分布式认知无线网络基于联盟博弈的频谱分配方法

摘要

本发明公开一种分布式认知无线网络基于联盟博弈的频谱分配方法，主要解决现有技术在认知无线网络不能充分利用综合化和整体局部的思想分配空闲频段的问题。其方法步骤为：检测空闲频段、计算次用户效用值、建立稳定联盟、选择联盟管理者、融合数据、更新次用户信任值、分配空闲频段、更新次用户信任值。本发明充分结合认知无线网络的特点，使用信任值、参与值和需求值综合表示次用户的效用值，提高了次用户对空闲频段的满意程度和网络的服务质量；将次用户划分成联盟进行频谱资源分配，提高了空闲频段的利用率和频谱分配的公平性；通过更新次用户信任值，降低了恶意次用户对网络的负面影响。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及认知无线网络领域中的分布式认知无线 电网络基于联盟博弈的按需频谱分配方法。本发明可以根据次用户的需求值、参与值、 信任值以及授权频段的物理属性，结合工程优化方法和联盟博弈的方法，动态调整次 用户获得频谱的概率，从而使认知无线网络频谱资源的分配和使用更加灵活，高效， 公平。

背景技术

近年来，由于频谱资源的有限性，而且大部分频谱已经被分配给授权用户，导致 现今的频谱资源稀缺。事实上，大量研究表明授权频段在大量时间段内是空闲的，未 被授权用户使用，这在某种意义上是对有限频谱资源的浪费。为了使这些空闲频谱得 到充分的利用，人们提出了认知无限网络的概念以提高无线频谱资源的利用率。其中 拥有授权频谱的用户称为授权用户，租用频谱的用户称为次用户。

频谱分配是指根据次用户的数目和其对信道的需求将空闲频谱分配给一个或多 个次用户，主要目的是通过一个自适应策略有效地选择和利用空闲频谱。在认知网络 中，为了获得接入空闲频谱的权限，所有次用户必须通过合作来感知授权频谱的空闲 时段。当授权频谱空闲时，获得租用权限的次用户可以在不影响主用户的前提下租用 该频段传输次用户的本地信息。利用动态频谱分配策略，可以有效地提高无线通信的 灵活性，避免主用户和次用户之间的冲突。

东南大学提出的专利申请“一种基于合作博弈的认知传感网簇内频谱分配方法” (申请号201110340011.0申请公布号CN102413473A)公开了一种认知无线网络中 基于合作博弈的簇内频谱分配方法，具体步骤是：首先认知节点通过簇内局部控制信 道将感知到的信道状态信息发送给簇首，簇首利用这些信息，建立信道空闲矩阵。其 次，利用子信道矩阵、节点优先级权重向量、公用指示向量构建系统效用函数。最后， 添加两个约束条件，通过最大化系统效用函数得到最优子信道矩阵。该专利申请存在 的不足是：首先，该方法模型中的簇是静态的，不能根据次用户的状态变化而动态调 整。其次，在建立效用函数的时候采用的次用户优先级仅考虑了用户对信道的需求情 况，并未根据次用户的可信性、以及次用户对网络的贡献等来综合评定次用户的优先 级。

南京邮电大学提出的专利申请“基于需求因子的频谱共享博弈方法”(申请号 201110106065.0申请公布号CN102186177A)公开了一种认知无线电系统中基于需求 因子的频谱共享博弈防范，具体步骤是：首先将频谱共享问题模型化为古诺模型，并 构建基于需求的次用户博弈效用函数。其次，计算次用户共享的频谱数。最后，讨论 频谱最佳响应函数的求解过程。该专利申请存在的不足是：首先，只考虑了次用户的 需求和出价，却并未考虑次用户的可信性，若次用户是出价高的不合法用户，则有违 认知网的不影响主用户通信这一初衷。其次，需求函数中只考虑了次用户对频谱数量 的要求，并未考虑信道质量不同在实际使用中的区别，可能会导致次用户分得了频谱 却无法通信的现象，最后，未考虑频谱分配过程中不同次用户的公平性问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种分布式认知无线网络基于联盟博弈的频谱 分配方法，采用联盟博弈的方法，在信任值的基础上引入次用户参与值和需求值进行 频谱资源分配，可保证次用户获得的频谱都是可用的，提高了网内频谱的利用率，保 证了次用户间的公平性，同时提升了次用户的满意度和积极性。

为了实现上述目的，本发明的具体步骤包括如下：

(1)检测空闲频谱

1a)将首次参与频谱分配过程的次用户信任值的初始值设定为0.5，将次用户参与 值的初始值设定为0；

1b)次用户将接受的其他次用户传输的数据存贮于自身存储空间中；

1c)次用户扫描需要传输的数据内容末尾，获得传输数据所需的带宽，传输数据 所需的功率和传输数据所需的时间；

1d)次用户使用自身天线，检测授权用户频段的无线电信号能量；当检测的授权 用户信号能量大于检测门限值时，授权用户占用频段，次用户将本地频段表中被占用 频段的状态值设定为0；反之，频段为空闲状态，次用户将本地频段表中空闲频段的 状态值设定为1；

1e)次用户采用测试信号方法，获得空闲频段的最大可容忍功率；

1f)次用户采用时间预测方法，获得空闲频段的空闲时间；

1g)次用户查询频谱列表，获得空闲频段的带宽。

(2)计算次用户效用值

2a)按照下式计算次用户的需求值：

$N=\frac{3}{\sqrt{b^2+p^2+d^2}}$

其中，N表示次用户的需求值，b表示次用户传输数据所需的带宽，p表示次用 户传输数据所需的功率，d表示次用户传输数据所需的时间；

2b)使用单纯型法计算次用户的效用值。

(3)建立稳定联盟

3a)将每个次用户设定为一个联盟；

3b)按照下式计算每个联盟的整体效用值；

$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{V}_i}{k}$

其中，S表示每个联盟的整体效用值，∑表示求和符号，k表示每个联盟中次 用户的数目，i表示1到k之间的任意正整数，V表示每个联盟中次用户的效用值；

3c)将每每相邻的联盟合并成一个联盟，按照步骤3b)整体效用值公式，计算合 并后联盟的整体效用值；

3d)判断合并后联盟的整体效用值，是否小于参与合并联盟中其中一个联盟的整 体效用值，若小于，则取消合并；否则，执行步骤3e)；

3e)将合并后含有至少两个次用户的联盟中信任值最高的次用户分裂为一个联盟， 将分裂前联盟中其余的次用户分裂为的另一个联盟，按照步骤3b)整体效用值公式， 计算分裂后每个联盟的整体效用值；

3f)判断分裂所得的两个联盟的整体效用值，是否都小于分裂前联盟的整体效用 值，若都小于，则取消分裂；否则，执行步骤3g)；

3g)重复步骤3c)、步骤3d)、步骤3e)、步骤3f)，直至所有联盟都无法继 续合并或分裂；

3h)计算每个联盟内所有次用户需求值的平均值，将平均值作为当前状态联盟内 每个次用户的需求值。

(4)选择联盟管理者

对每个联盟，选择联盟内信任值最高的次用户作为该联盟的管理者。

(5)数据融合

5a)每个次用户将本地频段表发送给联盟管理者；

5b)联盟管理者按照融合公式计算所有的本地频段表中频段的状态值，并将状态 值存入网络频段表中；

5c)联盟管理者将网络频段表发送给联盟内所有次用户。

(6)更新次用户信任值

每个次用户对比本地频段表中频段的状态值和联盟管理者发送的网络频段表中 与之对应的频段状态值；当次用户本地频段表中频段的状态值与联盟管理者发送的网 络频段表中相应频段的状态值不相同时，将次用户前一状态的信任值的0.5倍作为当 前状态次用户的信任值。

(7)分配空闲频段

7a)按照下式计算次用户与空闲频段的匹配度：

$Y=\sqrt{{(B-b)}^2+{(Q-p)}^2+{(D-d)}^2}$

其中，Y表示次用户与空闲频段的匹配度，B表示空闲频段的带宽，b表示次用 户传输数据所需的带宽，Q表示空闲频段的最大可容忍功率，p表示次用户传输数据 所需的功率，D表示空闲频段的空闲时间，d表示次用户传输数据所需的时间；

7b)判断匹配度Y是否大于0.5，若是，表示次用户与空闲频段匹配，执行步骤 7c)；反之，表示次用户与空闲频段不匹配，执行步骤7d)；

7c)将空闲频段分配给与其匹配的次用户中信任值最高的次用户；

7d)重复步骤7a)、步骤7b)、步骤7c)，直至所有空闲频段都分配给次用户。

(8)更新次用户信任值

8a)次用户在分配到的空闲频段传输数据，记录传输数据时实际的功率和时间；

8b)若次用户传输数据时实际的时间和功率部小于所需的时间和功率，则将步骤 (6)中次用户信任值的1.5倍作为当前状态的次用户信任值；反之，将步骤(6)中 次用户信任值的0.5倍作为当前状态的次用户信任值；

8c)重复步骤(1)至步骤(8)，直至所有的次用户中都没有需要传输的数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用次用户传输数据所需的带宽、功率和时间，计算次用户的需求 值，克服了现有技术中需求值只考虑了次用户对频段数量的要求，并未考虑频段质量 不同在实际使用中的区别的不足，使得本发明提高了网络对次用户的服务质量。

第二，本发明根据次用户的信任值、需求值和参与值计算次用户的效用值，在保 证信任值高的次用户能够高几率地获得空闲频段的基础上，鼓励信任值不高的用户通 过积极参与频谱来提高自己获得频谱的几率，克服了现有技术中只考虑了次用户的需 求和出价，却并未考虑次用户的可信性的不足，使得本发明提高了次用户获得空闲频 谱的可靠性，提高了初次加入认知无线网络的次用户获得空闲频段的概率。

第三，本发明采用单纯型法优化次用户的效用值，使得不同次用户的信任值、参 与值和需求值的具有不同的权重，克服了现有技术中建立效用函数的时候采用的次用 户优先级仅考虑了用户对信道的需求情况，并未根据次用户的可信性、以及次用户对 网络的贡献等来综合评定次用户的优先级的不足，使得本发明提高了次用户效用值的 完整性和可靠性。

第四，本发明采用次用户的效用值计算联盟的整体效用值，通过联盟间的合并或 分裂形成稳定联盟，克服了现有技术中未考虑频谱分配过程中不同次用户的公平性的 不足，使得本发明增加了认知无线网络的收益，提高了认知无线网络的公平性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明建立稳定联盟步骤的流程图；

图3为本发明稳定联盟的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的应用场景为认知无线网络，网络中次用户处于同一地理位置中，采用分 布式组网方式，无基站，次用户通过各自的需求申请使用空闲频段，当分配到空闲频 段后，进行数据通信。

参照附图1，对本发明的具体步骤描述如下：

步骤1，检测空闲频谱。

将首次参与频谱分配的次用户信任值的初始值设定为0.5，将次用户参与值的初 始值设定为0。

次用户的信任值表示其行为的可信程度，是衡量次用户行为是否可信的一个标 准，它在每次频谱分配的过程中不断发生变化。次用户的参与值表示次用户参与频谱 分配的次数和用户频谱分配总次数的比值，它随着频谱分配的次数和次用户参与的 次数而变化。

次用户将接受的其他次用户传输的数据存贮于自身存储空间中，扫描需要传输的 数据内容的末尾，获得传输数据所需的带宽，功率和时间。这三个参数的值决定了次 级用户对于空闲频段的要求，基于这三个参数，次用户才能够选择出适合传输所需数 据的空闲频段。

次用户使用自身天线，检测授权用户频段的无线电信号能量；当检测的授权用户 信号能量大于检测门限值时，表示授权用户占用频段，次用户将本地频段表中被占用 频段的状态值设定为0；反之，表示频段为空闲状态，次用户将本地频段表中空闲频 段的状态值设定为1。检测门限值为授权用户的发射功率减去自由空间传播损耗的差 值，自由空间传播损耗值是由以下公式计算获得：

L＝32.44+20lg r+20lg u

其中，L表示自由空间传播损耗值，lg表示求对数符号，r表示次用户与授权用 户的距离，u表示检测频段的频率。

本地频段表记录次用户检测频段的结果，表示为2×n的矩阵，n为次用户所检测 到的频段的数目，矩阵的第1行表示频段名称，矩阵的第2行为表示频段的状态值。

次用户向频段状态值为1的空闲频段发出可变功率的测试信号，信号功率随时间 均匀增加，直至功率达到测试信号能够正常传输的最大临界值，获得空闲频段的最大 可容忍功率。

次用户计算本次频谱分配之前的连续5次频谱分配过程中频段空闲时间的均值， 将该均值作为本次频谱分配的频段空闲时间，若频段参与频谱分配的次数不足5次， 则将频段的空闲时间设定为本次分配过程中次用户传输数据所需的时间。

次用户查询频谱列表，获得空闲频段的带宽。

步骤2，计算次用户效用值。

次用户使用下式计算自身需求值：

$N=\frac{3}{\sqrt{b^2+p^2+d^2}}$

其中，N表示次用户的需求值，b表示次用户传输数据所需的带宽，p表示次用 户传输数据所需的功率，d表示次用户传输数据所需的时间。

次用户根据自身的需求值、信任值和参与值，使用单纯型法计算次用户的效用值， 其步骤为：

第一步，次用户计算自身的信任值、需求值和参与值在效用值中所占的权重，其 公式如下：

$\left(\begin{array}{c}\max (h\times q+N\times w+J\times e)\\ q+w+e=1\\ q-w>0\\ w-e\ge 0\end{array}\right)$

其中，max表示求最大值符号，h表示当前状态的次用户信任值，q表示当前状 态的次用户信任值在效用值中所占的权重，N表示当前状态的次用户需求值，w表示 当前状态的次用户需求值在效用值中所占的权重，J表示当前状态的次用户参与值， e表示当前状态的次用户参与值在效用值中所占的权重。

第二步，根据所求得的次用户信任值、需求值和参与值在效用值中所占的权重， 计算效用值，其公式如下：

V＝h×q+N×w+J×e

其中，V表示本次频谱分配过程中当前状态的次用户效用值，h表示本次频谱分 配过程中当前状态的次用户信任值，q表示本次频谱分配过程中当前状态的次用户信 任值在效用值中所占的权重，N表示本次频谱分配过程中当前状态的次用户需求值， w表示本次频谱分配过程中当前状态的次用户需求值在效用值中所占的权重，J表示 本次频谱分配过程中当前状态的次用户参与值，e表示本次频谱分配过程中当前状态 的次用户参与值在效用值中所占的权重。

步骤3，建立稳定联盟。

参照附图2，本步骤具体实施过程如下：

3a)联盟初始化，将每个次用户设定为一个联盟。

3b)根据联盟内次用户数目和每个次用户效用值，按照整体效用值公式计算每个 联盟的整体效用值，其整体效用值公式如下：

$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{V}_i}{k}$

其中，S表示每个联盟的整体效用值，∑表示求和符号，k表示每个联盟中次 用户的数目，i表示1到k之间的任意正整数，V表示每个联盟中次用户的效用值。

3c)将每每相邻的联盟合并成一个联盟，按照整体效用值公式，计算合并后联盟 的整体效用值。判断合并后联盟的整体效用值，是否大于参与合并联盟中其中一个联 盟的整体效用值，若大于，则保留合并后的联盟，合并后的连联盟中包含所有参与合 并的联盟的次用户。执行步骤3c)；反之，则取消合并，返回该相邻联盟合并前的状 态，执行步骤3d)。

3d)将合并后含有至少两个次用户的联盟中信任值最高的次用户分裂为一个联 盟，将分裂前联盟中其余的次用户分裂为的另一个联盟，按照整体效用值公式，计算 分裂后每个联盟的整体效用值。判断分裂所得的两个联盟的整体效用值，是否大于分 裂前联盟的整体效用值，若都大于，则保留分裂后的联盟，执行步骤3c)；反之，则 取消分裂，返回到该联盟分裂前的状态，执行步骤3e)。

3e)当所有联盟都无法继续合并或分裂时，达到稳定联盟。

稳定联盟的结构参照附图3。图3包含三个圈，分别表示联盟1，联盟2和联盟3， 联盟1包含四个次用户，联盟2包含四个次用户，联盟3包含三个次用户，次用户间 可以直接通信。每个联盟中信任值最高的次用户作为联盟领导者。在本发明实施例中 三个联盟数目和每个联盟内的次用户数目是不发生变化的。

3f)将每个联盟内所有次用户需求值的平均值，作为当前状态联盟内每个次用户 的需求值。

步骤4，选择联盟管理者。

对每个联盟，选择联盟内信任值最高的次用户作为该联盟的管理者。联盟管理者 选出后，在一次频谱分配过程中是不变的，下次分配过程依据次用户变化后的信任值 重新选择。

步骤5，数据融合。

每个次用户将本地频段表发送给联盟管理者。每个联盟的管理者按照下述的融合 公式计算所有的本地频段表中频段的状态值，并将状态值存入网络频段表中，网络频 段表记录数据融合的结果，表示为2×m的矩阵，m为频段的数目；矩阵的第1行表 示频段名称，矩阵的第2行表示频段的状态值。

$y_x=\left(\begin{array}{c}0,\underset{U_x^0}{\Sigma }1>\underset{U_x^1}{\Sigma }1\\ 1,\underset{U_x^0}{\Sigma }1\le \underset{U_x^1}{\Sigma }1\end{array}\right)$

其中，y_x表示网络频段表中频段x的频段状态，x∈{1，2，3，......，M}，M表示频 段的数目，和分别表示频段x的频段状态为0和1的次用户集。

联盟管理者将网络频段表发送给联盟内所有次用户，使得联盟内所有次用户都能 够得到联盟内所有次用户检测到得所有频段的状态，状态值为0的频段即为可用的空 闲频段。

步骤6，更新次用户信任值。

每个次用户对比本地频段表中频段的状态值和联盟管理者发送的网络频段表中 与之对应的频段状态值；当次用户本地频段表中频段的状态值与联盟管理者发送的网 络频段表中相应频段的状态值不相同时，即该次用户对于频段状态的检测不准确，有 可能时发生了误检，也有可能是恶意用户故意修改了检测的结果，无论是上述哪种情 况，该次用户都没有真正完成检测频段的任务，将次用户前一状态的信任值的0.5倍 作为当前状态次用户的信任值。

步骤7，分配空闲频段。

联盟间按照每个联盟整体效用值由大到小的顺序，联盟内按照次用户信任值由高 到底的顺序，匹配空闲频段。次用户按照匹配度公式，计算该次用户和空闲频段的匹 配度，其匹配度公式如下：

$Y=\sqrt{{(B-b)}^2+{(Q-p)}^2+{(D-d)}^2}$

其中，Y表示次用户与空闲频段的匹配度，B表示空闲频段的带宽，b表示次用 户传输数据所需的带宽，Q表示空闲频段的最大可容忍功率，p表示次用户传输数据 所需的功率，D表示空闲频段的空闲时间，d表示次用户传输数据所需的时间。

判断匹配度Y是否大于0.5，若是，表示次用户与空闲频段匹配；反之，表示次用 户与空闲频段不匹配。

将空闲频段分配给与其匹配的次用户中信任值最高的次用户。获得空闲频段的次 用户不再参与随后的分配过程。

重复步骤7，直至所有空闲频段都分配给适当的次用户。

步骤8，更新次用户信任值。

次用户分配到的空闲频段，使用一定的功率传输数据，记录传输数据时实际的功 率和传输数据实际所需时间。

若次用户传输数据时实际的时间和功率都小于所需的时间和功率，则将步骤6中 次用户信任值的1.5倍作为当前状态的次用户信任值；反之，将步骤6中次用户信任 值的0.5倍作为当前状态的次用户信任值。更新后的信任值作为下次频谱分配时次用 户信任值的初始值。

重复步骤1至步骤8，直至所有次用户中都没有需要传输的数据。