一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法

摘要

本发明公开了一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法，该方法利用市场经济方式使得拥有空闲频谱资源的授权频谱持有者SH在满足主用户PU服务的前提下，通过出售单位时间段频谱使用权给有频谱需求的二级无线服务商SWSP获取租金收益，来实现频谱资源的高效利用；本发明拍卖中介SB主持拍卖召回整个过程，SH出售空闲频段，并允许在其PU突然需要时召回部分已售出的频谱使用权，以满足优先级更高的PU的QoS；在拍卖完成后，SWSP可使用相应信道频段，如果SH需要召回，SB会选择补偿成本较低的信道予以召回，来满足PU需求。本发明可保证拍卖过程的真实性和个体理性条件，且在满足PU的QoS条件下，实现用户满意度、频谱复用率、SH拍卖收益的最大化。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体的说是一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法。

背景技术

面对不断增加的无线数据业务需求和频谱资源利用率不足的现状，已有的静态频谱分配方式已经不再适用于快速发展的无线网络。认知无线网络概念提出利用授权频谱的大量空闲频段去满足不同的非授权用户频谱需求，从而实现频谱资源的动态高效分配。如果使用基于感知的自由免费接入，频谱拥有者将失去分享空闲频谱的动机，从利益角度考虑，对于空闲频谱的再利用，使用市场拍卖形式将更加合理。

不同于普通商品，频谱拍卖必须考虑频谱属性中的空间重用、复杂的干扰关系、拍卖双方频谱的动态供给和需求以及各频段由于中心频率不同所带来的传播特性异构。现有的频谱拍卖方法多是一次拍卖，频谱拍卖中假设授权频谱持有者(spectrum holder，SH)一旦拍出其相应频谱，直到下次拍卖开始，买者将独占频谱使用权，会出现优先级更高的SH主用户PU无信道可用的情况。由于PU到来的随机性，SH如果拍出所有信道，也许导致其主用户无频谱可用的情况。如果SH过多的保留频谱给其主用户，虽然保证了其主用户的频谱使用，但会造成其拍卖收益的降低。另外，对于主用户突然的频谱需求，如果简单召回会损害竞拍者的利益；如果加以补偿的召回，必须考虑召回和补偿机制下的收益。

目前的频谱拍卖设计存在两个重要缺陷：1.现有的竞拍都是假设拍出的频谱会被拍得的用户独占，然而频谱持有者服务的主用户PU比二级无线服务商有更高的频谱接入优先级，这样就可能出现突然到达的主用户频谱需求无法得到满足，以致于影响其无线服务质量(QoS)的情况；2.不能综合考虑多种实际问题和拍卖设计上的重要属性，不同于普通商品的拍卖，频谱必须考虑频谱的空间重用、复杂的干扰关系、拍卖双方频谱的动态供给和需求以及各频段不同的传播特性，在实际频谱竞拍召回过程中，无法合理处理召回对拍卖频谱出价的真实性的影响，无法最大限度实现在拍卖设计的过程中在满足主用户服务要求的前提下，尽可能提高拍卖的整体收益。

发明内容

本发明提供了一种基于频谱召回机制的异构频谱和异构需求的双边拍卖方法，该方法更符合实际场景，具有较强的通用性，联合考虑多种因素和属性，考虑频谱异构性、频谱需求异构和拍卖的真实性，最小化了召回所带来的补偿，在满足PU的QoS前提下，尽可能提高频谱的复用效率和SH的拍卖收益。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法，该双边拍卖方法的过程中包括四个参与对象：作为卖者的授权频谱持有者SH、需优先服务的主用户PU、作为买者的二级无线服务商SWSP和主持拍卖和召回的中介SB；该双边拍卖方法包括初始阶段、拍卖和分配阶段以及召回阶段；

(1)初始阶段

步骤一、SH在优先服务其主用户PU并满足当前PU频谱服务的前提下，拍卖固定时间间隔的信道使用权；SH向SB上报所有参与竞拍的信道信息，所述参与竞拍的信道信息包括空闲信道数量和最大召回信道个数；

步骤二、SB把SH提供的所有参与竞拍的信道信息广播给SWSP，SWSP根据SB提供的信息提交竞价信息给SB，所述竞价信息包括需要的信道数、出价向量b_i和SWSP的位置信息，其中，i＝(1，2，……n)，SB根据竞价信息计算出SWSP对各信道的报价；

(2)拍卖和分配阶段

步骤三、SB根据初始阶段SH上报的参与竞拍的信道信息和SWSP所提供的竞价信息，发出拍卖申请；

步骤四、SB对所有SH提供的竞拍信道进行竞拍；

(3)召回阶段

步骤五、当SH发生其主用户PU到达需要信道的情况，SH选择最小补偿的信道做召回处理。

作为一种优选方案，步骤一所述PU频谱服务遵循先到先服务原则，在没有可用信道时需排队等待，最小的PU所需最小信道数c和最大召回信道个数分别通过下式得出：

其中，M_PU是平均等待时间，Q(c,ψ)是排队概率，γ_j为等待时间的门限；每个SH的PU用户的到达间隔服从到达率为λ的泊松分布，其形影的服务时间服从参数为1/μ的指数分布，相应的μ表示服务率，ψ＝λ/μ。

C_r＝c-(C-C_a)，

其中，C是SH的信道数，C_a是拍卖信道数，C_r是最大召回信道个数。

作为一种优选方案，SWSP所需的信道数目不同，用di代表SWSP的信道需求，1≤d_i≤K，每个SWSP对所有可接入信道有不同的信道价值矢量，V＝{v_i,1,v_i,2,..,v_i,k,..,v_i,K}，其中，K表示所有SH参与竞拍信道数量，当不可接入时v＝0；步骤二所述SWSP对信道k的报价b_i为：其中，风险因子θ_i反映了对于潜在召回的敏感度，C_r/C_a反映了最大召回比例，(R-r_i)/R反映了被召回的可能性，R表示SH的服务半径，r表示SH和SWSP之间的距离，ρ_i表示召回可能性的折扣因子。

作为一种优选方案，步骤三SB根据SWSP提供的信道需求，产生与需求相应数目d_i的多个虚拟SWSP，虚拟SWSP继承原SWSP的所有属性，所有属性包括需要的信道数、出价向量b_i和SWSP的位置信息，SB根据虚拟SWSP出价向量b_i高低顺序，向出价最高的d_i个信道发出拍卖申请。

作为一种优选方案，步骤四所述竞拍过程具体如下：

S1、SWSP根据需求向d_i个信道发出申请，把申请同一信道的SWSP作为一个联盟，对于所有申请拍卖信道j的虚拟SWSP组成的申请联盟定义为Π_j，SB生成信道j的潜在冲突图；

S2、根据信道j的潜在冲突图，找到最大独立集g_j,并找出最大独立集中联盟出价最高的独立集，即相应的信道j的拍卖价格为其中，|g_j|为获胜联盟Π_j的成员个数；

S3、将拍卖价格与SH提供的竞拍底价进行比较，每条信道的竞拍底价为a_j，如果Φ_j≥a_j，那么信道j竞拍成功，获胜联盟Π_j中出价最低的成员被剔除；

S4、在每个信道频段内，如果存在多个独立集，具有最高联盟出价的那个独立集胜出，如果有多个同样最高联盟出价的独立集，随机选取其一，其中，除了独立集中报价最低的SWSP外，其他SWSP将获得频谱使用权，其中，虚拟SWSP在信道j的支付为：

i获得频谱使用权

作为一种优选方案，步骤五所述召回处理时，如果SH直接安排空闲信道给新到达PU使用；如果缺口部分做召回处理；

根据PU到达与否，及其位置信息及到达的PU需求计算其中代表SHj的位置坐标，找到可用信道内在半径R_PU范围内的频谱租赁SWSP，记录SWSP在各信道的付费总和假设对于SH有c_j个可召回信道，按从小到大排列各信道付费为找出需要召回个数的排在前的信道进行召回。

作为一种优选方案，在每个时段周期结束，SH通过SB对所有租用信道的SWSP收费，所述收费包括三种情况：

(1)如果SWSP未赢得拍卖，未获得频谱使用权，付费为0；

(2)如果SWSP赢得信道使用权，并且未被召回，需支付费用为：

(3)如果SWSP赢得信道使用权，中途发生频谱召回的，根据实际召回数量对各SWSP进行补偿。

作为一种优选方案，召回结束后，对于各SH和SWSP的收益清算，清算结果如下：

SWSP的拍卖阶段收益为成功接入信道的实际价值-出价；

SWSP的总收益为拍卖阶段收益+召回损失+召回补偿；

对于SH的收益为服务PU的收益+拍卖所得-召回补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明公开了一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法，该方法利用市场经济方式使得拥有空闲频谱资源的授权频谱持有者SH在满足主用户PU服务的前提下，通过出售单位时间段频谱使用权给有频谱需求的二级无线服务商SWSP获取租金收益，来实现频谱资源的高效利用；本发明拍卖中介SB主持拍卖召回整个过程，SH出售空闲频段，并允许在其PU突然需要时召回部分已售出的频谱使用权，以满足优先级更高的PU的QoS；SH给出拍卖资源数目并说明其可能的资源召回信息，竞拍者SWSP基于召回信息、频谱偏好提交出价向量，可对多个频谱资源进行竞拍，满足SWSP的多样化需求。SB根据SWSP申请情况，在SH提供的各频段内建立频谱干扰图，找到合适的最大独立集，避免一个频谱资源内的用户干扰；在拍卖完成后，SWSP可使用相应信道频段；如果SH需要召回已拍出的信道来满足突发的PU需求，SB会选择补偿成本较低的信道予以召回。本发明可保证拍卖过程的真实性和个体理性条件，且在满足PU的QoS条件下，实现用户满意度、频谱复用率、SH拍卖收益的最大化；

(2)本发明公开了一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法，在拍卖中考虑突然的PU用户的无线通信服务，加入局部召回，在保护PU用户的服务质量前提下，可尽可能提高频谱利用率和SH的空闲频谱拍卖收益；该拍卖设计为双边拍卖，SWSP在出价时考虑召回对报价的影响，在每次拍卖时都会获得大于0的实际收益，SH在面对同一频谱内SWSP的联盟报价，也会在大于自身底价方才出售，从而，本发明保证了拍卖中个体理性的条件；此外，在频谱空间复用机制下，多个SWSP组成联盟可同时使用同一频谱，本发明设置了同一信道联盟中报价末尾淘汰机制，从理论上可证明这个拍卖机制设计的真实性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为据要求随机产生的仿真结果示意图；

图3为在图2条件下，与其他机制对比的SH效用图；

图4为在图2条件下，与其他机制对比的频谱利用率图；

图5为在图2条件下，与其他机制对比的用户满意度图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法，该双边拍卖方法的过程中包括四个参与对象：作为卖者的授权频谱持有者SH、需优先服务的主用户PU、作为买者的二级无线服务商SWSP和主持拍卖和召回的中介SB；该双边拍卖方法包括初始阶段、拍卖和分配阶段以及召回阶段；

(1)初始阶段

步骤一、SH在优先服务其主用户PU并满足当前PU频谱服务的前提下，拍卖固定时间间隔的信道使用权；SH向SB上报所有参与竞拍的信道信息，所述参与竞拍的信道信息包括空闲信道数量和最大召回信道个数；

步骤二、SB把SH提供的所有参与竞拍的信道信息广播给SWSP，SWSP根据SB提供的信息提交竞价信息给SB，所述竞价信息包括需要的信道数、出价向量b_i和SWSP的位置信息，其中，i＝(1，2，……n)，SB根据竞价信息计算出SWSP对各信道的报价；

(2)拍卖和分配阶段

步骤三、SB根据初始阶段SH上报的参与竞拍的信道信息和SWSP所提供的竞价信息，发出拍卖申请；

步骤四、SB对所有SH提供的竞拍信道进行竞拍；

(3)召回阶段

步骤五、当SH发生其主用户PU到达需要信道的情况，SH选择最小补偿的信道做召回处理。

作为一种优选方案，步骤一所述PU频谱服务遵循先到先服务原则，在没有可用信道时需排队等待，不失一般性，其中，每个PU的出现符合到达率为λ_j的泊松分布，服务时间符合1/μ_j指数分布，本发明以PU等待时间作为QoS的指标，目的是在保证PU等待时间不大于假设门限γ_j时，尽可能提高SH的拍卖收益，根据排队论相关知识，可把PU服务视为M/M/C的排队系统。最小的PU所需最小信道数c和最大召回信道个数分别通过下式得出：

其中，M_PU是平均等待时间，Q(c,ψ)是排队概率，γ_j为等待时间的门限；每个SH的PU用户的到达间隔服从到达率为λ的泊松分布，其形影的服务时间服从参数为1/μ的指数分布，相应的μ表示服务率，ψ＝λ/μ。

C_r＝c-(C-C_a)，

其中，C是SH的信道数，C_a是拍卖信道数，C_r是最大召回信道个数，在此，由于存在信道还被占用，服务上时隙还未完成服务的PU的情况，因此需考虑当前拍卖时隙中所有未用信道。

作为一种优选方案，SWSP是不同类型的二级小微基站，对频谱有较强需求，希望租赁SH的空闲频段提供服务，SWSP对不同中心频率的信道偏好不同，例如，小蜂窝相比微微蜂窝更偏好有着更长传输距离的低频信道。由于SWSP业务量不同，SWSP所需的信道数目不同，用di代表SWSP的信道需求，1≤d_i≤K，每个SWSP对所有可接入信道有不同的信道价值矢量为V＝{v_i,1,v_i,2,..,v_i,k,..,v_i,K}，其中，K表示所有SH参与竞拍信道数量，当不可接入时v＝0；步骤二所述SWSP对信道k的报价b_i为：其中，风险因子θ_i反映了对于潜在召回的敏感度，C_r/C_a反映了最大召回比例，(R-r_i)/R反映了被召回的可能性，，R表示SH的服务半径，r表示SH和SWSP之间的距离，ρ_i表示召回可能性的折扣因子，由于是局部召回，需要考虑SWSP的位置，距离相应SH的距离越近，召回的可能越大。

作为一种优选方案，步骤三SB根据SWSP提供的信道需求，产生与需求相应数目d_i的虚拟SWSP，虚拟SWSP继承原SWSP的所有属性，所有属性包括需要的信道数、出价向量b_i和SWSP的位置信息，作为优选的，为反应信道召回对SWSP的影响，SWSP的出价为信道真实价格的折扣，SB根据虚拟SWSP出价向量b_i高低顺序，向出价最高的d_i个信道发出拍卖申请。

作为一种优选方案，步骤四所述竞拍过程具体如下：

S1、由于SWSP可能需要多条信道，为简化处理，把多对多拍卖转化为一对多拍卖，SWSP根据需求向d_i个信道发出申请，把申请同一信道的SWSP作为一个联盟，对于所有申请拍卖信道j的虚拟SWSP组成的申请联盟定义为Π_j，SB生成信道j的潜在冲突图；

S2、根据信道j的潜在冲突图，找到最大独立集g_j,并找出最大独立集中联盟出价最高的独立集，即相应的信道j的拍卖价格为其中，|g_j|为获胜联盟Π_j的成员个数；

S3、将拍卖价格与SH提供的竞拍底价进行比较，每条信道的竞拍底价为a_j，a_j暗示最低的可接受租买的相应信道的成本价格，如果Φ_j≥a_j，那么信道j竞拍成功，获胜联盟Π_j中出价最低的成员被剔除；

S4、在每个信道频段内，如果存在多个独立集，具有最高联盟出价的那个独立集胜出，如果有多个同样最高联盟出价的独立集，随机选取其一，其中，除了独立集中报价最低的SWSP外，其他SWSP将获得频谱使用权，其中，虚拟SWSP在信道j的支付为：

i获得频谱使用权

作为一种优选方案，为满足优先级更高的PU的QoS，对突然增加的频谱需求，采取召回措施。为保证经济利益，本发明采取局部召回策略，基本原则是先释放空闲信道给PU，如果不够，再召回补偿低的信道。步骤五所述召回处理时，如果SH直接安排空闲信道给新到达PU使用；如果缺口部分做召回处理；

根据PU到达与否，及其位置信息及到达的PU需求计算其中代表SHj的位置坐标，找到可用信道内在半径R_PU范围内的频谱租赁SWSP，记录SWSP在各信道的付费总和假设对于SH有c_j个可召回信道，按从小到大排列各信道付费为找出需要召回个数的排在前的信道进行召回。

作为一种优选方案，在每个时段周期结束，SH通过SB对所有租用信道的SWSP收费，所述收费包括三种情况：

(1)如果SWSP未赢得拍卖，未获得频谱使用权，付费为0；

(2)如果SWSP赢得信道使用权，并且未被召回，需支付费用为：

(3)如果SWSP赢得信道使用权，中途发生频谱召回的，则对SWSP进行补偿。

作为一种优选方案，召回结束后，对于各SH和SWSP的收益清算，清算结果如下：

SWSP的拍卖阶段收益为代表成功接入信道的实际价值-出价；

SWSP的总收益为代表拍卖阶段收益+召回损失+召回补偿；

对于SH的收益为代表服务PU的收益+拍卖所得-召回补偿。

本发明设计机制的评价：

本发明设计机制的评价中，定义3个性能指标，分别是：社会福利、平均用户满意度和频谱复用率，结合图2、图3、图4、图5进行分析：

社会福利，反应SH的拍卖收益情况：

平均用户满意度(Average Buyers’Satisfaction,ABS),反映用户的接入情况，拍卖胜出者占总需求的比例，另外，优先考虑PU的满意度，使用serve_PU/demand_PU作为折扣因子。

频谱重用率(Spectrum Reusability Degree,SRD),反应频谱的利用效率

如图所示，图2为根据要求随机产生的仿真场景情况，图3、图4和图5是在图2条件下给出，本发明一种具有频谱召回的动态多需求异构频谱的双边拍卖方法与现有其他方式的性能对比，可看出，在SH的效用、频谱复用率和平均用户满意度上均高于其他机制。