包含家庭基站的異構網絡的分組頻譜拍賣方法與流程

文檔序號：11139651閱讀：576來源：國知局

本發明涉及無線通信系統技術領域，具體涉及一種包含家庭基站的異構網絡中的組合頻譜拍賣方法。

背景技術：

隨著無線通信技術的快速發展，如何利用現有的頻譜資源來盡可能的滿足日益增長的數據業務和增大通信網絡的系統容量，提高頻譜效率，已成為現在學術界研究的熱點。相關統計顯示，在日益增長的無線通信業務的需求下，60％的話音業務和80％的數據業務發生在室內，顯然移動用戶通信的大量時間發生在信號較弱甚至無信號的室內，這樣導致用戶通信質量不理想；針對這一問題，第三代合作伙伴計劃(3GPP)在LTE-A的標準中提出了支持異構蜂窩網絡結構的家庭基站。這種家庭基站用戶可自主部署，發射功率低；這種雙層異構網絡可以有效的解決宏基站的覆蓋“盲區”問題，提高室內的通信質量，也有效地緩解宏基站的通信負載。

盡管家庭基站的引入增加了網絡的系統容量，但也使網絡中的用戶干擾變得更為復雜，若宏基站和家庭基站頻譜分配方案采用共信道分配方式，則會產生嚴重的同層和跨層干擾；若頻譜分配方案采用正交信道分配方式，則系統的頻譜利用率較低；若頻譜分配方案采用部分共信道方案，雖然可以部分解決跨層干擾，但頻譜分配固定，靈活性差，頻譜使用效率不高。頻譜資源有限，因此需要設計一種高效的頻譜分配方案，以提高頻譜利用率，保障用戶通信質量，增加網絡系統容量。

技術實現要素：

本發明旨在解決現有技術中存在的技術問題。

將拍賣理論應用到異構網絡中，將網絡中的空閑頻譜資源進行拍賣，引入市場機制，增加了頻譜分配的靈活性并兼具公平和高效性。考慮雙層異構網絡中家庭基站之間競爭關系，根據他們之間的社會關系，找出網絡中家庭基站的最佳組合，通過最大社會效用的拍賣機制可以使頻譜資源得到充分而有效地利用頻譜資源，提高頻譜分配效率，從而提高網絡的系統容量。

基于以上的發明思想，提出了一種包含家庭基站的異構網絡的組合頻譜拍賣方法，家庭基站采用混合接入方式，授權用戶可以接入，在家庭基站覆蓋下非授權用戶通過購買授權頻帶接入；首先根據雙層異構網絡中家庭基站之間的社會關系值將網絡中干擾小且社會關系值大于θ的家庭基站進行組合，構建新買家，然后進行頻譜拍賣。

具體的，一種包含家庭基站的異構網絡的分組頻譜拍賣方法，所述家庭基站采用混合接入方式，授權用戶可以接入，在家庭基站覆蓋下非授權用戶通過購買授權頻帶接入，所述分組頻譜拍賣方法包括以下步驟：

S10：在包含家庭基站雙層異構網絡中，設有K個授權的家庭基站和宏用戶擁有相同帶寬大小的空閑授權頻帶，記為{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每個家庭基站對自己頻帶估值的保底價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；

S20：構建家庭基站社會關系，中央處理單元收集網絡中買家信息，買家之間進行信息交互，在網絡形成相互的社會關系，構成一個社交網絡，根據買家之間的喜好程度，不同的買家有不同的社會關系值然后按式(1)計算各個買家在同頻帶下的相互干擾情況，

式中表示買家j在信道m上的發射功率；表示買家j到第k₁個賣家的信道系數；表示賣家k₂到買家i的發射功率；表示在信道m上的背景噪聲；若兩個買家計算出的互干擾小于一個設定閾值γ，則這兩個買家在雙層異構網絡中可視為無干擾用戶，當買家的干擾小于一個設定閾值γ且社會關系值高于θ時，將它們組合在一起則形成新的買家；假設買家數為N個，根據式(1)分別計算在不同家庭基站中買家之間的相互干擾值，有干擾的記為1，反之記為0；將所有買家的干擾情況形成一個干擾矩陣I；

S30：中央處理單元定義一個頻譜分配矩陣X，記為：并收集新的買家，記為{c₁,c₂,…,c_n}，在網絡中廣播頻譜拍賣信息，包括家庭基站擁有的空閑頻帶{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}，每個家庭基站對自己的頻帶的保底價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，每個買家對每個頻帶的估價為B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；

S40：中央處理單元處理買家與賣家信息后進行頻譜拍賣，首先對頻帶f₁進行拍賣，將出價高于相應家庭基站的保底價的買家列為贏家序列W，然后中央處理單元根據每個買家使用該頻帶產生的效益u_ij來選擇最終的贏家，將頻帶分給能產生最大效用的買家，然后將相應的買家和賣家分別從買家集和賣家集中去除。

本方法中，同一頻帶在不同用戶的使用下產生的社會效益是不同的，所以提出的估值保底價進行擇優拍賣，可以將頻帶賣給那些能產生最大社會效用的買家，因此在一輪拍賣過程中會產生多個贏家，再從贏家集中選擇最優者贏得頻譜使用；另外由于無干擾用戶之間在網絡中幾乎沒有競爭關系，可以共用一個頻帶，產生的社會效益大；這簡化拍賣，提高拍賣效率，從而大大提高頻譜利用效率。

進一步的，上述方案中，若買家的出價均小于授權用戶的保底價，中央處理單元重新收集買家和賣家的消息依次拍賣空閑頻譜，重復步驟S40直到頻譜分配完畢或買家集合變為空集。

進一步的，在上述方案中，為頻譜分配問題建立一個優化問題：

式中，x_ij是拍賣結束后的分配值，值為1時表示頻譜分配成功；n為參加拍賣的買家數，k為授權用戶含有的頻帶數；在這個目標和約束條件下進行拍賣，當達到拍賣的納什均衡時所得到的分配矩陣X就是最優分配結果，空閑頻帶的效益可達最大；第二個限制條件是一個頻帶只能分給兩個買家中的一個；第三個條件是同一用戶只能得到一個頻帶。

進一步的，在上述方案中，效益值由式(2)計算得到：

式中c_i是新買家所含的原始買家數目，B是頻帶帶寬，P_b是宏基站的發射功率，h_bi是宏基站到相應家庭基站的信道增益。

進一步的，在上述方案中，在步驟S40中，若買家是原始買家的集合，則所產生的效益為整體的總和。

進一步的，在上述方案中，在步驟S40中，如果有相同的最大效益值，則將頻帶分給出價高的用戶。從而可以增大授權用戶的收益。

進一步的，在上述方案中，在步驟S40中，若兩買家的效益u_ij和出價都相同，則隨機分給一個用戶，此時記為x_ij＝1，表示將頻段j分配給買家i，新買家下的原始買家可用頻段j，用戶的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產生的價值，授權用戶收益為：b_ij-a_ij；然后將買家i和賣家j在買家和賣家集中去除。

本發明出發點是結合包含家庭網絡的異構網絡的網絡特點和頻譜拍賣的優點，根據較密集分布的家庭基站的社會關系，將社會關系程度高且干擾小的家庭基站覆蓋下的認知用戶進行組合，設計擇優的頻譜拍賣方法，可以有效的提高網絡的頻譜利用率和最大化網絡效益，提高授權家庭基站的收益。

本發明可用于包含家庭基站的異構網絡中空閑頻帶分配，提高了頻帶的分配效率，增加授權用戶的收益，有利于宏蜂窩的流量卸載；在異構網絡中提出一種新的頻譜拍賣形式，能夠最大化網絡系統效益，滿足用戶的通信要求，提高用戶的通信質量；并且易操作，也易實現。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發明方案中的包含家庭基站的雙層異構網絡的系統模型示意圖；

圖2為本發明方案中的包含家庭基站的雙層異構網絡的頻譜拍賣模型圖；

圖3為本發明方案中的頻譜分配流程圖。

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

下面參照圖1-3對本發明實施例的包含家庭基站的異構網絡的頻譜拍賣方法做進一步的描述。

如圖1和圖2所示，在雙層異構網絡的系統模型下，將含有空閑頻帶的家庭基站和宏用戶視為賣家，在家庭基站覆蓋下的需要接入網絡的未授權用戶視為買家；擁有空閑頻帶的賣家通過出租自己的頻帶來的獲得收益，未授權用戶租用空閑頻帶來達到自身的通信需求，同時提高網絡的頻率利用率，假設有K個授權的家庭基站和宏用戶擁有相同帶寬大小的空閑授權頻帶，記為{f₁，f₂，…，f_k-1，f_k}，每個家庭基站對自己頻帶的估價為{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}；中央處理單元構建家庭基站社會關系，收集網絡中的買家信息，買家之間進行信息交互，在網絡形成相互的社會關系，構成一個社交網絡，根據買家之間的喜好程度，不同的買家有不同的社會關系值，然后根據公式(1)計算各買家之間在同頻帶下的互干擾值，有干擾的記為1，反之記為0；

式中表示買家j在信道m上的發射功率；表示買家j到第k₁個賣家的信道系數；表示賣家k₂到買家i的發射功率；表示在信道m上的背景噪聲；

這些相互干擾值可以形成買家的干擾矩陣I，當買家的干擾值小于一個干擾閾值γ且社會關系值高于θ時，將它們組合在一起則形成新的買家，可將買家記為{c₁,c₂,…,c_n}，買家更新完成后，中央處理單元就可以準備拍賣階段。同一頻帶在不同用戶的使用下產生的社會效益是不同的，所以提出的擇優拍賣機制中，可以將頻帶賣給那些能產生最大社會效用的買家，因此在一輪拍賣過程中會產生多個贏家，再從贏家集中選擇最優者。

如圖2所示，中央處理單元收集空閑頻帶并定義一個頻譜分配矩陣X，記為：還收集新的買家并記為{c₁,c₂,…,c_n}，在網絡中廣播拍賣信息，包括家庭基站擁有的頻帶{f₁,f₂,…,f_k-1,f_k}數量、頻帶大小、地理位置，每個家庭基站；買家根據這些信息進行估計，向中央處理單元提交各頻帶的競價信息，即提交每個買家對每個頻帶的估價為B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}；通過拍賣頻段來獲得通信的需求，提高網絡的吞吐量。逐個對頻帶進行拍賣處理，本著最大化網絡效益的目的，對參加拍賣的買家只要出價高于相應家庭基站對自己的頻帶的保底價{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}，就可以將其列為贏家序列W，然后中央處理單元根據每個買家使用該頻帶產生的效益來選擇最終的贏家，若買家是原始買家的集合，則所產生的效益為整體的總和，效益值的計算如式(2)：

式(2)中c_i是新買家所含的原始買家數目，B是頻帶帶寬,P_b是宏基站的發射功率，h_bi是宏基站到相應家庭基站的信道增益；建立一個優化問題

式中，x_ij是拍賣結束后的分配值，值為1時表示頻譜分配成功；n為參加拍賣的買家數，k為授權用戶含有的頻帶數；最優化這個目標函數，在第一個約束條件下進行頻譜拍賣，第二個約束條件是一個頻帶只能分給兩個買家中的一個；第三個約束條件是同一用戶只能得到一個頻帶。

如圖3所示，在拍賣開始時，買家向中央處理單元提交競價信息，中央處理單元根據賣家的保底價{a₁,a₂,…,a_k-1,a_k}和買家的競價B_i＝{b_i1,b_i2,…,b_ik}，只要競價高于賣家的要價，就可以先列入贏家序列，贏家序列中每個新買家有一個使用該頻段的社會效益值，然后根據公式(2)將頻帶分給能產生最大效用的買家，如果有相同的最大效益值，則將頻帶分給出價高的用戶，增大授權用戶的收益；若兩買家的最大效益u_ij和出價都相同，則隨機分給一個用戶，此時記為x_ij＝1，表示將頻段j分配給買家i，新買家下的原始買家可用頻段j，用戶的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產生的價值，授權用戶收益為：b_ij-a_ij，將相應的買家和賣家在買家集和賣家集中去除；若買家的出價均小于授權用戶的保底價，可能是買家之間的串通出價，則本次拍賣失敗；未授權用戶則無法獲得接入網絡的機會。下一步，由中央處理單元將拍賣失敗的買家和剩余的頻帶重新整合，開始下一輪拍賣，重復拍賣步驟，直到頻譜分配完畢或買家集合變為空集，則頻譜拍賣階段結束；每個用戶組的收益為：λu_ij-b_ij，λ為加權值，λu_ij表示用戶i使用頻帶j產生的價值。