络中体现的特性在无线网络设计中有着重要的色;社交网络体现用户网络中的社交关系,是否拥有相似的资源爱好,具有强社交关系的用户可以信息交流,资源共享,利用社交网络中用户之间的特性来分配资源可以有效地提高网络的性能;传统的宏基站和毫微微蜂窝频带分配方式有三种:方案一是采用共信道分配方式,这种方式会产生严重的同层和跨层干扰;方案二是采用正交信道分配方式,这种方式使得整个系统的频谱利用率较低;方案三是采用部分共信道方案,虽然这种方式可以一定程度上解决跨层干扰,但频谱分配固定,灵活性差,频谱使用效率不高。频谱资源有限,为提高频谱利用率,保障用户通信质量,增加网络系统容量,因此设计一种高效的频谱分配方案变得尤为迫切。
[0004] 拍卖技术作为一种新兴的提高频谱分配效率的技术,即保证频谱效率,也提供激励机制的工具,将拍卖理论应用到异构网络中,将网络中的空闲频谱资源进行拍卖,引入市场机制,增加了频谱分配的灵活性并兼具公平和高效性。

发明内容

[0005] 本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。
[0006] 考虑双层异构网络中毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的社交关系,根据他们之间的社交特性,构建一种新的拍卖形式,结合量子遗传算法设计一种优化算法可以使频谱资源得到充分而有效地利用,提高频谱分配效率,从而提高网络的系统容量。
[0007] 本发明出发点是在毫微微蜂窝异构网中结合用户在社交网络中的特性和频谱拍卖的优点;根据毫微微蜂窝分布随机性且较密集特点,考虑用户在社交网中的社交特性,提取用户之间的社交互惠因子,设计一种频谱拍卖方法,可以有效的提高网络的频谱分配效率和利用率,提高整个网络的系统效用。
[0008] 本发明技术方案是一种毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法,其中毫微微蜂窝采用混合接入方式,授权用户随时接入,在毫微微蜂窝覆盖下非授权用户通过拍卖购买授权频带接入;获得授权用户频带的次用户通过覆盖自身的毫微微基站接入蜂窝网络,从而实现频谱复用;在小区中没有干扰的用户才能共用频带,根据毫微微蜂窝覆盖下次用户的物理距离,通过次用户之间的同频干扰构建次用户之间的干扰矩阵;根据次用户在双层异构网络中的社交特性,提取次用户之间的社交互惠因子,然后进行频谱拍卖,所述频谱拍卖方法具体包括以下步骤:
[0009] S10:在毫微微蜂窝双层异构网络中,构建次用户之间的干扰矩阵
[0010] 假设有M个授权的主用户拥有相同带宽大小的空闲授权频带,记为{f1,f2,···,fm-1,fm},每个授权用户对自己频带的估价为{a1,a2,···,am-1,am},然后根据毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的物理距离,构建次用户之间的干扰矩阵C,具体运算如公式①:
[0011]
[0012] 其中 表示买家j在信道g上的发射功率, 表示买家j到第k1个卖家的信道系数, 表示卖家k2到买家i的发射功率, 表示在信道g上的背景噪声;若两个次用户之间的干扰值低于用户通信的限值,则视为无干扰用户;根据公式①分别计算在不同毫微微蜂窝中买家之间的相互干扰值,有干扰的记为1,反之记为0,所有买家的干扰情况形成一个干扰矩阵C;
[0013] S20:构建毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的社交互惠关系
[0014] 根据次用户在社交网络中体现出的兴趣列表Ti,i表示某个次用户,列表的取值为布尔值;通过用户体现的兴趣资源,可以得到用户之间的杰卡德相似系数:然后通过用户之间的杰卡德相似系数和用户之间的物理距离定义用户之间的互惠因子:
[0015] S30:定义一个分配矩阵X,记为: 并收集买家,记为{c1,c2,···,cn},在网络中广播频谱拍卖信息,所述拍卖信息包括授权用户拥有的空闲频带{f1,f2,···,fm-1,fm},以及每个授权用户对自己的频带的保底价为{a1,a2,···,am-1,am},和每个买家对每个频带的估价为Bi={bi1,bi2,···,bim};
[0016] S40:通过设定拍卖规则保障拍卖的真实性和有效性,兼顾卖家和买家的利益,以实现整个拍卖系统的效用最大化
[0017] 所述拍卖规则为:对参加拍卖买家出价需高于相应授权用户的保底价格,才有机会获得频带,当拍卖达到纳什均衡状态时的分配结果就是系统效用最大化的分配方案;具体是将优化分配问题建模为: 其中 表示单个用户得到频带的效用;用户的收益为:λuij-bij,λ为加权值,λuij表示用户i使用频带j产生的价值,授权用户收益为:bij-aij;若买家的出价均小于授权用户的保底价,则拍卖结束,从新下一轮频谱拍卖;
[0018] S50对优化问题进行求解,得到最终的分配矩阵X
[0019]
[0020]
[0021] 式②中,xik是拍卖结束后的分配值,取0或1,值为1时表示竞拍频谱成功;n为参加拍卖的买家数,m为授权用户含有的频带数;第二个限制条件是如果两个用户存在干扰,一个频带只能分给两个买家中的一个;第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个用户只能获得一个偏好的频带;采用量子遗传智能优化算法来求解次优解,进而得到最终的分配矩阵。
[0022] 本发明方法用于毫微微蜂窝异构网络中空闲频带分配,提高了频带的分配效率,增加授权用户的收益,有利于增大网络的系统容量,减轻宏基站的负担;在异构网络中提出一种结合社交互惠特性的频谱拍卖机制,能够最大化网络系统效用,满足用户的通信要求,提高用户的通信质量;并且易操作,也易实现。附图说明
[0023] 本发明的上述和附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
[0024] 图1为本发明方法中毫微微蜂窝双层异构网络的系统模型示意图;
[0025] 图2为本发明方法中毫微微蜂窝双层异构网络的频谱拍卖模型图;
[0026] 图3为本发明方法中最大化社会效益的频谱分配流程图

具体实施方式

[0027] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029] 下面参照图1-3对本发明实施例的毫微微蜂窝异构网络中结合社交网络的频谱拍卖方法做进一步的描述。
[0030] 如图1所示的毫微微蜂窝双层异构网络的系统模型示意图,包括宏用户、宏基站、毫微微蜂窝及毫微微蜂窝覆盖下的次用户,在双层异构网络的系统模型下,其中毫微微蜂窝采用混合接入方式,宏用户是授权用户,也就是主用户,授权用户随时接入宏基站进行通信,在毫微微蜂窝覆盖下的次用户为非授权用户,非授权用户需要通过购买授权频带接入;授权用户的频带通过毫微微蜂窝分配给所述毫微微蜂窝覆盖下的次用户,从而实现频谱复用;在小区中没有干扰的用户才能共用频带,根据毫微微蜂窝覆盖下次用户的物理距离,通过次用户之间的同频干扰构建次用户之间的干扰矩阵;根据次用户在双层异构网络中的社交特性,提取次用户之间的社交互惠因子,然后进行频谱拍卖。
[0031] 如图2所示的毫微微蜂窝双层异构网络的频谱拍卖模型,含有空闲频带的主用户视为卖家,在毫微微蜂窝覆盖下的需要接入网络的次用户视为买家;拥有空闲频带的卖家通过出租自己的频带来的获得收益,次用户通过毫微微蜂窝租用空闲频带来达到自身的通信需求,同时提高网络的频率利用率。中央处理单元作为拍卖人收集网络中的买家信息,买家之间进行信息交互,在网络形成相互的社会关系,构成一个社交网络,不同的次用户之间有不同的社交互惠因子tij,图1中在毫微微蜂窝覆盖下的次用户具有一定的互惠关系,即形成互惠关系次用户;如图2所示,中央处理单元作为拍卖人也收集主用户拥有的空闲频带,在网络中广播拍卖信息,包括频带数量、频带大小、地理位置;次用户作为买家根据这些信息进行估计,向拍卖人提交各频带的竞价信息;通过拍卖得到频段来获得通信的目的,从而提高网络的吞吐量。
[0032] 所述频谱拍卖方法具体包括以下步骤:
[0033] S10:在毫微微蜂窝双层异构网络中,构建次用户之间的干扰矩阵
[0034] 假设图2中有M个授权的主用户拥有相同带宽大小的空闲授权频带,记为{f1,f2,···,fm-1,fm},每个授权用户对自己频带的估价为{a1,a2,···,am-1,am},然后根据毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的物理距离,构建次用户之间的干扰矩阵C,具体运算如公式①:
[0035]
[0036] 其中 表示买家j在信道g上的发射功率, 表示买家j到第k1个卖家的信道系数, 表示卖家k2到买家i的发射功率, 表示在信道g上的背景噪声;若两个次用户之间的干扰值低于用户通信的门限值,则视为无干扰用户;根据公式①分别计算在不同毫微微蜂窝中买家之间的相互干扰值,有干扰的记为1,反之记为0,所有买家的干扰情况形成一个干扰矩阵C;
[0037] S20:构建毫微微蜂窝覆盖下次用户之间的社交互惠关系
[0038] 根据次用户在社交网络中体现出的兴趣列表Ti,i表示某个次用户,列表的取值为布尔值;通过用户体现的兴趣资源,可以得到用户之间的杰卡德相似系数:然后通过用户之间的杰卡德相似系数和用户之间的物理距离定义用户之间的互惠因子:
[0039] S30:定义一个分配矩阵X,记为: 并收集买家,记为{c1,c2,···,cn},在网络中广播频谱拍卖信息,所述拍卖信息包括授权用户拥有的空闲频带{f1,f2,···,fm-1,fm},以及每个授权用户对自己的频带的保底价为{a1,a2,···,am-1,am},和每个买家对每个频带的估价为Bi={bi1,bi2,···,bim};
[0040] S40:通过设定拍卖规则保障拍卖的真实性和有效性,兼顾卖家和买家的利益,以实现整个拍卖系统的效用最大化
[0041] 所述拍卖规则为:对参加拍卖买家出价需高于相应授权用户的保底价格,才有机会获得频带,当拍卖达到纳什均衡状态时的分配结果就是系统效用最大化的分配方案;具体是将优化分配问题建模为: 其中 表示单个用户得到频带的效用;用户的收益为:λuij-bij,λ为加权值,λuij表示用户i使用频带j产生的价值,授权用户收益为:bij-aij;若买家的出价均小于授权用户的保底价,则拍卖结束,从新下一轮频谱拍卖;由于所有的买家通过竞价方式获得某个频带的使用权,因此他们之间存在竞争关系,各个虚拟买家存在谎报估价等手段以获取自身利益最大化的倾向,因此通过设定的本拍卖规则保障拍卖的真实性和有效性,兼顾卖家和买家的利益,以实现整个拍卖系统的效用最大化。
[0042] S50对优化问题进行求解,得到最终的分配矩阵X
[0043]
[0044]
[0045] 式②中,xik是拍卖结束后的分配值,取0或1,值为1时表示竞拍频谱成功;n为参加拍卖的买家数,m为授权用户含有的频带数;第二个限制条件是如果两个用户存在干扰,一个频带只能分给两个买家中的一个;第三个限制条件为在每一轮拍卖中一个用户只能获得一个偏好的频带;采用量子遗传智能优化算法来求解次优解,进而得到最终的分配矩阵。
[0046] 通过分析公式②的目标函数和约束条件可知,对优化问题进行求解是一个0-1整数规划问题,目前尚没有高效的求全局最优解算法,综合考虑算法的复杂度和能否达到收敛等因素,采用量子遗传智能优化算法来求解次优解,基本目的是在满足约束条件和拍卖准则的条件下根据设定的系统适应度函数智能求解次优解。
[0047] 如图3所示的最大化社会效益的频谱分配流程,在拍卖开始时,买家向中央处理单元提交竞价信息,中央处理单元根据卖家的保底价和买家的竞价形成的价格信息,只要竞价高于卖家的要价,就有机会获得频带接入网络,这样就得到一个可行矩阵L,然后根据可行矩阵得出染色体大小,根据量子旋转门可以初始化种群,得到初始解,然后根据优化问题的约束条件和买家的出价得到可行解,将目标函数设为适应度函数,计算种群中所有可行解的适应值,比较适应值大小,保留最大的适应值和可行解,然后进行更新迭代,根据当前最优可行解来进行量子旋转门的更新,进而更新整个种群,得到一个新的种群,反复更新迭代,直到算法收敛,就可以得到分配矩阵的近似最优解。若两者竞价相同,则随机分给一个用户,若买家的出价均小于授权用户的保底价,可能是买家之间的串通出价,则本次拍卖失败,未授权用户则无法获得接入网络的机会。然后中央处理单元收集信息开始下一轮拍卖,重复拍卖步骤,直到算法收敛,则频谱拍卖阶段结束。
[0048] 以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
QQ群二维码
意见反馈