基于博弈论的频谱移动性管理方法

摘要

本发明提供了一种基于博弈论的频谱移动性管理方法，其包括以下步骤：步骤一：对等待触发的无线电用户和空闲频带进行初始化；步骤二：频带空闲时间、无线电用户占用频带时间的相关参数进行获取；步骤三：对整个频带管理系统的预期收益进行确定；步骤四：以预期收益为目标，做出一系列的初始策略集；步骤五，验证此策略集是否满足纳什均衡，若不满足，则对策略集进行相应调整，直至满足纳什均衡的条件为止，进而输出收敛的最佳策略集。本发明尽可能少的降低认知无线电用户的频谱切换次数，从而保证了次级用户的QoS，同时也降低了对授权用户的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种频谱移动性管理方法，具体地，涉及一种基于博弈论的频谱移动 性管理方法。

背景技术

无线网络的领域中，由于空闲频谱资源有限，认知无线电用户之间需要竞争使用空 闲资源。不同认知无线电用户的优先级，QoS(Quality of Service，服务质量)要求等级 不同，因此要求认知无线电系统在保证优先级高的认知无线电用户优先得到服务的同时， 也要保证频谱资源不会被某些认知无线电用户独占，即认知系统需要公平而有效地管理 空闲频谱资源，一定程度地改善系统性能，提高系统容量，提高QoS等级等。

认知无线电用户由于受到授权用户工作状况的干扰，可用频谱的数量和位置随时间 不断变化，因此对于这些“不确定”的频谱资源进行优化分配存在很大程度的动态性。 在认知无线电系统频谱分配的领域中，始终面临着以下三方面的问题：(1)认知无线电 用户对授权用户的干扰；(2)认知无线电用户之间的干扰；(3)认知无线电系统的效益 和用户间的公平性。针对问题(1)，可以采用择机式的频谱共享方式，通过提高认知无 线电用户对授权用户信号的检测精度和可靠性来减少对授权用户的干扰，如采用合作频 谱检测方法。针对问题(2)，可以借鉴传统通信系统中的方法来避免或减小干扰，如多 址技术。Simon Haykin教授指出把频谱分配和功率控制相结合，可在减少认知无线电用 户之间的干扰的同时优化系统总体效益。针对问题(3)，Peng等人对开放式频谱共享模 型中频谱分配的效益和公平性做了较为详尽的分析。

然而，频谱切换是在频谱分配技术发展的过程中呈现的又一难题。频谱切换通常发 生在两种情况下：一是当某一空闲频段被授权用户重新使用时，工作于该频段的认知无 线电用户必须跳转到其他频段；二是当用户QoS需求发生变化，而当前正在使用的频段 无法满足用户的QoS需求时，必须跳转到其他合适的频段。频谱移动性管理主要包括频 谱切换以及切换过程中的链路维持，即如何保持切换过程中用户的服务不被中断。

频谱切换主要包含三个过程：频谱切换初始化，频谱切换决策和频谱切换执行。频 谱切换初始化即初步搜索可以利用的频谱资源，频谱切换决策即对可用频谱资源进行估 计，选择当前情况下最优的频谱资源，最后通过频谱切换执行过程进行切换操作。快速 频谱选择算法和快速频谱切换算法基本可以将频谱切换的负面影响降到最低。

虽然关于频谱移动性管理的技术很多，但是它们大部分都只能保证当下的最优切换， 无法保证切换后的频谱利用率以及无线电用户的连续性占用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于博弈论的频 谱移动性管理方法，其尽可能少的降低认知无线电用户的频谱切换次数，从而保证了次 级用户的QoS，同时也降低了对授权用户的干扰。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于博弈论的频谱移动 性管理方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一：明确博弈过程中的不同角色；步 骤二：明确博弈过程中的相关参数；步骤三：建立博弈模型；步骤四：纳什均衡分析。

优选地，所述步骤一包括以下步骤：步骤十一，明确空闲频带为博弈的领导者； 步骤十二，明确等待触发的无线电用户为博弈的追随者；步骤十三，明确授权用户为 博弈的相关者。

优选地，所述步骤一当多个空闲频带面对多个需要触发的无线电用户时，空闲频 带作为博弈的领导者要主动进行博弈，根据自身的特点以及无线电用户的不同属性，做 出相对合适的策略；无线电用户向空闲频带呈现出自己的所有属性值，以便于空闲频带 能够做出一系列的策略集，并择优选择；授权用户会在某一时间返回自己的授权频带， 从而中断无线电用户的占用行为。

优选地，所述步骤三包括以下步骤：步骤三十一，假定有n个空闲频带和m个需 切换的无线电用户，即n个空闲频带对m个等待触发的次级用户进行策略博弈，从而选 出最优的策略集合，n和m都属于大于零的自然数；步骤三十二，假定每个空闲频带i 均可预测与其绑定的授权用户返回之前，频带空闲的时间长度为T_预i，其预测的准确度 为P_i；步三十三，假定每个无线电用户j完成当前任务需要占用频带的时间T_占j，告知 所有的空闲频带。

优选地，所述步骤四包括以下步骤：步骤四十一，选出博弈者集合N；步骤四十二， 根据现有的任务要求与资源限制，选出策略集S_n；步骤四十三，确定收益函数U_n，为 整个的博弈过程设置一个收益。

优选地，所述步骤三十一博弈者集合N就是所有的空闲频带。

优选地，所述收益函数U_n满足以下公式：

其中，s为策略组合矩阵，T_真i为频带i实际空闲的时间长度。

优选地，所述步骤五包括如下步骤：步骤五十一，给出博弈过程的纳什均衡的定 义；步骤五十二，根据定义，推导纳什均衡的具体形式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明尽可能少的降低认知无 线电用户的频谱切换次数，从而保证了次级用户的QoS，同时也降低了对授权用户的干 扰。本发明主要针对认知无线电网络中的频谱移动性管理，当用户需求或外部环境发生 变化而导致原先使用的频段变得不可用时，就需要重新选择一个可用的频段，通过频谱 空洞之间的相互博弈，从而每个频谱空洞抓取一组最合适的认知无线电用户，从而减少 了频谱切换的次数，提高了频谱的利用率，也在一定程度上减少了对授权用户的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于博弈论的频谱移动性管理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于博弈论的频谱移动性管理方法包括以下步骤：步骤一：对 等待触发的无线电用户和空闲频带进行初始化；步骤二：频带空闲时间、无线电用户占 用频带时间的相关参数进行获取；步骤三：对整个频带管理系统的预期收益进行确定； 步骤四：以预期收益为目标，做出一系列的初始策略集；步骤五，验证此策略集是否满 足纳什均衡，若不满足，则对策略集进行相应调整，直至满足纳什均衡的条件为止，进 而输出收敛的最佳策略集。

其中，所述步骤一包括如下步骤：步骤十一，明确空闲频带为博弈的领导者；步骤 十二，明确等待触发的无线电用户为博弈的追随者；步骤十三，明确授权用户为博弈 的相关者。

所述步骤三包括如下步骤：步骤三十一，假定有n个空闲频带和m个需切换的无线 电用户(n，m都属于大于零的自然数)，即n个空闲频带对m个等待触发的次级用户 进行策略博弈，从而选出最优的策略集合；步骤三十二，假定每个空闲频带i均可预测 与其绑定的授权用户返回之前，频带空闲的时间长度为T_预i，其预测的准确度为P_i；在 频带初始化的过程中，每个频带都会绑定一个授权用户，通过对授权用户属性消息的获 知，来粗略的得出授权用户的离开时间，即此段频谱空闲的时间。其中加入对预测结果 的准确度，使博弈者通过博弈过程来做出更加准确的判断；步骤三十三，假定每个无线 电用户j完成当前任务需要占用频带的时间T_占j，可通过某种方式告知所有的空闲频带。 每个空闲频带可以获得每个待触发的无线电用户在完成自身任务的情况下，占用频谱的 最短时间开销。将此信息与频带的空闲时间相结合，便可作为下一阶段频带为用户分配 子信道的依据。所述步骤四包括如下步骤：步骤四十一，选出博弈者集合N，即确定在 初始化后所有的空闲频带，博弈者集合N就是所有的空闲频带；步骤四十二，根据现有 的任务要求与资源限制，做出一系列合理的分配策略，并将所有的策略合并成策略集 S_n＝(k_n,1，k_n,2……k_n,M)^T；步骤四十三，确定收益函数U_n，为整个的博弈过程设置一 个收益，每一阶段的博弈结果都要尽量将此收益最大化。所述步骤五包括如下步骤：步 骤五十一，给出上述博弈过程的纳什均衡的定义；步骤五十二，根据定义，推导纳什均 衡的具体形式，即证明纳什均衡的充分条件与必要条件，从而得出可以使收益最大化的 策略。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步信息描述，整个发明实现过程 如下：

步骤1：对等待触发的无线电用户和空闲频带进行初始化，即明确博弈过程中的不 同角色

当多个空闲频带面对多个需要触发的无线电用户时，空闲频带作为博弈的领导者要 主动进行博弈，根据自身的特点以及无线电用户的不同属性，做出相对合适的策略，即 选择出一个适合自己的无线电用户，使其占用自己所属的空闲频带；闲置的认知无线电 用户是此次博弈过程中的追随者，它向空闲频带呈现出自己的所有属性值，以便于空闲 频带能够做出一系列的策略集，并择优选择；授权用户作为博弈过程的相关者，授权用 户会在某一时间返回自己的授权频带，从而中断无线电用户的占用行为。因此授权用户 的自身属性也会对博弈模型中的策略集产生影响，因此我们把它定义为博弈过程的相关 者。

步骤2：频带空闲时间、无线电用户占用频带时间的相关参数进行获取，即明确博 弈过程中的相关参数

假设每个空闲频带都是自私的，各空闲频带独立地选择一个无线电用户，将自己所 属频谱空洞的利用率最大化。在本次发明中，我们将此过程建模为静态的非合作博弈， 记作下面给出该博弈论的详细参数描述：假定此次博弈过程中 有n个空闲频带，m个需要处理的无线电用户。由于每一个空闲频带的绑定授权用户会 在某一时刻返回占用频带，因此空闲频带i会对其授权用户返回信道之前，频带空闲的 时间长度作出预测，即数值T_预i，由于此数值只是存在于假定的前提下，为了更进一步 接近实际状况，我们还定义了预估值的准确度P_i。除此之外，我们还定义了第二个假设， 每个无线电用户j完成当前任务所需要的频带占用时间T_占j，会通过某种方式告知所有 参与博弈的空闲频带，以便它们做出合理的选择。

步骤3：对整个频带管理系统的预期收益进行确定；

步骤4：以预期收益为目标，做出一系列的初始策略集，建立博弈模型

(1)选出博弈者集合N

根据之前所述，决策的主体是链路中的空闲频带，博弈者集合N就是所有的空闲频 带。

(2)选出策略集S_n

每个博弈者的策略是选择一组待触发的无线电用户。为了叙述简便，引入变量k_n,c表示博弈者n是否选择信道c，即k_n,c＝1表示博弈者n选择无线电用户c，k_n,c＝0则表示 不选。因此，博弈者n的策略集s_n可以表示为式(1.1)：

s_n＝(k_n,1k_n,2……k_n,M)^T               (1.1)

其中，k_n,c∈{0,1}，任取c∈C。其中T表示矩阵的转置。

由于每个空闲频谱只有一段可用资源，且每段可用资源选择的无线电用户不能超过 其总数，因此每位博弈者n的策略如下约束：相应的，每个博弈者n的策 略集S_n可以表示为S_n＝{(x₁，……，x_M)|Σ_ix_i≤m x_i∈{0,1}任取i}。x_i＝0表示不选空闲 信道i，x_i＝1表示选中空闲信道i。

所有的博弈者选择的策略一起构成一个策略组合，记为s，即式(1.2)：

                                                (1.2)

其中，k_n,c∈{0,1}，任取n∈N，c∈C，且即策略组合矩阵中每个元 素只能取0或1，且每一列之和不能超过选择的无线电用户数。

(3)确定收益函数U_n

首先算出频带i实际空闲的时间长度T_真i，初始表达式为式(1.3)：

根据式(1.3)推导出

另外得到收益函数U_n满足以下式(1.4)：

其中，s为策略组合矩阵。

给定式(1.2)所示的策略组合矩阵s，则空闲频带n在链路上获得的频带使用率可 表示为式(1.5)：

                                                   (1.5)

其中，表示空闲频带n选择的无线电用户需要占用频带的总的时间长 度。由于每个空闲频带都是尽力而为型的，即每个空闲频带都渴望获得最大的频带占用 率，因此可将博弈者n的收益函数定义为其获得的总的频带占用率，即U_n(s)＝R_n(s)， 任取n∈N。

每个博弈者的目标是选择一个最优的策略使自身收益函数最大化，给定其他博弈者 的策略组合s_-n*＝argmaxR_n(s_n，s_-n)，s_n∈S_n，其中，s_-n＝(s₁，……，s_n-1，s_n+1，……， s_N)。

步骤5：进行均衡性分析，验证此策略集是否满足纳什均衡

首先，给出本发明中非合作博弈的纳什均衡定义P。对于非合作博弈策略组合s*_n＝(s*₁，……s*_n-1，s*_n+1，……，s*_N)是一个纳什均衡，当 且仅当对于每个博弈者n来说，下式(1.6)成立：

$R_n(s_n^{*},s_{-n}^{*})\ge R_n(s_n,s_{-n}^{*}),$任取s_n∈S_n                (1.6)

其中，s^*_-n＝(s^*₁，……s^*_n-1，s^*_n+1，……，s^*_N)。

然后，我们对纳什均衡成立的必要条件进行分析。根据上述定义，纳什均衡策略组 合由所有博弈者的最优策略组成，也就是说当给定其他博弈者策略时，不会有任何一个 博弈者可以增加自身的收益，从而不会有任何一方会尝试去打破这种平衡。我们不难看 出，倘若策略集s＝(s₁，……，s_N)是一个纳什均衡，则对于任意的无线电用户e和f， 有下面的条件成立：空闲频带选择的无线电用户i的T_占i呈现单调减趋势，其中T_占i为 无线电用户i完成剩余任务而需占用的频带时间。

接下来对此成立条件进行简单证明。使用反证法，假设T_占i呈现单调增趋势，且策 略组合s下空闲频带获得的总占用率为R_n⁰，则当n将其位于无线电用户e上的频带切 换到无线电用户f时，其策略变为k_n,e＝0，k_n,f＝1，对于任意的k_n,i不改变；其 获得的频带总利用率为由于T_占e＜T_占f，因此R_n’＞R_n⁰。也就是 说，博弈者n可以增加其频带的利用率。由此证明，对于任意一个策略组合，若其为纳 什均衡，则策略选择的无线电用户T_占i必呈现单调减趋势。

最后，我们对纳什均衡成立的充分条件分析。如果策略集s＝(s₁，……，s_N)满足 下面两个条件，则它是一个纳什均衡：(1)对于任意博弈者n∈N，其获得的频带资源 与可占用时间均能完成当前任务需求。(2)策略选择的无线电用户T_占i呈现单调减趋势。

使用反证法进行证明。假设策略集合s不是纳什均衡，则至少有一个博弈者可以通 过改变其策略来提升整体的频带利用率。根据条件(1)知博弈者n在当前的资源限制 下可以完成任务，因此有两种方法改变其策略：一是放弃占用的频带资源；二是将当前 的频带切换到其他的空闲可用频带。很显然，第一种会降低频带的利用率，接下来证明 第二种方法也无法提高频带的利用率。

令策略组合s下空闲频带获得的总占用率为R_n⁰，则当博弈者n将其位于无线电用 户e上的频带切换到无线电用户f时，其策略变为k_n,e＝0，k_n,f＝1，对于任意的k_n,i不改变；其获得的频带总利用率为由于T_占e＜T_占f，因此R_n’ ＞R_n⁰。也就是说，博弈者n可以增加其频带的利用率。因此当满足上述两个条件的策 略集组合是纳什均衡。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。