认知无线电中频谱共享策略算法研究-开题报告.doc

一、课题研究的目的意义 随着无线通信技术在日常生活中的广泛应用，特别是近年无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个人局域网（wpan)技术的不断发展，越来越多的人使用这些技术以无线的方式接入互联网。这些通信网络技术大多使用非授权的频段来工作，随着无线电用户和无线电新业务不断增加，虽然无线频谱拥有很大的带宽，但是频谱资源匮乏问仍然变得日益严重，频谱资源分配已经趋于饱和状态。为了有效提高频谱的利用率，认知无线电技术提供了一种有效解决有限的频谱资源紧缺的方法，它可以充分利用没用或者只有很少的通信业务的已授权频段，共享授权频谱资源。未授权的无线电用户（即认知用户）通过对周围无线环境的感知，自适应的改变自身的通信参数，在保证他的通信不会影响到其他已授权用户（即主用户）通信的条件下，借用已授权用户的频谱资源，达到共享频谱的目的。本设计基于博弈论，进一步的研究分析认知无线电中的关键技术频谱共享问题。二、频谱共享技术的国内外研究现状 在认知无线电网络中，认知用户“借用的”主用户的频谱是动态变化的，所以如何灵活、公平的把空闲的频谱分配给认知用户显得尤为重要。目前，频谱分配模型主要有俩个研究方向：一个是考虑用户公平性的博弈论、拍卖竞价频谱分配模型；另一个是从避免系统干扰角度考虑的图着色论频谱分配模型。 在国外，2005年Kloeck等人利用定价拍卖原理来研究认知无线电频谱共享机制，为了反映用户的动态性而建立了一个系统模型，将频谱的定价、分配和计费合为一体，有效地解决了频谱共享问题；2005年Clemens等人利用博弈论模型进行分析分布式动态频谱共享算法，把无线电用户之间的相互行为建模为一个有两个参与者的重复博弈，通过遗传算法求得频谱共享方案，在重复博弈中取得最佳的系统性能；2006年Chen等人基于图论着色论，结合本地议价算法实现了一种称为本地议价和预分配的频谱分配方案，目的是想要避免WRAN小区内或小区间的干扰，此方案可以保证用户间的竞争公平性，减小系统复杂性，并且满足用户对频谱带宽的需求；2007年Etkin等人进行研究了非合作博弈论模型，分别实现了一次博弈和重复博弈模型，并在重复博弈中利用惩罚策略可以取得公平高效的工作点；2007年Niyato等人通过建立博弈论古诺模型，进行研究了在授权频段对多个次用户和一个主用户间的频谱共享的问题，提出了动态博弈算法和静态博弈算法，具有较好的稳定性和公平性；2008年Niyato等人还在伯川德博弈模型中分别建立了合作博弈、市场均衡、竞争，对多个主用户和一个次用户之间的频谱共享问题进行分析研究，指出在竞争博弈中存在效率低的问题，合作博弈能够实现高效率的频谱共享。 在国内，2005年Cao等人在基于定价拍卖的模型，采用公平的业务保证机制提出了本地议价算法，与原来的最优化方法基于拓扑相比，可以达到相近的系统性能的同时降低了50%的系统复杂度；2005年Wang和Liu利用图着色模型提出了分布式贪婪算法、分布式随机算法、分布式公平算法三种频谱共享算法，分别可以在保持一定频谱利用率、取得最高频谱利用率的同时，提高公平性、降低通信开销和系统复杂性；2006年Peng和Zheng等人采用图着色理论进行建模并提出了分布式频谱共享算法，仿真表明分布式算法能够达到和集中式算法相同的性能，同时降低了系统复杂性；2007年Tian等人通过建立博弈论模型研究分析认知无线电中频谱共享算法，对多个次用户之间在授权频段的频谱共享问题，提出了一种加权比例公平算法，实现了频谱共享的公平性、高效性；2007年Guo等人基于图论着色原理建立了合作式频谱共享模型，并对以上三种算法进行改进提出了一种快速信道调整算法，能够在保证公平性和吞吐量性能的前提下明显减小通信开销；2008年Qin将博弈论模型应用于分析认知无线电频谱共享，建立了伯川德博弈论模型，实现了静态和动态的博弈算法，提高频谱利用率。三、文献综述：1.认知无线电技术 1999年，J.Mitola博士提出了认知无线电(CR)的概念。认知无线电是一种智能的无线通信技术，它能连续不断地感知周围的通信环境，通过对环境信息的分析、判断，然后通过无线电知识描述语言(RKRL)自适应地调整其内部的通信参数(如发射功率、工作频率、编码方式等)以适应环境的变化。其核心思想是通过检测哪些频谱处于空闲状态，在不影响授权用户的一前提下智能地选择和利用这些空闲频谱，从而提高频谱的利用率。Mitola博士提出基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开CR的研究。现阶段，认知无线电技术的研究主要集中在:(1)无线频谱资源的感知技术。无线频谱环境的实时监测是提高授权频谱资源利用率，保证授权用户通信质量的必要条件;(2)认知无线电系统的安全问题，由于认知无线电网络提供授权频谱资源的开放性接入，易受到其他设备及恶意用户的干扰，因此，如何识别恶意用户的干扰，保证认知无线电的通信质量也成为重要的研究方向;(3)认知无线电网络无线资源动态管理与利用，有效的频谱资源管理是最大限度提高授权频谱资源利率的重要保证，也是本文的主要研究方向。2.频谱共享技术 频谱共享技术是认知无线电的关键技术之一，认知用户通过择机使用主用户的授权频谱，对不可再生的频谱资源实现再利用，能够有效解决频谱稀缺和利用率低下的问题。 频谱共享的研究主要包括频谱共享的方式与策略设计，涉及到协议栈中的多层协议之间的协调工作，并且与网络结构和控制方式有关。频谱共享可以从网络结构和控制方式、用户行为以及接入方式三个角度进行分析。认知无线电能够检测可用频谱资源，进行择机占用主用户频谱进行通信。因此可用频谱的信息必须实时更新，而一旦主用户恢复对某段频谱空间的使用，认知用户就必须在较短时间内退出该频段，选择其它的频段进行通信。这样一来，认知无线电中的频谱共享技术区别于其它无线通信频谱共享的最主要特点就是要具有一定的自适应性和灵活性。认知无线电任何频谱共享技术的研究都要有较强的频谱退避和转换功能，而由于可用频谱信息的不断更新，相应的频谱共享算法也必须满足实时性的要求。3.博弈论模型博弈论是微观经济学中己广泛应用的高级理论，它为不同应用场景的决策选择问题提供了数学依据，纳什均衡的存在也使得寻找稳态的问题最优解成为了可能。因此，将博弈论引入认知无线电技术的研究是解决认知无线电频谱共享问题的新途径。按照2005年因对博弈论的贡献而获得诺贝尔经济学奖的Robert Auman教授的说法，博弈论就是研究互动决策的理论。所谓互动决策，即各行动方（即局中人player）的决策是相互影响的，每个人在决策的时候必须将他人的决策纳入自己的决策考虑之中，当然也需要把别人对于自己的考虑也要纳入考虑之中在如此迭代考虑情形进行决策，选择最有利于自己的战略(strategy)。通俗地讲，博弈论是一种“游戏理论”。其定义是：一些个人、团队或其他，面对一定的环境条件，在一定的规则约束下，依靠所掌握的信息，同时或先后，一次或多次，从各自允许选择的行为或策略进行选择并加以实施，并从中各自取得相应结果或收益的过程。一个完整的博弈应当包括五个方面的内容：第一，博弈的参加者，即博弈过程中独立决策、独立承担后果的个人和组织；第二，博弈信息，即博弈者所掌握的对选择策略有帮助的情报资料；第三，博弈方可选择的全部行为或策略的集合；第四，博弈的次序，即博弈参加者做出策略选择的先后；第五，博弈方的收益，即各博弈方做出决策选择后的所得和所失。 博弈论最大的特点是能够为相应的博弈过程找到纳什均衡点，有时纳什均衡点也正是策略最优点，这样，博弈论就可以指导和分析我们的众多算 法设计，使得我们对某些问题的研究找到最优策略。认知无线电技术中例如功率控制、信道分配、呼叫准入等很多问题都需要研究自适应的策略选择算法，最终实现以不同目标为基础的算法收敛。常见的博弈方法有超模博弈、潜在博弈和重复博弈等，目前大量关于博弈论的研究中，很多是基于古诺模型、伯川德模型展开的。 参考文献：【1】 詹德睿.认知无线电中频谱共享技术研究D. 北京邮电大学 2013【2】 黄德文.认知无线电网络的频谱共享技术研究D. 南京邮电大学 2013【3】王璐.CDMA接入过载等级及接入平均持续时延的分析J. 科技视界. 2013(26) 【4】郭晓梅,刘颖,朱东弼.非时隙结构认知无线网络中重试授权用户对系统性能的影响J. 延边大学学报(自然科学版). 2013(02) 【5】王垚,张中兆,马琳,陈佳美.基于授权用户活动性的认知无线电频谱分配算法J. 华南理工大学学报(自然科学版). 2012(08) 【6】杨守义,孙晓延,张延彬,齐林.NC-OFDM系统中加窗技术研究J. 郑州大学学报(工学版). 2011(03) 【7】谢健骊,李翠然,赵佳颖.基于均衡价格的认知无线网络频谱分配算法J. 铁道学报. 2014(01) 【8】杨蕊.认知无线电频谱资源分配与共享技术研究D. 哈尔滨工程大学 2012【9】谢人超.认知无线网络资源管理算法研究D. 北京邮电大学 2012【10】刘超.认知无线电系统关键技术研究D. 南京邮电大学 2013【11】 秦雪.基于博弈论的功率控制算法研究D. 长春理工大学 2014【12】 徐立敏.基于差异定价的认知无线电频谱分配算法研究D. 吉林大学 2014【13】王薇.博弈论在频谱分配中的应用D. 哈尔滨工业大学 2013【14】田野.基于竞价博弈的认知无线电频谱分配研究D. 哈尔滨工业大学 2012【15】 孙岩.基于博弈论的认知无线电频谱分配算法研究