认知无线网络中诚信频谱拍卖机制研究

发布时间：2017-09-11 19:38

  本文关键词：认知无线网络中诚信频谱拍卖机制研究

  更多相关文章： 动态频谱接入 认知无线电网络 频谱共享 机制设计 频谱拍卖 诚信 假名投标 近似诚信

【摘要】：频谱是无线通信的重要媒介,是宝贵而稀缺的自然资源。近年来,随着无线通信的快速发展,频谱需求量的不断增加与频谱稀缺之间的矛盾日渐加深。基于认知无线电技术的认知无线网络被认为是实现动态频谱共享、缓解频谱供需矛盾的重要解决方案,其基本思想是允许授权用户将空闲的授权频谱开放给未授权用户使用。该背景下,如何高效地实现授权用户与未授权用户之间的频谱共享成为该领域的研究热点之一。频谱拍卖是借鉴经济学中的拍卖方法将空闲频谱进行配置,是当前实现频谱共享的有效方法。一方面,授权用户通过拍卖可以获得高利润收益而更乐意开放空闲频谱；另一方面,未授权用户均有机会获得频谱以满足通信需求。这种双赢局面有效促进了认知无线网络中频谱拍卖机制的研究。频谱拍卖设计的挑战在于既要满足诚信又要利用频谱复用性。前者鼓励用户按频谱的真实估值投标而不欺骗,以保证拍卖的公平性与高效性。后者表示一个频段/信道可同时分配给多个用户,是提高频谱利用率的核心所在。然而,频谱复用性将破坏传统拍卖设计的诚信属性。同时,频谱复用性使得寻求高效的分配方案变得更难。尽管当前已有较多研究工作研究了诚信频谱拍卖机制,但仍存在一些不足。首先,现有针对单步分配场景设计的诚信频谱拍卖机制,并未考虑频谱复用性,这大大牺牲了频谱利用率。其次现有研究工作大多专注于满足诚信属性,而忽略了其他因素对拍卖设计的影响,包括认知用户利用假名投标的潜在威胁和拍卖系统经济效率的重要性。针对上述问题,本文分别进行了深入研究并设计了相应的高效频谱拍卖机制。具体而言,本文的创新性贡献包括以下几个方面：(1)针对认知无线网络中频谱接入的单步分配场景,提出了一种诚信拍卖框架及解决方案TRUMP。在单步分配场景中,用户可以根据自身的Qos需求来确定竞争主或次接入权限。通过分析用户的QoS需求特征,提出了一种新颖的投标语言,支持用户QoS感知投标。随后证明了该场景下考虑频谱复用的最优频谱分配问题是NP难的,并提出了一种多项式时间的解决方案TRUMP。TRUMP是单步场景下首个既满足诚信又利用频谱复用的频谱拍卖机制。仿真结果表明,与基于现有机制的扩展设计相比,TRUMP能大幅提高拍卖效率与频谱利用率。(2)针对认知无线网络中用户利用多个虚假“身份”投标而操纵拍卖的问题,提出了抵制假名的诚信拍卖机制ALETHEIA。借助于认知无线电技术,用户易于生成多个“身份”,并利用这些身份投标。本文首先通过实验证明假名投标在频谱拍卖中很容易形成,且会严重影响拍卖的利润收益。针对该问题,设计了首个既能抵制假名投标又能保证诚信的拍卖机制ALETHEIA。 ALETHEIA设计灵活,运算复杂度低且支持多样化的频谱需求模式(包括严格请求和区间请求)。仿真结果表明,与基于现有机制的扩展设计相比,ALETHEIA能大幅提高拍卖效率和频谱利用率。(3)针对现有诚信频谱拍卖机制难以兼顾系统经济效率这一问题,通过引入经济学中近似诚信概念,设计了近似诚信拍卖机制。在考虑频谱复用的条件下,设计最优的诚信频谱机制通常是NP难的问题。对此,我们适当放松诚信的限制,以换取更高的经济效率,在诚信与效率之间实现平衡。具体而言,首先提出一种期望诚信的拍卖机制,保证用户作弊的额外收益在期望上是非正值。在此基础上,进一步提出一种难以操纵的拍卖机制,即用户要获得任何非负收益的作弊都是NP难的。这些拍卖机制虽不是严格诚信的,但却足以保证用户不选择作弊。仿真实验表明,相比现有的诚信拍卖机制,近似诚信机制能有效提高频谱利用率和经济效率。
【关键词】：动态频谱接入 认知无线电网络 频谱共享 机制设计 频谱拍卖 诚信 假名投标 近似诚信
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第一章 绪论16-25
• 1.1 研究背景16-19
• 1.1.1 频谱供需矛盾日益加剧16-17
• 1.1.2 认知无线网络概述17-19
• 1.2 研究问题与挑战19-21
• 1.3 本文的工作21-25
• 1.3.1 主要贡献22-23
• 1.3.2 组织结构23-25
• 第二章 相关工作25-34
• 2.1 频谱分配的相关研究25-29
• 2.1.1 基于博弈论的方法25-27
• 2.1.2 基于市场交易的方法27-29
• 2.1.3 其他方法29
• 2.2 频谱拍卖29-33
• 2.2.1 基本思想29-30
• 2.2.2 典型算法30-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 QoS感知的诚信频谱拍卖机制研究34-55
• 3.1 引言34-35
• 3.2 系统建模35-37
• 3.2.1 QoS感知拍卖35-36
• 3.2.2 网络模型36-37
• 3.3 问题描述37-39
• 3.3.1 设计目标37-38
• 3.3.2 形式化描述38-39
• 3.3.3 复杂度分析39
• 3.4 QoS感知的频谱拍卖机制设计39-48
• 3.4.1 分配算法设计40-41
• 3.4.2 定价算法设计41-49
• 3.4.3 理论分析49-48
• 3.5 TRUMP机制扩展48-49
• 3.5.1 分配算法48
• 3.5.2 定价算法48-49
• 3.5.3 论分析49
• 3.6 性能评估49-54
• 3.6.1 仿真方法49-50
• 3.6.2 频谱复用的影响50
• 3.6.3 用户多样化的影响50-51
• 3.6.4 TRUMP的性能51-53
• 3.6.5 公平性53-54
• 3.7 本章小结54-55
• 第四章 抵制假名投标的诚信频谱拍卖机制研究55-75
• 4.1 引言55-56
• 4.2 系统模型和设计目标56-58
• 4.2.1 系统模型56-57
• 4.2.2 设计目标57-58
• 4.3 假名投标对频谱拍卖的影响58-59
• 4.3.1 研究方法58
• 4.3.2 作弊模式58-59
• 4.3.3 假名作弊的影响59
• 4.4 设计挑战59-63
• 4.4.1 抵制假名与频谱复用性60-62
• 4.4.2 一个简单的抵制假名拍卖机制62-63
• 4.5 抵制假名投标的频谱拍卖机制设计63-69
• 4.5.1 ALETHEIA机制设计63-65
• 4.5.2 理论分析65-69
• 4.6 ALETHEIA扩展设计69-72
• 4.6.1 真值函数69
• 4.6.2 新作弊模式69-70
• 4.6.3 ALETHEIA-RG设计70
• 4.6.4 理论分析70-72
• 4.7 性能评估72-74
• 4.7.1 仿真方法72
• 4.7.2 性能测试72-73
• 4.7.3 代价测试73-74
• 4.8 本章小结74-75
• 第五章 基于近似诚信的频谱拍卖机制研究75-92
• 5.1 引言75-76
• 5.2 基本知识76-78
• 5.2.1 诚信与VCG机制77
• 5.2.2 近似诚信77-78
• 5.3 网络模型和问题定义78-79
• 5.3.1 网络模型78
• 5.3.2 问题定义78-79
• 5.4 期望诚信拍卖机制设计79-84
• 5.4.1 ETEX分配算法79-80
• 5.4.2 ETEX定价算法80-81
• 5.4.3 理论分析81-84
• 5.5 操纵困难的近似诚信拍卖机制设计84-87
• 5.5.1 HMA分配算法84-85
• 5.5.2 基于VCG的定价算法85
• 5.5.3 理论分析85-87
• 5.6 性能评估87-91
• 5.6.1 仿真方法87-88
• 5.6.2 近似诚信vs.诚信88-89
• 5.6.3 爬山策略的影响89-90
• 5.6.4 与最优结果比较90-91
• 5.7 本章小结91-92
• 第六章 总结与展望92-95
• 6.1 本文的贡献92-93
• 6.2 未来的研究方向93-95
• 致谢95-97
• 简历与科研成果97-100
• 参考文献100-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 马志W，

本文编号：832681