徐林林 朱曉榮②

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多運(yùn)營(yíng)商頻譜共享模型和租賃策略

徐林林①朱曉榮*①②

①(南京郵電大學(xué)江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210003)②(東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210003)

傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方式難以適應(yīng)未來(lái)無(wú)線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)和用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量受到限制。針對(duì)此問(wèn)題，該文建立了一個(gè)包括頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)層、運(yùn)營(yíng)商層及用戶(hù)層的多運(yùn)營(yíng)商頻譜共享模型。在該模型中，多個(gè)A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商將其多余頻譜放置在頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)，供B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃，B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商與多個(gè)A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商既競(jìng)爭(zhēng)用戶(hù)又共享部分頻譜。該文形成了以各類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)最大化為優(yōu)化目標(biāo)，以A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的頻譜出租量和B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃的頻譜種類(lèi)及數(shù)量為優(yōu)化變量的最優(yōu)化問(wèn)題，并求得最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，所提策略在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的同時(shí)，顯著提高頻譜資源利用率，并使運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)大幅增加。

頻譜共享；頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)；運(yùn)營(yíng)商；頻譜租賃；頻譜利用率

1 引言

在傳統(tǒng)的頻譜分配方式中，每個(gè)運(yùn)營(yíng)商都擁有各自的授權(quán)頻段，且這些頻段只允許被授權(quán)的運(yùn)營(yíng)商獨(dú)自使用，這種靜態(tài)頻譜分配方式導(dǎo)致頻譜利用率較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求。因此，需要進(jìn)行運(yùn)營(yíng)商間頻譜共享策略的研究，從而改善不同運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)在時(shí)間和空間、頻段上不平衡的問(wèn)題，提高頻譜利用率，緩解頻譜資源緊缺問(wèn)題。

頻譜共享被公認(rèn)為提高頻譜利用率的有效手段之一，相關(guān)的研究也在不斷深入。2001年，英國(guó)Surrey大學(xué)Leaves等人[1]最早提出動(dòng)態(tài)頻譜分配概念。動(dòng)態(tài)頻譜分配是實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)頻譜共享，提高頻譜利用率的根本手段，相關(guān)的頻譜分配方法不斷被提出。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于認(rèn)知的LTE系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻譜分配方法(Cog-DSA)，該方法利用基站間的相互協(xié)作獲得可用頻譜信息，為重負(fù)荷小區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜租賃及靈活選擇服務(wù)基站，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配。文獻(xiàn)[3]在考慮頻譜資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值因素的基礎(chǔ)上，提出了一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)頻譜管理機(jī)制及相應(yīng)頻譜分配算法，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源的動(dòng)態(tài)分配。由于動(dòng)態(tài)頻譜分配策略需改變現(xiàn)有頻譜分配總體結(jié)構(gòu)，目前在實(shí)現(xiàn)上還存在一定難度，頻譜共享技術(shù)[4]成為目前最有可能得到廣泛應(yīng)用的頻譜共享方法?，F(xiàn)有的研究成果中也不乏對(duì)于頻譜共享方法的研究與討論。例如，文獻(xiàn)[5]提出了一種頻譜拍賣(mài)機(jī)制，非授權(quán)與授權(quán)用戶(hù)作為買(mǎi)賣(mài)雙方構(gòu)成市場(chǎng)，通過(guò)買(mǎi)賣(mài)頻譜實(shí)現(xiàn)頻譜共享。文獻(xiàn)[6]提出了一種次級(jí)用戶(hù)(SU)之間的新的頻譜交易機(jī)制，在該機(jī)制中，SU可將它從主用戶(hù)(PU)處租賃的頻譜轉(zhuǎn)租給其他SU以降低租賃成本，從而在所有SU間實(shí)現(xiàn)頻譜共享。

在頻譜共享問(wèn)題中，運(yùn)營(yíng)商間頻譜共享[7]是解決不同運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)在時(shí)間和空間上不平衡問(wèn)題的重要手段。授權(quán)頻譜接入(LSA)共享技術(shù)[8]允許運(yùn)營(yíng)商與其他現(xiàn)存頻譜使用者(如運(yùn)營(yíng)商等)共享授權(quán)頻譜，這使不同運(yùn)營(yíng)商間共享授權(quán)頻譜成為可能。在兩層蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[9,10]中，宏小區(qū)運(yùn)營(yíng)商(MSP)通過(guò)向小小區(qū)運(yùn)營(yíng)商(SSP)支付相應(yīng)報(bào)酬，使小小區(qū)開(kāi)放部分頻譜以接入宏小區(qū)的用戶(hù)，從而提高兩層蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量。文獻(xiàn)[11]研究了兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)模型：兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商除了擁有各自的授權(quán)頻譜外，還共享一段非授權(quán)頻譜，兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)獲得最大化利潤(rùn)。在文獻(xiàn)[12]中，運(yùn)營(yíng)商向頻譜持有者購(gòu)買(mǎi)頻譜，并通過(guò)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)向用戶(hù)池中的用戶(hù)提供服務(wù)。

以上文獻(xiàn)均缺乏對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商間頻譜租賃策略的研究，針對(duì)此問(wèn)題，本文建立了一個(gè)包括頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)層、運(yùn)營(yíng)商層及用戶(hù)層的多運(yùn)營(yíng)商頻譜共享模型，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商間的頻譜資源及利益關(guān)系進(jìn)行分析，考慮了用戶(hù)公平性的因素，得到高效的頻譜租賃策略，在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下優(yōu)化各運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)，同時(shí)提高系統(tǒng)頻譜利用率。

2 系統(tǒng)模型

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)中，頻譜資源池收集供應(yīng)方提供的多余頻譜，并按需提供給需求方。在此基礎(chǔ)上，本文提出了頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)的概念。頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)擔(dān)任頻譜資源池的角色，收集頻譜供應(yīng)方提供的多余頻譜，并按需提供給需求方。本文針對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的頻譜共享模型進(jìn)行研究。假設(shè)系統(tǒng)中存在多個(gè)運(yùn)營(yíng)商：個(gè)運(yùn)營(yíng)商(運(yùn)營(yíng)商)有閑置頻譜，合稱(chēng)為A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商；個(gè)運(yùn)營(yíng)商(運(yùn)營(yíng)商)因頻譜資源不足而需向A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃頻譜，合稱(chēng)為B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商。一方面，A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商與B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商間存在合作共贏關(guān)系：A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)出租頻譜獲得額外利潤(rùn)；B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)向A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃頻譜以滿(mǎn)足用戶(hù)需求，同時(shí)獲得更大利潤(rùn)。另一方面，A類(lèi)與B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商之間存在競(jìng)爭(zhēng)用戶(hù)的問(wèn)題。因此需建立合理有效的數(shù)學(xué)模型對(duì)A類(lèi)與B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商間的頻譜租賃過(guò)程進(jìn)行研究，得到最佳租賃策略，使租賃雙方都能達(dá)到較高的滿(mǎn)意度，提高系統(tǒng)頻譜資源利用率。

本文建立了一個(gè)3層的系統(tǒng)模型。第1層為頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)層，頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)收集多個(gè)A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商提供的多余頻譜，并按需提供給多個(gè)B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商，同時(shí)雙向收取注冊(cè)費(fèi)用。第2層為運(yùn)營(yíng)商層，包括A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商與B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商：A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商將其多余頻譜放置在頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)，供B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃，同時(shí)收取租賃費(fèi)用。第3層為用戶(hù)層，用戶(hù)向運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)服務(wù)，并支付服務(wù)費(fèi)用。系統(tǒng)模型圖如圖1所示。圖中陰影部分表示A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商出租的頻譜。

圖1 系統(tǒng)模型圖

3 最優(yōu)化問(wèn)題建模及求解

多運(yùn)營(yíng)商頻譜租賃過(guò)程包括兩個(gè)階段。第1階段，A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商決定其最優(yōu)出租頻譜量(即放置在頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)的頻譜量)，使A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)得到最大化。第2階段，在已知頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)當(dāng)前可出租頻譜狀態(tài)的基礎(chǔ)上，B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商確定其最佳頻譜租賃策略，即在保證A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)最大化的前提下使B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)得到最大化。

定義用戶(hù)公平性為同一運(yùn)營(yíng)商對(duì)其所有用戶(hù)的服務(wù)價(jià)格相同，且提供的最低服務(wù)質(zhì)量差距滿(mǎn)足，此時(shí)可近似認(rèn)為該運(yùn)營(yíng)商提供給其所有用戶(hù)的最低服務(wù)質(zhì)量相等。設(shè)(單位頻譜/用戶(hù))為保證用戶(hù)正常通信的最低服務(wù)質(zhì)量要求。

3.1 A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商最優(yōu)的出租頻譜量

A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商需確定其最優(yōu)出租頻譜量，以保證自身利潤(rùn)最大化。運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)由經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和信譽(yù)度兩部分組成。A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)由為自身用戶(hù)提供服務(wù)所得利潤(rùn)，向B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商出租頻譜所得利潤(rùn)及向頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)支付的注冊(cè)費(fèi)用組成。運(yùn)營(yíng)商信譽(yù)度代表運(yùn)營(yíng)商的潛在市場(chǎng)價(jià)值，與其提供給自身用戶(hù)的最低性?xún)r(jià)比成正相關(guān)關(guān)系：定義為。其中，為運(yùn)營(yíng)商信譽(yù)度，為運(yùn)營(yíng)商提供給自身用戶(hù)的最低服務(wù)質(zhì)量，為運(yùn)營(yíng)商對(duì)自身用戶(hù)的服務(wù)價(jià)格，為運(yùn)營(yíng)商的用戶(hù)數(shù)，為可調(diào)系數(shù)(對(duì)所有運(yùn)營(yíng)商均相同)。因此，運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)可以表示為

(4)

3.2 B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的最佳頻譜租賃策略

第2階段，B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商在已知當(dāng)前頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)中可出租頻譜狀態(tài)的前提下，考慮自身用戶(hù)需求，選擇最佳租賃策略，在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的同時(shí)最大化自身利潤(rùn)。

B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商需向頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)租賃頻譜以滿(mǎn)足其用戶(hù)的服務(wù)需求。B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的用戶(hù)可分為兩部分：接入自身服務(wù)的用戶(hù)，稱(chēng)為1類(lèi)用戶(hù)；接入租賃服務(wù)的用戶(hù)，稱(chēng)為2類(lèi)用戶(hù)。B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的內(nèi)部用戶(hù)分布如圖2所示(以運(yùn)營(yíng)商為例)。其中，為運(yùn)營(yíng)商固有的頻譜資源數(shù)，為從頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)處租賃的頻譜資源數(shù)；為1類(lèi)用戶(hù)數(shù)，為2類(lèi)用戶(hù)數(shù)，滿(mǎn)足。

圖2 運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部用戶(hù)分布圖

需分兩種情況討論：

(2)當(dāng)前頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)中各種頻譜可出租量不均充足，即。

當(dāng)前頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)中各種頻譜可出租量不均充足時(shí)，3.2.1節(jié)情況(1)中的方法不適用。此時(shí)，運(yùn)營(yíng)商的頻譜租賃策略如下：

圖3 頻譜集結(jié)構(gòu)圖

(9)

(11)

(13)

其中，

3.3 相鄰周期間的用戶(hù)分布動(dòng)態(tài)變化

圖4 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商結(jié)構(gòu)圖

在已知系統(tǒng)用戶(hù)分布的前提下，可通過(guò)重復(fù)3.1節(jié)，3.2節(jié)中的步驟完成下一周期的頻譜租賃過(guò)程。由文獻(xiàn)[9]知，系統(tǒng)用戶(hù)分布最終達(dá)到一個(gè)Stackelberg均衡，即選擇每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的用戶(hù)比例趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí)，按照3.1節(jié)，3.2節(jié)中的步驟獲得的多運(yùn)營(yíng)商頻譜租賃策略也趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 仿真結(jié)果與分析

多運(yùn)營(yíng)商頻譜租賃過(guò)程中主要仿真參數(shù)如表1所示。本文仿真圖中頻譜量以單位計(jì)數(shù)，每單位頻譜為；利潤(rùn)及成本以具體收費(fèi)單位計(jì)數(shù)。

仿真給出了本文所提策略的性能曲線圖，包括：A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商(運(yùn)營(yíng)商)的利潤(rùn)，B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商(運(yùn)營(yíng)商)的租賃成本及利潤(rùn)，通過(guò)比較采用該策略前后的利潤(rùn)說(shuō)明所提策略的有效性。為分析該策略對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)性，本文考慮了B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商對(duì)A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的頻譜需求分別服從均勻及正態(tài)分布兩種情況。

圖6證明了結(jié)論1的合理性，圖中3條直線分別表示B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商僅租賃一種頻譜，租賃多種頻譜以及采取本文所提次優(yōu)租賃策略的成本大小。由圖知，頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)中各種頻譜可出租量均充足時(shí)，B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商同時(shí)租賃多種頻譜的成本高于僅租賃一種頻譜的成本約7.2%，而頻譜可出租量不充足時(shí)采取的次優(yōu)租賃方案(即本文所提租賃方案)產(chǎn)生的租賃成本僅高于可出租量均充足時(shí)僅租賃一種頻譜的成本約1.1%。由此可知本文所提出的次優(yōu)租賃策略的有效性。

表1 仿真參數(shù)

系統(tǒng)總用戶(hù)數(shù)10000 A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商數(shù), B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商數(shù)5,5 A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的頻譜資源(27.0, 28.5, 30.0, 31.5, 33.0) MHz 初始用戶(hù)分布 A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)定價(jià)52,46,42,38,34/單位頻譜 B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)定價(jià)30,30,30,30,30/單位頻譜 A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商平均頻譜租賃價(jià)格25,24,23,22,21/單位頻譜 頻譜退貨損失，頻譜額外管理費(fèi)用2/單位頻譜，2/單位頻譜 最低用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量1單位頻譜/用戶(hù) 權(quán)重0.8,0.2 系數(shù)30,0.01,25 注冊(cè)費(fèi)用2000

圖7表示B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商所選頻譜集(對(duì)應(yīng)不同最低服務(wù)質(zhì)量下界)對(duì)其利潤(rùn)的影響。由圖知，運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)隨著所租賃頻譜質(zhì)量的提高先增后減，曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最低服務(wù)質(zhì)量為最佳租賃頻譜集的最低服務(wù)質(zhì)量下界，此時(shí)B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)與未租賃頻譜時(shí)相比增加了約20.3%。由圖還可以看出，額外頻譜需求越大的B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商，其最佳租賃頻譜集的最低服務(wù)質(zhì)量下界相對(duì)越高，反之越低。這是由于，額外頻譜需求量較高時(shí)，其額外用戶(hù)需求較大，此時(shí)租賃較高質(zhì)量的頻譜帶來(lái)的利潤(rùn)也相對(duì)較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了一個(gè)包括頻譜租賃服務(wù)平臺(tái)層、運(yùn)營(yíng)商層及用戶(hù)層的多運(yùn)營(yíng)商頻譜共享模型，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，考慮了用戶(hù)公平性的因素，對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商間的頻譜資源及利益關(guān)系進(jìn)行建模分析，提出了多運(yùn)營(yíng)商頻譜租賃策略。仿真結(jié)果表明，本文提出的多運(yùn)營(yíng)商頻譜租賃策略在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，可為A類(lèi)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)約5.3%及13.2%(分別對(duì)應(yīng)B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商頻譜需求服從均勻及正態(tài)分布兩種情況)的額外利潤(rùn)，使B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)提高了約20.3%，并使系統(tǒng)頻譜資源利用率提高了約28%。

下一步的工作可從如下兩個(gè)方面展開(kāi)：(1)從博弈論的角度研究如何進(jìn)一步提高兩類(lèi)運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)；(2)考慮B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃頻譜的優(yōu)先次序，即各B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)使其租賃請(qǐng)求優(yōu)先得到滿(mǎn)足。

圖6 B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商租賃成本與其租賃方案的關(guān)系

圖7 B類(lèi)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)與其租賃頻譜集服務(wù)質(zhì)量的關(guān)系

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Spectrum Sharing Model and Leasing Strategy for Multiple Operators

XU Linlin①ZHU Xiaorong①②

①(,,210003,)②(,,210003,)

Traditional static spectrum allocation can not adapt to the future development of wireless communication services, leading to limited profits for operators and poor Quality of Service (QoS) for users. To solve the problem, this paper proposes a three-layer spectrum sharing model including operators, users, and a spectrum leasing platform, where A operators place their excess spectrum in the leasing platform for B operators to lease. This paper considers a situation where multiple operators cooperate to share portions of spectrum but compete to serve users, then the optimal spectrum leasing strategy is studied. The goal of this paper is to find the optimal leasing strategy for both A and B operators to maximize their profits while guaranteeing the QoS for users. Numerical results show that the proposed strategy not only improves the efficiency of spectrum utilization effectively but also shows a big advantage in increasing operators’ profits.

Spectrum sharing; Spectrum leasing platform; Operators; Spectrum leasing; Spectrum efficiency

TN92

A

1009-5896(2017)03-0582-08

10.11999/JEIT160471

2016-05-10；改回日期：2016-09-30；

2016-11-17

朱曉榮 xrzhu@njupt.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372125)，國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329104)，東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金 (2013D01)，江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB510026)

The National Natural Science Foundation of China (61372125), The National 973 Project of China (2013CB329104), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (2013D01), The Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (14KJB510026)

徐林林： 女，1992年生，博士生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)虛擬化.

朱曉榮： 女，1977年生，教授，研究方向?yàn)?G/4G、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線資源管理、跨層優(yōu)化算法及協(xié)議設(shè)計(jì)、性能評(píng)估及建模分析等.