基于用户预算和服务质量的动态频谱接入

基于用户预算和服务质量的动态频谱接入 摘要在动态频谱接入网络中，如何通过频谱地图有效地获得频谱 的使用是一个亟待解决的问题。目前主要通过频谱运营商将可用频段销售 给用户的方式实现频谱接入。针对用户的实际支付能力和服务质量QoS 需求不同，提出联合预算和功率控制方案。将运营商和用户建模成两阶段 的Stackelberg博弈模型，运营商根据用户的预算和QoS需求动态调整频 谱价格，用户根据频谱价格改变自己的需求，最后证明了用户和运营商最 大收益的纳什均衡解的存在性和唯一性。仿真结果表明在多次交换信息 后，用户预算的总和是整个网络收益的上限，用户和运营商均能获得最大 收益且达到纳什均衡。 关键词动态频谱接入；博弈论；频谱地图；认知无线电；纳什均衡; 预算 中图分类号TN929. 5文献标志码A 0引言 随着无线通信技术的发展，人们对用频业务的服务质量Quality of Service, QoS需求不断增加，导致了全新的无线频谱业务飞速发展。 然而，有限的频谱资源随着用频需求的膨胀正面临着枯竭的危险。为了解 决这个问题，人们开始研究新的技术一一认知无线电[1],该技术能够使 设备灵活地调整参数，适应不断变化的电磁环境，从而提高频谱利用率。 但是，如何动态地调整参数，快速适应电磁环境的变化还是一个挑战。因 此，动态频谱接入Dynamic Spectrum Access, DSA技术开始受到关 注。 DSA是一种能有效提高频谱利用率的新技术［2-3］。在一个典型的DSA 网络中，次用户Secondary User, SU能够感知频谱空洞或频谱机会， 如果这段频谱没有被主用户Primary User, PU占用，次用户就可以 使用这段频谱，但是不能对主用户造成干扰。根据利用资源的方式，DSA 网络可分为集中式和分布式。在集中式DSA网络中，频谱提供商根据感知 结果将未使用的频谱资源分配给次用户［4］,其主要目的是获得频谱利用 率和公平性的折中。如IEEE 802. 22中提到的无线区域网络Wireless Regional Area Network, WRAN使用的电视频段，其中，基站扮演着频 谱提供商的角色。最近，美国联邦通信委员会出台了一项政策，允许非授 权设备通过接入频谱地图获得诸如空闲电视频段等频谱的信息［5］。这些 信息包含了信道条件、地理位置、干扰等级等频谱相关信息，并且这些信 息可通过基站或传感器从无线网络中获得。当次用户需要传输数据时，只 需要接入频谱地图获得信道信息，比如哪条信道没有被占用，哪条信道干 扰最小，而不需要自己去感知信道信息，这无疑减少了次用户的开销，但 是如何为数量庞大的次用户有效地分配这些空闲的频谱资源仍然是一个 巨大的挑战，也是现在研究的热点问题。博弈论是一种能够有效解决多用 户竞争场景的工具，并且已被广泛应用于现在的许多课题研究［6-8］ o文 献［7］提出了一种基于Stackelberg博弈的最优频谱分配与定价策略，通 过建立基站与用户之间的博弈，分析了资源定价与用户需求的关系，最大 化宏基站与家庭基站的频谱效益。为了提高异构网络的网络利用率和数据 传输速率，文献［8］提出了一种博弈竞争选择算法。文献［9］提出了基于空 间电视频谱地理位置地图的商业模型，并研究了最佳频带预留策略。文献 ［10］将主用户和次用户建模成一个双层博弈模型并提出了收益共享的资 源分配策略，使得运营商之间最终达到双赢的局面。文献［11］考虑了次用 户预算，实现了用户服务质量和频谱运营商收益的折中。 目前为止，鲜见文献同时研究用户效益和用户支付能力之间的关系。 本文用两阶段Stackelberg博弈模型研究了用户和频谱运营商之间的关 系。每个用户有不同的预算值和QoS需求，并证明了每个阶段的子博弈均 能收敛到纳什均衡解；同时，提出了联合预算和功率控制策略，分别研究 了用户的预算和功率对用户和频谱运营商各自收益的影响。 4仿真与结果分析 根据提出的算法1求解最优价格策略，可以发现用户和运营商的收益 可以达到纳什均衡，同时可以看到预算对用户和运营商各自收益的影响。 首先分析达到纳什均衡时运营商和整个网络各自的收益。网络中有3 个频谱运营商和4个用户。用户均使用码分多址Code Division Multiple Access, CDMA技术进行传输。每个信道固定带宽为常数1,每个用户的 预算分别为 Bll, B22, B34, B45。初始价格 P tl {0. 98, 0.94, 0.90}, 最低信噪比 gmin{gminn, m}4X3［0. 3, 0. 2, 0. 1； 0. 6, 0. 5, 0. 4； 0. 9, 0. 8, 0. 7； 1. 2, 1.1, 1.0］, 容限因子 e 0. 001, 3 个运营商 的空间容量为① {18, 20, 22} o图24分别表示达到纳什均衡时运营商 的价格，运营商的收益以及整个网络的收益。在图2中，3个运营商同时 降低价格，希望吸引更多的用户从而获得更多的收益。然而，当迭代次数 t10以后随着迭代次数的增加价格降低的速度减缓。这是因为在t10之 前，运营商制定的价格过高，导致用户所获得的收益不能满足自身要求， 因此只有少数用户选择了运营商提供的频谱。 从图3中可以进一步看到，本文方案之下，运营商的收益随着价格的 降低而增加，但是在t10之前，他们的收益都很低。因为每个用户都有 不同服务需求和不同的预算，并且预算代表着用户的支付能力。当运营商 制定的价格超过了用户的支付能力或者不能满足用户需求（UnWO）,就不 会有用户接入信道，从整个网络来看造成了利益的损失。因此，运营商必 须根据用户的需求和支付能力调整他们各自的价格策略获得更多的收益。 此外，运营商3相比其他人能得到更多的收益，不仅是因为他的价格更低, 而且他的网络容量①3是最高的，这表明运营商3能为更多的用户提供服 务。 从图4中可以看到当运营商的价格策略达到纳什均衡，整个网络能获 得最大收益。需要注意的是网络最大收益是11.9660,而整个网络中用户 的预算之和是12,这表明所有用户的预算之和是整个网络收益的上限值。 在图5中，比较了用户预算总和为12和18时网络的收益情况，当预算总 和为18时，网络收益为17. 9459。因此，如果网络要获得更多的收益，运 营商就必须制定出最佳的策略吸引更多的用户选择他们提供的服务；如果 运营商不能制定出合适的策略，网络就会失去客户，而无法得到最大的收 益。接下来要分析用户的收益，参数设置和之前的设置相同。从图 6〜7中可看出本文方案下每个用户的收益和信噪比需求都能收敛到纳什 均衡，随着运营商价格的降低，更多的用户开始选择运营商提供的服务。 如同之前的分析，如果价格超过了用户的预算或提供的服务不能满足用户 的需求（UnWO）,用户就不会购买任何运营商的频谱（gnO）。此外，由 于功率的控制，拥有高发射功率的用户也许并不能达到最大的收益，如图 7所示。这表明支付能力高的用户需要更高的服务质量需求和更高的发射 功率。如果他想提高发射功率，就必须