IEEE 802.22 WRAN网络中基于拍卖的频谱租借算法
摘 要:在IEEE 802.22 WRAN网络中,基站间的频谱共享是一个重要的研究方向。若每个WRAN基站伺机占用信道,将带来信道分配不均的问题。利用拍卖理论激励基站间平衡信道分配,提出一种动态的频谱租借算法。该算法将频谱共享情况建模为一个拍卖基站和多个竟拍基站的拍卖模型,同时考虑竟拍基站间的信道需求和拍卖基站的收益,建立频谱共享的数学优化模型。仿真结果表明,与已有的频谱拍卖机制相比,该算法能获得较高的拍卖收益。
关键词:IEEE 802.22;WRAN;频谱共享;频谱拍卖
中图分类号:TN911 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)03-076-02
Spectrum Auction Algorithm in IEEE 802.22 WRAN Network
LI Hongyan
(College of Information Science & Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou,450000,China)
Abstract:In IEEE 802.22 WRAN networks,spectrum sharing among different cells is an important problem.Aiming at efficiently solving the spectrum sharing problem,a dynamic spectrum renting scheme is proposed.Based on auction theory in microeconomics,the proposed algorithm models the spectrum sharing as an auction problem which includes one offering base station and multiple renting base stations.Simulation results show that the algorithm obtains higher spectrum utilization and higher auction benefit,and guarantees no interference between competitive WRAN base stations.
Keywords:IEEE 802.22;WRAN;spectrum sharing;spectrum auction
0 引 言
IEEE 802.22是第一个利用认知无线电技术[1,2]的无线通信标准,该标准的主要目标是在不对电视等授权系统造成有害干扰的情况下,动态利用空闲的电视频段来实现农村和偏远地区的无线宽带接入[3-8]。基于IEEE 802.22空中接口的无线通信网络具有较大的小区半径,所以被称为无线区域网(Wireless Regional Area Network,WRAN)。WRAN网络工作在54～862 MHz的VHF/UHF广播电视频段,是一种点到多点的网络,可用在多小区和单小区频率复用系统,每个小区由一个基站控制多个用户设备(CPEs)组成。
WRAN小区间的频谱共享是IEEE 802.22标准考虑的一个重要方面。本文探讨WRAN基站间的频谱共享问题,提出一种基于拍卖理论的动态频谱租借机制,解决了基站间的频谱接入竞争问题,平衡了基站间的信道分配,提高了频谱共享效率。
1 系统模型
如图1所示,在IEEE 802.22 WRAN网络中,当多个基站的覆盖范围相互重叠时,如果同时接入相同的频谱机会时,基站间就会相互干扰。在基站间不相互协调的情况下,每个基站都会为了满足自己的利益而抢占尽可能多的信道,因而,必然造成小区间的信道分配不均,有的小区信道剩余,有的小区信道不足。基站的贪婪特性使得它不愿主动让出多余信道,为了鼓励基站间平衡信道分配,需要设计某种激励机制,以刺激资源剩余的基站主动将信道转让给资源不足的基站,实现WRAN系统中小区间的频谱共享。
图1 相互重叠的WRAN小区
基于上述思路,考虑到拍卖理论在平衡资源需求和激励资源共享方面的独特优势,本文提出一种基于拍卖理论的动态频谱租借机制。图2为WRAN基站间的频谱拍卖示意图,图中包括两类基站,一个愿意出租信道的拍卖基站和多个愿意租借信道的竟拍基站。在每一轮拍卖中,首先,拍卖基站广播待拍卖的信道信息和单位信道的最低报价;然后,与其相邻的竟拍基站发送频谱租借量、租借时间以及单位信道的报价;最后,拍卖基站按照一定规则为所有竟拍基站分配资源。在拍卖过程中,竟拍基站采用信誉币(Credit Token,CT)[9,10]的形式给出报价,CT是一种虚拟的货币,通过频谱拍卖,可以提高拍卖基站的频谱利用率和竟拍基站的服务质量,同时解决竟拍基站间的频谱竞争问题。
图2 WRAN基站间的频谱拍卖示意图
2 问题描述
拍卖的最终目标是实现商品的最大价值,在本文的拍卖中,拍卖收益不仅与竟拍基站的报价有关,而且还受到以下因素的影响:竞拍基站的干扰约束,即相互重叠的基站不能同时使用相同的信道;竞拍基站的信道重用,即无重叠区域的基站可以同时使用相同的信道。因而,拍卖基站在分配频谱资源时,除了考虑各竟拍基站的报价外,还要考虑在满足干扰约束的情况下尽量增大信道的重用。
假定竟拍基站的集合为N,N={1,2,…,n};待拍卖信道的集合为M,M={1,2,…,m};竟拍基站i的可用信道集合为Fi。竟拍基站的干扰约束描述如下:对于任意的两个竟拍基站i,j∈N,任意的一条信道c∈M,用ri,j,c代表基站i,j在信道c上的干扰情况,ri,j,c∈{0,1},ri,j,c=1表示i和j在信道n上相互干扰,否则,表示无干扰。用fi,c代表基站i使用信道c的情况,fi,c∈{0,1},fi,c=1表示i使用信道c。
当拍卖基站接收到竟拍基站的报价和频谱需求信息,并获知竟拍基站的干扰约束后,动态频谱拍卖问题就变成在满足干扰约束下分配信道以尽可能提高拍卖收益,可用式(1)描述:
maxmizefi,c ∑ni=1∑mi=1fi,cpis.t. fi,c+fj,c≤1,if ri,j,c=1(1)
3 基于拍卖的频谱租借算法
拍卖算法的步骤为:
(1) 拍卖基站广播出租信息:信道数目、单位信道的最低报价p;
(2) 竟拍基站发送租用请求:给出报价pi,pi≥p,以及信道需求量;
(3)拍卖基站分配信道:
① 按照下式从集合N中选择一个竟拍基站k;
k=argmaxi∈Npi∑nj≠ij=1∑mc=1ri,j,c+1
② 按照k的需求为其分配信道;
③ 更新竟拍基站集合:N=N-{k};
④ 更新竟拍基站j的可用信道集合:如果rk,j,c=1,将已分配信道从Fj中删除;
⑤ 如果N≠,返回步骤①。
4 仿真与性能分析
通过仿真对比验证本文所提动态频谱租借算法的性能。考虑一个由6个小区组成的WRAN网络场景,包括一个拍卖基站,5个竟拍基站。基站随机分布在归一化的正方形区域上。待拍卖信道数为4,假定所有基站具有相同的发射功率、相同的覆盖半径,小区的半径设置为0.1。如果两个竟拍基站的距离小于0.2,则认为它们相互干扰。假定拍卖基站规定的最低报价为0.5,竟拍基站在区间[0.5,1]内随机选择一个报价。在上述网络场景下,对算法的拍卖收益R进行性能分析。R的定义为:
R=∑ni=1∑mc=1fi,cpi
由于网络拓扑决定了基站间的干扰情况,而干扰约束在本文算法中起到重要作用,因此,不同的网络拓扑对算法性能有较大影响。这里采取随机生成拓扑的方法,模拟了20个随机选取的网络拓扑下本文算法的性能。仿真对比了本文算法与文献[3]中的频谱拍卖机制的性能区别。仿真结果如图3所示,可见,本文算法的拍卖收益和频谱利用情况都优于文献[3]的算法,这是因为文献[3]的算法仅按照报价高低分配信道,而本文算法不仅考虑了报价,而且考虑了竟拍基站间的干扰约束,优先为报价高且干扰少的基站分配信道,能够提高频谱的重用率。
图3 拍卖收益对比5 结 语
本文针对WRAN网络中基站间的频谱共享问题,提出一种基于拍卖理论的动态频谱租借机制。该机制首先将频谱共享问题建模为一个拍卖基站和多个竟拍基站的拍卖模型,然后提出一种动态频谱租借算法,最后,通过仿真分析比较了本文算法与文献[3]的频谱拍卖机制的拍卖收益,结果表明,考虑了干扰约束的本文算法能取得更高的拍卖收益。
参考文献
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