[发明专利]基于需求因子的频谱共享博弈方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中主用户和次用户共享频谱的实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术在人们日常生活中的广泛应用，频谱资源匮乏问题日益严重。研究表明，目前的固定频谱分配制度导致资源平均利用率低下，且极不平衡。有限的可用频谱和低的频谱资源利用率决定了急需一种新的通信方式。认知无线电的出现为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。而认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电概念提出至今，不少学者提出了频谱共享问题的分析模型，其中一部分借鉴了微观经济学理论，基于博弈论实现了频谱共享。

目前已有研究者利用博弈论对认知无线电系统的频谱共享算法展开了研究，使用博弈中的潜在博弈(Potential game)理论对软件无线电技术的自适应调制机制进行了分析，证明应用基于博弈论的自适应信道分配方法可以让主次用户有效的共享频谱。有的给出了认知无线电网络中的伯川德博弈模型，并利用该模型分析了多个主用户间频谱价格的博弈。有的则分析了认知无线电中各种博弈模型的收敛性。而为了实现不同的目标，博弈中采用的效用函数的形式也往往各不相同，例如基于最小化系统干扰水平的效用函数，基于最大化系统吞吐量的效用函数等等。大都侧重于考虑次用户间频谱共享的博弈，还有基于古诺模型的频谱共享方法。但是在考虑次用户的频谱需求时，将各个次用户的需求度视作一个定值，因为不能实时反映用户对频谱实际的需求，无法很好的达到频谱共享公平这一目的。

本方法基于鲍尔模型，提出了古诺博弈效用函数，该函数中的频谱需求度参数不仅考虑了次用户因为业务不同而导致对频谱的需求不同这一因素，而且还考虑了可以共享到的频谱的数量对需求的影响，次用户共享的频谱越多，则对频谱的需求度会相对降低，因此本发明效用函数中的需求度是共享频谱的函数，是一个变量，它更加准确地描述了认知无线电系统中次用户对频谱需求的特性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于博弈理论的认知无线电主用户和次用户频谱共享的方法，构建了基于需求的次用户博弈效用函数，该函数中的频谱需求度参数不仅考虑了次用户因为业务不同而导致对频谱需求不同这一因素，而且还考虑了可以共享到的频谱数量对需求的影响，次用户共享的频谱越多，则对频谱的需求度会相对降低，效用函数中的需求度是共享频谱的函数，是一个变量，它更加准确地描述了认知无线电系统中次用户对频谱需求的特性，可以更好地体现频谱分配的公平性。

技术方案：本方法的设计紧密结合国内外最新的研究动态与成果，通过博弈论(Game Theory)方法建立模型，应用于认知无线电系统的频谱共享中。采用了理论分析、可行性论证和计算机仿真相结合的方法，从理论和仿真两个方面验证了所提出的方案。

本方法讨论的次用户系统博弈，是次用户系统根据主用户系统提出的价格函数来确定用于通信的频谱数量，次用户系统之间通过博弈来获得频谱。在次用户系统博弈中，本方法研究的认知无线电频谱分配系统包括一个主用户系统和多个次用户系统(个数为N)，一个次用户系统包含一个或多个次用户，主用户系统也是多个主用户的集合，分析时将所有的主用户视为一个整体，一个次用户系统也看成一个整体。

本方法的频谱共享的博弈模型如图1所示，有一个主用户系统和N个次用户系统，为了讨论方便假设每个次用户系统只存在一个次用户，主用户拥有一段授权频谱，主用户可以将该段频谱中的空闲频段分配给次用户系统，但是次用户要向主用户支付报酬。图右边的总频谱中，灰色表示主用户已经占用的频谱，黑色表示各用户之间的保护频段(带宽很小且固定)，白色表示次用户占用的频谱，表示第i个次用户系统共享到的频谱。

该方法构建了基于需求的次用户博弈模型，该模型中的频谱需求度参数不仅考虑了次用户因为业务不同而导致对频谱需求不同这一因素，而且还考虑了可以共享到的频谱数量对需求的影响，次用户共享的频谱越多，则对频谱的需求度会相对降低，效用函数中的需求度是共享频谱的函数，是一个变量，具体的方法为：