IEEE 802.22 WRAN網絡中基于拍賣的頻譜租借算法

摘 要:在IEEE 802.22 WRAN網絡中，基站間的頻譜共享是一個重要的研究方向。若每個WRAN基站伺機占用信道，將帶來信道分配不均的問題。利用拍賣理論激勵基站間平衡信道分配，提出一種動態的頻譜租借算法。該算法將頻譜共享情況建模為一個拍賣基站和多個竟拍基站的拍賣模型，同時考慮竟拍基站間的信道需求和拍賣基站的收益，建立頻譜共享的數學優化模型。仿真結果表明，與已有的頻譜拍賣機制相比，該算法能獲得較高的拍賣收益。

關鍵詞:IEEE 802.22;WRAN;頻譜共享;頻譜拍賣

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號: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是第一個利用認知無線電技術[1，2]的無線通信標準，該標準的主要目標是在不對電視等授權系統造成有害干擾的情況下，動態利用空閑的電視頻段來實現農村和偏遠地區的無線寬帶接入[3-8]。基于IEEE 802.22空中接口的無線通信網絡具有較大的小區半徑，所以被稱為無線區域網(Wireless Regional Area Network，WRAN)。WRAN網絡工作在54～862 MHz的VHF/UHF廣播電視頻段，是一種點到多點的網絡，可用在多小區和單小區頻率復用系統，每個小區由一個基站控制多個用戶設備(CPEs)組成。

WRAN小區間的頻譜共享是IEEE 802.22標準考慮的一個重要方面。本文探討WRAN基站間的頻譜共享問題，提出一種基于拍賣理論的動態頻譜租借機制，解決了基站間的頻譜接入競爭問題，平衡了基站間的信道分配，提高了頻譜共享效率。

1 系統模型

如圖1所示，在IEEE 802.22 WRAN網絡中，當多個基站的覆蓋范圍相互重疊時，如果同時接入相同的頻譜機會時，基站間就會相互干擾。在基站間不相互協調的情況下，每個基站都會為了滿足自己的利益而搶占盡可能多的信道，因而，必然造成小區間的信道分配不均，有的小區信道剩余，有的小區信道不足。基站的貪婪特性使得它不愿主動讓出多余信道，為了鼓勵基站間平衡信道分配，需要設計某種激勵機制，以刺激資源剩余的基站主動將信道轉讓給資源不足的基站，實現WRAN系統中小區間的頻譜共享。

圖1 相互重疊的WRAN小區

基于上述思路，考慮到拍賣理論在平衡資源需求和激勵資源共享方面的獨特優勢，本文提出一種基于拍賣理論的動態頻譜租借機制。圖2為WRAN基站間的頻譜拍賣示意圖，圖中包括兩類基站，一個愿意出租信道的拍賣基站和多個愿意租借信道的竟拍基站。在每一輪拍賣中，首先，拍賣基站廣播待拍賣的信道信息和單位信道的最低報價;然后，與其相鄰的竟拍基站發送頻譜租借量、租借時間以及單位信道的報價;最后，拍賣基站按照一定規則為所有竟拍基站分配資源。在拍賣過程中，竟拍基站采用信譽幣(Credit Token，CT)[9，10]的形式給出報價，CT是一種虛擬的貨幣，通過頻譜拍賣，可以提高拍賣基站的頻譜利用率和竟拍基站的服務質量，同時解決竟拍基站間的頻譜競爭問題。

圖2 WRAN基站間的頻譜拍賣示意圖

2 問題描述

拍賣的最終目標是實現商品的最大價值，在本文的拍賣中，拍賣收益不僅與竟拍基站的報價有關，而且還受到以下因素的影響:競拍基站的干擾約束，即相互重疊的基站不能同時使用相同的信道;競拍基站的信道重用，即無重疊區域的基站可以同時使用相同的信道。因而，拍賣基站在分配頻譜資源時，除了考慮各竟拍基站的報價外，還要考慮在滿足干擾約束的情況下盡量增大信道的重用。

假定竟拍基站的集合為N，N={1，2，…，n};待拍賣信道的集合為M，M={1，2，…，m};竟拍基站i的可用信道集合為Fi。竟拍基站的干擾約束描述如下:對于任意的兩個竟拍基站i，j∈N，任意的一條信道c∈M，用ri，j，c代表基站i，j在信道c上的干擾情況，ri，j，c∈{0，1}，ri，j，c=1表示i和j在信道n上相互干擾，否則，表示無干擾。用fi，c代表基站i使用信道c的情況，fi，c∈{0，1}，fi，c=1表示i使用信道c。

當拍賣基站接收到竟拍基站的報價和頻譜需求信息，并獲知竟拍基站的干擾約束后，動態頻譜拍賣問題就變成在滿足干擾約束下分配信道以盡可能提高拍賣收益，可用式(1)描述:

maxmizefi，c ∑ni=1∑mi=1fi，cpis.t. fi，c+fj，c≤1，if ri，j，c=1(1)

3 基于拍賣的頻譜租借算法

拍賣算法的步驟為:

(1) 拍賣基站廣播出租信息:信道數目、單位信道的最低報價p;

(2) 竟拍基站發送租用請求:給出報價pi，pi≥p，以及信道需求量;

(3)拍賣基站分配信道:

① 按照下式從集合N中選擇一個竟拍基站k;

k=argmaxi∈Npi∑nj≠ij=1∑mc=1ri，j，c+1

② 按照k的需求為其分配信道;

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，將已分配信道從Fj中刪除;

⑤ 如果N≠，返回步驟①。

4 仿真與性能分析

通過仿真對比驗證本文所提動態頻譜租借算法的性能。考慮一個由6個小區組成的WRAN網絡場景，包括一個拍賣基站，5個竟拍基站。基站隨機分布在歸一化的正方形區域上。待拍賣信道數為4，假定所有基站具有相同的發射功率、相同的覆蓋半徑，小區的半徑設置為0.1。如果兩個竟拍基站的距離小于0.2，則認為它們相互干擾。假定拍賣基站規定的最低報價為0.5，竟拍基站在區間[0.5，1]內隨機選擇一個報價。在上述網絡場景下，對算法的拍賣收益R進行性能分析。R的定義為:

R=∑ni=1∑mc=1fi，cpi

由于網絡拓撲決定了基站間的干擾情況，而干擾約束在本文算法中起到重要作用，因此，不同的網絡拓撲對算法性能有較大影響。這里采取隨機生成拓撲的方法，模擬了20個隨機選取的網絡拓撲下本文算法的性能。仿真對比了本文算法與文獻[3]中的頻譜拍賣機制的性能區別。仿真結果如圖3所示，可見，本文算法的拍賣收益和頻譜利用情況都優于文獻[3]的算法，這是因為文獻[3]的算法僅按照報價高低分配信道，而本文算法不僅考慮了報價，而且考慮了竟拍基站間的干擾約束，優先為報價高且干擾少的基站分配信道，能夠提高頻譜的重用率。

圖3 拍賣收益對比5 結 語

本文針對WRAN網絡中基站間的頻譜共享問題，提出一種基于拍賣理論的動態頻譜租借機制。該機制首先將頻譜共享問題建模為一個拍賣基站和多個竟拍基站的拍賣模型，然后提出一種動態頻譜租借算法，最后，通過仿真分析比較了本文算法與文獻[3]的頻譜拍賣機制的拍賣收益，結果表明，考慮了干擾約束的本文算法能取得更高的拍賣收益。

參考文獻

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