本發(fā)明涉及頻譜分配、激勵(lì)機(jī)制領(lǐng)域，特別涉及基于傷害程度的頻譜分配機(jī)制設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

頻譜分配的機(jī)制設(shè)計(jì)是研究的熱門主題。在主市場中，政府機(jī)構(gòu)將特定的頻譜資源通過某種方式分配給主用戶，主用戶繳納一定的費(fèi)用獲得頻譜的使用權(quán)。二級(jí)用戶(如一些小型無線電用戶)無法承受在頻譜初次分配階段高昂的費(fèi)用。因此，在次級(jí)市場中，主市場的用戶可以將空閑的頻譜資源臨時(shí)租賃給二級(jí)用戶，以換取一定的利益。拍賣作為一種能夠保證真實(shí)性的激勵(lì)機(jī)制，已被廣泛應(yīng)用于頻譜分配。

在本發(fā)明作出之前，現(xiàn)有的頻譜拍賣仍然存在著如下問題：

1)真實(shí)性。作為傳統(tǒng)的拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)，頻譜拍賣機(jī)制需要滿足真實(shí)性，也就是說，真實(shí)的報(bào)價(jià)是拍賣雙方(買家和賣家)的占優(yōu)策略，換句話說，拍賣雙方不能通過謊報(bào)報(bào)價(jià)來優(yōu)化自己的利益，而真實(shí)性能防止拍賣遭受操縱?，F(xiàn)存的大部分頻譜拍賣都沒有考慮真實(shí)性，不能夠防范拍賣雙方的欺詐行為，因而可能損害整個(gè)拍賣的效益。

2)頻譜的異構(gòu)性。在現(xiàn)實(shí)中，信道在很多方面都存在區(qū)別，如空間和頻率。頻譜異構(gòu)性導(dǎo)致競標(biāo)的多樣性，買方可能對(duì)某些信道有偏好或要求，也就增加了算法的復(fù)雜度。大部分的頻譜拍賣機(jī)制只考慮同構(gòu)的頻譜，沒有考慮用戶需求的異構(gòu)性。

3)交易的異構(gòu)性?，F(xiàn)有的異構(gòu)頻譜拍賣中，買家付同樣的錢卻租賃到不同的信道，同樣，賣家得到相同的費(fèi)用卻被分配不同的買家，這在傳統(tǒng)的交易市場中是不合理的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述問題，研發(fā)基于傷害程度的頻譜分配機(jī)制設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

基于傷害程度的頻譜分配機(jī)制設(shè)計(jì)方法，其主要技術(shù)特征在于步驟如下：

拍賣者作為頻譜持有者和二級(jí)用戶之間的掮客，在收集到空閑信道的要價(jià)和二級(jí)用戶對(duì)空閑信道的報(bào)價(jià)等信息后，拍賣者進(jìn)行決策工作，主要包括候選人的篩選、贏者決策、定價(jià)策略三個(gè)階段的工作。

所述的候選人的篩選階段包括如下步驟：

步驟1：拍賣者收集頻譜持有者提供的信道的要價(jià)和二級(jí)用戶對(duì)一個(gè)或多個(gè)信道提出的相關(guān)帶寬需求、報(bào)價(jià)；

步驟2：所有的二級(jí)用戶對(duì)所有的頻譜持有者的帶寬需求為一個(gè)二維矩陣，權(quán)值為帶寬需求；

步驟3：用最大權(quán)匹配算法(maximumweightedmatching)對(duì)帶寬需求矩陣進(jìn)行一對(duì)一匹配，得到候選頻譜持有者和候選二級(jí)用戶的以及他們之間的匹配關(guān)系。

所述的贏者決策階段主要是應(yīng)用mcafee算法來實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟：

步驟1：排序。候選頻譜持有者根據(jù)信道的要價(jià)由低到高排序，即aj1≤aj2≤…；候選二級(jí)用戶根據(jù)與之匹配的信道的報(bào)價(jià)由高到低排序，即bi1≥bi2≥…；

步驟2：選擇臨界值k為報(bào)價(jià)大于要價(jià)的最大的下標(biāo)，即k為最大的，bik≥ajk，

步驟3：以和為基準(zhǔn)，計(jì)算臨界價(jià)格p和q，其中p為買家的臨時(shí)支付，q為賣家的臨時(shí)獲得。如果p＝q＝p0；否則p＝bik，q＝ajk。

所述的定價(jià)策略階段應(yīng)用了傷害程度，包括如下步驟：

步驟1：對(duì)于每個(gè)候選二級(jí)用戶-候選頻譜持有者對(duì)即買家-賣家對(duì)，在該買家ri不參與該場拍賣的情況下，重新進(jìn)行候選人的篩選和贏者決策，計(jì)算買家和賣家的臨時(shí)支付p-i和q-σ(i)，其中σ(·)為映射函數(shù)，hσ(i)為買家ri在候選人篩選階段匹配到的賣家；

步驟2：對(duì)于每個(gè)買家-賣家對(duì)，計(jì)算該買家參與該場拍賣時(shí)其他人的社會(huì)福利swi，以及該買家不參與拍賣時(shí)的社會(huì)福利sw-i，該買家-賣家造成的傷害程度為ddi＝sw-i-swi。其中社會(huì)福利是一種衡量整個(gè)拍賣對(duì)社會(huì)造成的效用函數(shù)，可以為所有贏者買家-賣家對(duì)報(bào)價(jià)和要價(jià)之差的累加和，也可以為所有賣家要價(jià)的累加和；

步驟3：對(duì)于每個(gè)買家-賣家對(duì)，從候選人買家-賣家對(duì)中選擇一對(duì)滿足約束的買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)來作為該買家-賣家對(duì)的最終支付。需要滿足四個(gè)約束(1)候選人買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)對(duì)于該買家-賣家對(duì)滿足個(gè)體理性；(2)候選人買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)對(duì)于該買家-賣家對(duì)滿足預(yù)算平衡；(3)根據(jù)傷害程度，所選擇的候選人買家的報(bào)價(jià)應(yīng)大于min(p，p-i+ddi)并且小于max(p，p-i+ddi)；(4)根據(jù)傷害程度，所選擇的候選人賣家的報(bào)價(jià)應(yīng)大于min(q，q-σ(i)-ddi)并且小于max(q，q-σ(i)-ddi)。若滿足上述條件的買家-賣家對(duì)不存在，則用臨時(shí)價(jià)格p和q作為最終該買家和賣家的最終支付價(jià)格。

本發(fā)明主要包括候選人的篩選、贏者決策、定價(jià)策略三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了頻譜持有者和二級(jí)用戶的匹配，并決定了最終雙方的支付。整個(gè)過程是一種防策略(strategy-proof)的分配機(jī)制，即雙方通過謊報(bào)價(jià)格并不會(huì)提高他們的效用，也就是說，報(bào)出真實(shí)的價(jià)格是一個(gè)占優(yōu)策略(dominantstrategy)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于考慮到得到不同物品支付相同價(jià)格的不合理性，其主要在于考慮到某參與者參與拍賣后對(duì)整個(gè)拍賣造成的傷害，也就是說，如果該參與者不參與該拍賣，整個(gè)拍賣的效用反而會(huì)更優(yōu)，那就要對(duì)該參與者進(jìn)行懲罰，具體地說頻譜持有者得到更少的支付，二級(jí)用戶支付更多。為了充分考慮用戶的偏好，一個(gè)用戶可以對(duì)不同的頻譜提出不同的報(bào)價(jià)。同時(shí)，整個(gè)拍賣過程確保真實(shí)性，也就是說買家和賣家不能通過謊報(bào)來提高自己的收益，因此，真實(shí)的參與者也不用擔(dān)心謊報(bào)帶來的交易不公平。

附圖說明

圖1——頻譜擁有者與二級(jí)用戶拍賣模型示意圖。

圖2——頻譜分配過程例圖。

圖3——支付規(guī)則例圖。

具體實(shí)施方式

頻譜持有者(spectrumholder)擁有空閑的和已經(jīng)被占用的兩種信道，頻譜持有者釋放空閑的信道給二級(jí)用戶(secondaryuser)；二級(jí)用戶根據(jù)自己的需求對(duì)一個(gè)或者多個(gè)信道提出請(qǐng)求；拍賣者(auctioneer)作為頻譜持有者和二級(jí)用戶之間的掮客，決定贏者、贏者之間的匹配關(guān)系和贏者之間的相互支付。

圖1為本發(fā)明的過程示意圖，拍賣者負(fù)責(zé)買家和賣家之間的交互，主要包括候選人的篩選、贏者決策、定價(jià)策略三個(gè)階段的工作。

候選人的篩選包括如下步驟：

步驟1：拍賣者收集頻譜持有者提供的信道的要價(jià)和二級(jí)用戶對(duì)一個(gè)或多個(gè)信道提出的相關(guān)帶寬需求、報(bào)價(jià)，其中帶寬需求與買家-賣家之間的匹配有關(guān)，而報(bào)價(jià)與定價(jià)決策有關(guān)；

其中二級(jí)用戶可以對(duì)一個(gè)或者多個(gè)信道提出請(qǐng)求，體現(xiàn)了二級(jí)用戶的偏好以及報(bào)價(jià)的多樣性。

步驟2：所有的二級(jí)用戶對(duì)所有的頻譜持有者的帶寬需求為一個(gè)二維矩陣，權(quán)值為帶寬需求；如表1矩陣所示，有5個(gè)二級(jí)用戶分別對(duì)6個(gè)頻譜持有者提出帶寬請(qǐng)求，su3對(duì)所有的頻譜持有者的帶寬請(qǐng)求是{3，5，3，8，4，0}，su3對(duì)sh6的帶寬請(qǐng)求是0，說明su3對(duì)sh6沒有請(qǐng)求。

表1矩陣

步驟3：用最大權(quán)匹配算法(maximumweightedmatching)對(duì)帶寬需求矩陣進(jìn)行一對(duì)一匹配，得到候選頻譜持有者和候選二級(jí)用戶的以及他們之間的匹配關(guān)系。

贏者決策主要是應(yīng)用mcafee算法來實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟：

步驟1：排序。候選頻譜持有者根據(jù)信道的要價(jià)由低到高排序，即aj1≤aj2≤…；候選二級(jí)用戶根據(jù)與之匹配的信道的報(bào)價(jià)由高到低排序，即bi1≥bi2≥…；

步驟2：選擇臨界值k為報(bào)價(jià)大于要價(jià)的最大的下標(biāo)，即k為最大的bik≥ajk，

步驟3：以和為基礎(chǔ)，計(jì)算臨界價(jià)格p和q，其中p為買家的臨時(shí)支付，q為賣家的臨時(shí)獲得。如果p＝q＝p0；否則p＝bik，q＝ajk；

如圖2所示，5個(gè)候選二級(jí)用戶和5個(gè)候選頻譜持有者，在候選人的篩選階段確定了匹配關(guān)系。二級(jí)用戶的報(bào)價(jià)由低到高排序，頻譜持有者的要價(jià)由高到低排序；找到k＝4為報(bào)價(jià)大于要價(jià)的最大的下標(biāo)，這里p0＝7.5，所以p＝7，q＝6。

定價(jià)策略體現(xiàn)了傷害程度，包括如下步驟：

步驟1：對(duì)于每個(gè)候選二級(jí)用戶-候選頻譜持有者對(duì)(簡述為買家-賣家對(duì))，在該買家ri不參與該場拍賣的情況下，重新進(jìn)行候選人的篩選和贏者決策，計(jì)算買家和賣家的臨時(shí)支付p-i和q-σ(i)，其中σ(·)為映射函數(shù)，hσ(i)為買家ri在候選人篩選階段匹配到的賣家。

步驟2：對(duì)于每個(gè)買家-賣家對(duì)，計(jì)算該買家ri參與該場拍賣時(shí)其他人的社會(huì)福利swi，以及該買家不參與拍賣時(shí)的社會(huì)福利sw-i，該買家-賣家造成的傷害程度為ddi＝sw-i-swi。其中社會(huì)福利是一種衡量整個(gè)拍賣對(duì)社會(huì)造成的效用函數(shù)，可以為所有贏者買家-賣家對(duì)報(bào)價(jià)和要價(jià)之差的累加和，也可以為所有賣家要價(jià)的累加和。

傷害程度ddi可正可負(fù)。具體地說，如果傷害程度為負(fù)，說明該買家-賣家對(duì)之間的分配對(duì)這次拍賣造成了傷害，也就是說如果該買家不參與這場拍賣，其他買家可以占用該買家參與拍賣時(shí)占用的信道，并且整個(gè)拍賣的社會(huì)福利得到改善。在這種情況下，要對(duì)該買家-賣家對(duì)進(jìn)行懲罰，也就是說買家支付更多，賣家得到更少。相反，如果傷害程度是正的話，該買家-賣家對(duì)會(huì)得到相應(yīng)的補(bǔ)償，即，買家支付更少，賣家得到更多。

步驟3：對(duì)于每個(gè)買家-賣家對(duì)，從候選人買家-賣家對(duì)中選擇一對(duì)滿足約束的買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)來作為該買家-賣家對(duì)的最終支付。

需要滿足四個(gè)約束：

(1)候選人買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)對(duì)于該買家-賣家對(duì)滿足個(gè)體理性；

(2)候選人買家-賣家對(duì)的報(bào)價(jià)-要價(jià)對(duì)于該買家-賣家對(duì)滿足預(yù)算平衡；

(3)根據(jù)傷害程度，所選擇的候選人買家的報(bào)價(jià)應(yīng)大于min(p，p-i+ddi)并且小于max(p，p-i+ddi)；

(4)根據(jù)傷害程度，所選擇的候選人賣家的報(bào)價(jià)應(yīng)大于min(q，q-σ(i)-ddi)并且小于max(q，q-σ(i)-ddi)。若滿足上述條件的買家-賣家對(duì)不存在，則用臨時(shí)價(jià)格p和q作為最終該買家和賣家的最終支付價(jià)格。

對(duì)于每個(gè)買家-賣家對(duì)，選取的決定最終支付的候選人買家-賣家對(duì)可能是不同的，也就是說買家的最終支付或者賣家的獲得是不一樣的，解決了購買不同物品支付相同價(jià)格的不合理性。同時(shí)，選取的候選人買家-賣家對(duì)作為贏者買家-賣家對(duì)的最終支付，與贏者買家-賣家對(duì)本身沒有關(guān)系，即，若贏者買家-賣家對(duì)謊報(bào)自己的報(bào)價(jià)-要價(jià)對(duì)最終候選人買家-賣家對(duì)的選取沒有影響，確保了真實(shí)性。

如圖3所示，橫線上下方的符號(hào)表示各參數(shù)的位置，這邊ddi是正的，根據(jù)約束，尋找的候選人買家-賣家對(duì)在該圖的陰影部分；若不存在滿足約束條件的候選人買家-賣家對(duì)，則用臨時(shí)價(jià)格p和q作為最終支付。