基于排队论的认知无线电网络信道定价与服务选择联合优化
方法
技术领域
背景技术
[0002] 无线电
频谱资源是一种有限的自然资源，一般由政府授权使用。近年来各种无线通信业务的增长导致对无线频谱资源的需求越来越大，频谱需求与可用频谱资源之间的矛盾更加突出。当前的频谱管理主要采用固定的频谱分配策略，也就是频谱资源被分配给固定的授权用户，虽然这样能有效避免用户之间的过多相互干扰，但同时也带来另一个问题，那就是，频谱资源的严重浪费。
[0003] 针对这种不合理的频谱使用方式，需要引入动态频谱接入技术将那些未被充分使用的频谱资源加以利用，实现频谱的动态分配从而极大地提高频谱的利用率。认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种灵活的和智能的无线电，它可通过观察周围环境和学习来智能动态调整网络传输参数，提高网络的服务性能。认知无线电技术通过允许从用户(Secondary User，SU)自适应地
感知频谱资源，机会式地占用空闲频谱，只要在不对主用户(Primary User，PU)产生有害干扰的前提下，从用户可以接入主用户频段，提高频谱利用率，很大程度上缓解日益增长的无线频谱资源需求与频谱资源紧缺之间的矛盾。在认知无线电网络频谱接入中由于主用户相对从用户有信道的绝对优先权，多个从用户同时
请求接入信道的情况，利用排队论可以分析在此场景下用户的接入行为。动态频谱接入模型最常见的分类有三种，一种是独占使用，一种是分级接入，还有一种是开放共享。独占式的接入模型中频谱所有者可以在某个特定的时间段内将频谱使用权转移给其他从用户。分级接入模型中在SU不对PU造成干扰的前提下，PU和SU在该模型下可以共享频谱资源，PU和SU之间没有协调配合。开发共享模型中，所有用户拥有同等的频谱接入权利，不存在具有优先级的用户。
[0004] 引入动态频谱接入技术后，如果频谱提供商没有从中获取利润那就失去了提供服务的动
力，所以提供了一个新的频谱交易市场机制。在频谱交易中，频谱提供商的目的是通过出售频谱最大化自己的利润，SU则是根据频谱的价格和自己的需要，通过频谱使用来最小化自身的花费。对于现有的认知无线电频谱交易机制利用排队论来分析SU的延迟情况，和利用博弈论的方法分析SU的接入行为和频谱提供商的定价行为。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对已有技术存在的
缺陷，提供一种基于排队论的认知无线电网络信道定价与服务选择联合优化方法。该方法结合排队论和博弈论为次级频谱交易提供解决方案，在考虑独占式接入模型下，引入异构从用户概念，联合优化信道价格和服务选择，实现频谱提供商利润最大化和从用户花费的最小化。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0007] 一种基于排队论的认知无线电网络信道定价与服务选择联合优化方法，所述认知无线电网络包括两个频谱提供商POi，其中i＝1,2和N个从用户SUn，其中n＝1…N；频谱提供商POi拥有可用信道，将其中空闲的信道分配给需要信道的从用户，由于考虑到现实场景中频谱资源会出现短缺的情况，这里每个频谱提供商POi只分配一个信道给从用户，而多个从用户请求接入一个信道需要排队；考虑到从用户对延迟的敏感程度不一，频谱提供商POi提供一个信道，两种服务给从用户，服务一提供给延迟敏感的从用户，服务二提供给延迟非敏感的从用户；频谱提供商POi提供服务一的出价为pi1，提供服务二的出价为pi2，从用户的总到达率为λ，选择接入频谱提供商POi的服务的从用户的到达率为λij，其中i＝1,2；j＝1,2；频谱提供商POi通过分配频谱获得的利润函数为πi，从用户的花费函数用C表示；包括以下步骤：
[0008] 步骤1：频谱提供商POi初始化价格(p11,p12,p21,p22)；
[0009] 步骤2：从用户以总到达率λ到达，先选择哪个频谱提供商的信道进行接入，再选择哪项服务，从用户根据频谱提供商的出价和列队的延迟情况选择信道和服务，选择频谱提供商POi和服务j的从用户的花费函数Cij：
[0010] Cij＝αTij+pij
[0011] 其中α表示单位延迟花费，Tij表示从用户选择频谱提供商POi和服务j的延迟，pij表示频谱提供商POi提供服务j的出价价格；
[0012] 步骤3：频谱提供商根据从用户的选择行为做出定价策略，考虑到两种出价策略，一种是同时出价，一种是顺序出价，POi计算利润函数πi＝(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2，其中pi表示频谱提供商相对提供服务一和服务二的平均价格；
[0013] 步骤4：利用wardrop均衡：αTi1(λi1)+pi1＝αTi2(λi1,λi2)+pi2，从用户选择相应的服务。
[0014] 所述步骤2的具体步骤为：
[0015] 步骤2-1：根据步骤1所述初始化价格，各频谱提供商进行参数初始化，并将其广播给所有的从用户；
[0016] 步骤2-2：从用户根据接收的信息以及观察到队列的情况计算出选择各个频谱提供商和各个服务的队列的平均等待时间Tij，即延迟；这里考虑到异构从用户情况，引入了优先列队的概念，选择同一频谱提供商的服务一的从用户比选择服务二的从用户在接入信道方面有绝对的优先权；先计算选择频谱提供商POi的列队的平均等待时间Ti：
[0017]
[0018] 约束条件为λ＜1/E(Ye)，
[0019] 其中E(Ye)， 表示前两时刻的平均服务时间，排队论模型采用的是M/G/1模型；
[0020] 步骤2-3：从用户计算选择频谱提供商POi服务一的列队的平均等待时间Ti1：
[0021]
[0022] 步骤2-4：从用户计算选择频谱提供商POi服务二的列队的平均等待时间Ti2：
[0023]
[0024] 步骤2-5：从用户计算相对于各频谱提供商和服务的花费函数Cij；
[0025] 步骤2-6：从用户利用wardrop均衡理论最小化自身的花费函数：(1)从用户选择频谱提供商PO1的花费和选择频谱提供商PO2的花费相同αT1(λ11,λ12)+p1＝αT2(λ21,λ22)+p2；(2)选择同个频谱提供商的从用户选择服务一的花费和选择服务二的花费相同，即Ci1＝Ci2，由此，得到：
[0026]
[0027] 约束条件为
[0028] 所述步骤3的具体步骤为：
[0029] 步骤3-1：同时出价策略下，频谱提供商POi需要计算最优的出价，计算表达式为：
[0030]
[0031] 步骤3-2：在顺序出价中，PO1作为频谱出价的领导者先作出出价决策，PO2作为频谱出价的跟从者根据PO1的出价行为再作出决策，此出价策略利用逆向归纳法来求解；先假设已知PO1价格p1下计算PO2的最优价格，具体表达式为：
[0032]
[0033] 步骤3-3：计算出p2的表达式之后，频谱提供商PO1计算出使利润最大化的最优价格：
[0034]
[0035] 所述步骤4的具体步骤为：
[0036] 步骤4-1：频谱提供商POi确定使选择服务一的利益最大的价格pi1，其计算表达式为：
[0037]
[0038] 约束条件为(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2；
[0039] 步骤4-2：频谱提供商POi确定使选择服务二的利益最大的价格pi2，其计算表达式为：
[0040]
[0041] 约束条件为(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2。
[0042] 本发明与
现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0043] 本发明提出了一种基于排队论的认知无线电网络信道定价与服务选择联合优化方法，且提出了一种独一无二的wardrop均衡理论，比较了两种出价机制下的决策行为，实现了从用户的花费最小化，同时也保证了频谱提供商利润的最大化。
附图说明
[0044] 图1为本发明针对异构从用户选择信道与服务的排队模型。
[0045] 图2为本发明适用认知无线电网络频谱分配联合信道定价和服务选择的
流程图。
[0046] 图3为本发明的认知无线电网络频谱提供商在两种出价机制下不同服务间价格的比较。
[0047] 图4为本发明的认知无线电网络频谱提供商在两种出价机制下不同服务间利润的比较。
[0048] 图5为本发明的认知无线电网络频谱分配在同时出价机制下从用户的延迟和价格的比较。
[0049] 图6为本发明的认知无线电网络频谱分配在顺序出价机制下从用户的延迟和价格的比较。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图，对本发明的具体
实施例做进一步的说明。
[0051] 如图1所示，所述认知无线电网络包括两个频谱提供商POi，其中i＝1,2和N个从用户SUn，其中n＝1…N；频谱提供商POi拥有可用信道，将其中空闲的信道分配给需要信道的从用户，由于考虑到现实场景中频谱资源会出现短缺的情况，这里每个频谱提供商POi只分配一个信道给从用户，而多个从用户请求接入一个信道需要排队；考虑到从用户对延迟的敏感程度不一，频谱提供商POi提供一个信道，两种服务给从用户，服务一提供给延迟敏感的从用户，服务二提供给延迟非敏感的从用户；频谱提供商POi提供服务一的出价为pi1，提供服务二的出价为pi2，从用户的总到达率为λ，选择接入频谱提供商POi的服务的从用户的到达率为λij，其中i＝1,2；j＝1,2；频谱提供商POi通过分配频谱获得的利润函数为πi，从用户的花费函数用C表示。
[0052] 如图2所示，一种基于排队论的认知无线电网络信道定价与服务选择联合优化方法，具体步骤如下：
[0053] 步骤1：频谱提供商POi初始化价格(p11,p12,p21,p22)；
[0054] 步骤2：从用户以总到达率λ到达，先选择哪个频谱提供商的信道进行接入，再选择哪项服务，从用户根据频谱提供商的出价和列队的延迟情况选择信道和服务，选择频谱提供商POi和服务j的从用户的花费函数Cij：
[0055] Cij＝αTij+pij
[0056] 其中α表示单位延迟花费，Tij表示从用户选择频谱提供商POi和服务j的延迟，pij表示频谱提供商POi提供服务j的出价价格；
[0057] 步骤3：频谱提供商根据从用户的选择行为做出定价策略，考虑到两种出价策略，一种是同时出价，一种是顺序出价，POi计算利润函数πi＝(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2，其中pi表示频谱提供商相对提供服务一和服务二的平均价格；
[0058] 步骤4：利用wardrop均衡：αTi1(λi1)+pi1＝αTi2(λi1,λi2)+pi2，从用户选择相应的服务。
[0059] 所述步骤2的具体步骤为：
[0060] 步骤2-1：根据步骤1所述初始化价格，各频谱提供商进行参数初始化，并将其广播给所有的从用户；
[0061] 步骤2-2：从用户根据接收的信息以及观察到队列的情况计算出选择各个频谱提供商和各个服务的队列的平均等待时间Tij，即延迟；这里考虑到异构从用户情况，引入了优先列队的概念，选择同一频谱提供商的服务一的从用户比选择服务二的从用户在接入信道方面有绝对的优先权；先计算选择频谱提供商POi的列队的平均等待时间Ti：
[0062]
[0063] 约束条件为λ＜1/E(Ye)，
[0064] 其中E(Ye)， 表示前两时刻的平均服务时间，排队论模型采用的是M/G/1模型；
[0065] 步骤2-3：从用户计算选择频谱提供商POi服务一的列队的平均等待时间Ti1：
[0066]
[0067] 步骤2-4：从用户计算选择频谱提供商POi服务二的列队的平均等待时间Ti2：
[0068]
[0069] 步骤2-5：从用户计算相对于各频谱提供商和服务的花费函数Cij；
[0070] 步骤2-6：从用户利用wardrop均衡理论最小化自身的花费函数：(1)从用户选择频谱提供商PO1的花费和选择频谱提供商PO2的花费相同αT1(λ11,λ12)+p1＝αT2(λ21,λ22)+p2；(2)选择同个频谱提供商的从用户选择服务一的花费和选择服务二的花费相同，即Ci1＝Ci2，由此，得到：
[0071]
[0072] 约束条件为
[0073] 所述步骤3的具体步骤为：
[0074] 步骤3-1：同时出价策略下，频谱提供商POi需要计算最优的出价，计算表达式为：
[0075]
[0076] 步骤3-2：在顺序出价中，PO1作为频谱出价的领导者先作出出价决策，PO2作为频谱出价的跟从者根据PO1的出价行为再作出决策，此出价策略利用逆向归纳法来求解；先假设已知PO1价格p1下计算PO2的最优价格，具体表达式为：
[0077]
[0078] 步骤3-3：计算出p2的表达式之后，频谱提供商PO1计算出使利润最大化的最优价格：
[0079]
[0080] 所述步骤4的具体步骤为：
[0081] 步骤4-1：频谱提供商POi确定使选择服务一的利益最大的价格pi1，其计算表达式为：
[0082]
[0083] 约束条件为(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2；
[0084] 步骤4-2：频谱提供商POi确定使选择服务二的利益最大的价格pi2，其计算表达式为：
[0085]
[0086] 约束条件为(λi1+λi2)pi＝λi1pi1+λi2pi2。
[0087] 如图3所示，根据本发明的网络信道定价和服务选择方法，基于两种定价，同时出价和顺序出价下频谱提供商出价的比较图。在同时出价下两个频谱提供商给定的平均价格相差不大，顺序出价下由于PO1作为出价的领导者给出的平均价格高于PO2给出的平均价格。在顺序出价策略下，领导者先满足了自身利益的最大化，拥有优先权。顺序出价下频谱提供商间的竞争比采用同时出价策略下的竞争更大。由于设定了从用户对延迟有敏感和非敏感类型之分，PO提供了两种服务：服务一和服务二，选择服务一的从用户在接入信道上有绝对的优先权。从实验结果可以看到选择服务一的从用户无论在哪种出价策略下需要支付的价格明显高于选择服务二需要支付的价格。
[0088] 如图4所示，两个频谱提供商，根据本发明的网络信道定价和服务选择方法，在不同总到达率下PO1在两种出价策略下的利润变化情况，从实验结果看出随着总到达率的增加，PO1的利润也在随之增加；顺序出价策略下，PO1的利润比在同时出价策略下PO1的利润高，这可能由于在顺序出价策略下，两个频谱提供商间的竞争更大。
[0089] 图5示出了有两个频谱提供商，提供两种服务，根据本发明的网络信道定价和服务选择方法，在同时出价策略下从用户选择两种服务的延迟和价格随着总到达率的变化情况。从实验结果可以看出，选择服务一的从用户的平均等待时间明显少于选择服务二的从用户的平均等待时间，而相应地选择服务一的从用户需要支付更多的价格。图6示出了有两个频谱提供商，提供两种服务，根据本发明的网络信道定价和服务选择方法，在顺序策略下从用户选择二种服务的延迟和价格随着总到达率的变化情况。同样反应了相应的结果。
