（通信与信息系统专业论文）基于博弈论的认知无线电功率控制与速率分配算法研究.pdf

摘要 基于博弈论的认知无线电功率控制与速率分配算法 研究 专业名称：通信与信息系统 硕士生：黄文杰 指导教师：戴宪华教授 摘要 随着现代通信技术的不断发展和人们信息交互的日益频繁，开放频谱资源匮 乏和大量专用授权频谱利用率低下的矛盾愈演愈烈。认知无线电技术是为缓解这 种情况而提出的一种新的无线通信技术。该技术可以使未经授权的用户( 认知用 户) 主动发现授权用户( 主用户) 的未使用的授权频谱资源，以及合理使用该频谱资 源。为了不影响授权用户正常通信，必须对认知用户的进行严格功率的控制。 本文的工作主要在利用博弈论知识来对认知无线电用户进行功率控制和速 率分配。本文根据各认知用户速率分配的公平性和认知用户对主用户产生干扰的 大小不同设计了新的代价函数，对速率分配不公平的策略行为和对主用户产生干 扰比较大的策略行为的惩罚比较大，并基于该代价函数通过数学建模给出了可实 现的n p r g p 算法。相对传统的功率控制，该算法根据不同用户的传输速率的不 同要求进行灵活的速率分配，这样可以达到更高效率和更合理的使用网络资源的 目的。这种做法对认知无线电网络中认知用户的资源分配问题有借鉴和启发意 义。此外，本文还提出了严格的数学推理证明该博弈算法纳什均衡点的存在性和 唯一性，以及帕累托最优。最后，对该算法进行了仿真实验，结果表明本文算法 具有一定的优越性。 关键词：认知无线电博弈论功率控制速率分配 i i i 摘要 r e s e a r c ho np o w e rc o n t r o la n dr a t ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mi nc o g n i t i v er a d i ou s i n gg a m et h e o r y m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e h u a n gw e n j i e s u p e r v i s o r ：p r o f d a ix i a n h u a a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dt h e i n c r e a s i n gi n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fp e o p l e ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er e s o u r c e e x h a u s t i o na to p e ns p e c t r u mb a n d sa n dt h eu n d e ru t i l i z a t i o no fl i c e n s e ds p e c t r u m b a n d si sm o r ea n dm o r es e r i o u s c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi sp r o p o s e dt ob ean e w w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y t oa l l e v i a t et h i ss i t u a t i o n i te n a b l e s u n a u t h o r i z e du s e r s ( c o g n i t i v eu s e r ) a c t i v e l yd i s c o v e ru n o c c u p i e dl i c e n s e ds p e c t r u m b a n d sa n dm a k et h e mf o rp r o p e ru s e i no r d e rn o tt oa f f e c tt h ea u t h o r i z e du s e r s n o r m a lc o m m u n i c a t i o n ，c o g n i t i v eu s e r sm u s ts t r i c t l yc o n t r o li t sp o w e r t h i st h e s i si sp r i m a r i l ya b o u tj o i n t i n gp o w e ra n dr a t ec o n t r o lf o rc o g n i t i v eu s e ri n c o g n i t i v er a d i on e t w o r kb yu s i n gg a m et h e o r y i td e s i g n san e wc o s tf u n c t i o n a c c o r d i n gt o t h e f a i r n e s so fc o g n i t i v eu s e r s r a t ea l l o c a t i o na n dt h ed i f f e r e n t i n t e r f e r e n c ec o g n i t i v eu s e r sm a k i n gt ot h ep r i m a r yu s e r s i tm a k e sl a r g e rp e n a l t i e st o t h es t r a t e g i cb e h a v i o ru n f a i rb e h a v i o ro nt h er a t ea l l o c a t i o n , o rl a r g e ri n t e r f e r ew i t h t h ep r i m a r yu s e r s b a s e do nt h i sc o s tf u n c t i o n ，w eg i v ean p r g p a l g o r i t h mw h i c h c a n b er e a l i z e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp o w e rc o n t r o l ， t h ea l g o r i t h ma l l o c a t e sf l e x i b l et r a n s m i s s i o nr a t et oe a c hu s e r s 、 ，i t l ld i f f e r e n t r e q u i r e m e n t i tc a na c h i e v et h eh i g h e re f f i c i e n c yo fu s i n gn e t w o r kr e s o u r c e s ，a n da l s o c a l lu s et h en e t w o r kr e s o u r c e sm o r er a t i o n a l t h i sd i s s e r t a t i o ni sai n n o v a t i v ea n d o r i g i n a lw o r kf o rr e s o u r c ea l l o c a t i o no fu s e r si nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s i na d d i t i o n , w eh a v ep r o p o s e ds t r i c tm a t h e m a t i c a l r e a s o n i n gt op r o v et h ee x i s t e n c ea n d u n i q u e n e s so ft h en a s he q u i l i b r i u mo fg a m et h e o r y , 勰w e l la sp a r e t oo p t i m a l f i n a l l y , t h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a ss o m e a d v a n t a g e s i v 摘要 k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o p o w e rc o n t r o lr a t ed i s t r i b u t i o ng a m et h e o r y v 论文原创性声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所争交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识剑本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黄爻鑫 日期：旦口，口年占月2 日 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：黄艾杰 日期：2 叼易年月2 日 导师签名 日期：如加年月 第章绪论 第一章绪论 随着无线通信技术的进步，无线用户数量与无线通信服务业务量急剧增长， 根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致 适用于无线通信的频谱资源倍显珍贵，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另外， 已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲 置。如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。认知无线电技术 是提出的一种新的解决方法。 1 1 引言 近年来，视频语音、g p r s 及宽带无线上网等丰富多彩的数据业务服务层出 不穷，尤其是随着无线个人域网络( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 技术的迅猛发 展，使得大量的无线用户可以通过有限的无线信道以无线的方式接入互联网。然 而，这些通信技术使用的大多是非授权的频段( u f b ) ，这样即将导致它们所工 作的非授权频段渐趋饱和。另一方面部分通信业务( 如电视广播业务等) 需要通信 网络提供一定的保护，为了使他们免受其他通信业务的干扰，频率管理部门专门 分配了特定的授权频段( l f b ) 以供特定通信业务使用。而且大部分的频谱资源都 被用来做授权频段使用，与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多。更 加严重的情况是，相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。据2 0 0 3 年美国 联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n ) 对无线频谱资源利用现状调查结果 表明：目前已分配的频段的利用率从1 5 - - 8 5 不等【l 诩，不同时间，不同地区 和频带的利用率同样差别很大。 无线频谱资源是有限的，是一种非常珍贵的自然资源。基于前面所述的情况， 第一章绪论 越来越多的无线通信业务必然导致无线频谱资源越来越匮乏，越来越拥挤，可用 于新业务的频谱资源也越来越少吐这告诉我们，无线通信的发展不仅仅面临着 无线频谱资源稀缺，还有相当数量的授权频谱资源的浪费相当严重，急需一种全 新的、优化利用频谱资源的无线通信模式的诞生。 1 2 研究的背景和意义 1 9 9 9 年，j o s e p hm i t o l ai l l 博士在发表的论文【4 】中提出了认知无线电的最初概 念，并用一种称为“无线电知识表达语言( r k r l ) ”的新语言来描述了它怎样提 高个人无线业务的灵活性和认知推理模型。其认知模型如图1 1 所示。图中，认 知无线电系统可以通过持续的观察环境得到环境参数，然后根据这些参数进行自 身定位、制定计划，期间还要不断的学习环境变化以便作出及时的调整，最后执 行可以提高其系统性能的决定。这一系列的过程都可以用这种新的语言r k r l 来 描述和实现。2 0 0 0 年，m i t o l a 博士还在自己的博士论文中利用数学分析和仿真论 证了认知无线电的相关原理，首次给认知无线电下了定义【5 】：认知无线电是一种 智能的无线通信技术，它能够智能感知周围的无线通信环境，并对这些获得的信 息进行快速的处理、分析和决策，合理利用这些空闲着的频谱，并且能够及时的 感知到授权用户需要使用该频谱并及时退出该频段，不影响授权用户正常通信。 认知无线电的核心思想是通过检测某一时间段处于空闲状态的频谱，在不影响授 权用户正常通信的前提下智能地选择和使用这些频谱空穴来进行无线通信，以有 效地提高频谱的使用效率。 2 第章绪论 图1 1m i t o l a 的认知推理模型 近几年来，认知无线电技术作为一种灵活地和高效地使用频谱资源的技术 【6 】【7 】已经得到了各界的关注与认可，很多著名学者和机构都投入到认知无线电相 关技术的研究中来，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如美国加州 大学b e r k e l e y 分校研究组开发的c o v u s 系统、美 g e o r g i a n - v 学院宽带和无线 网络实验室提出的o c r a 项目，美国军方d a r p a 的x g 项目、欧盟的e 2 r 项目以 及德国高校提出的频谱池系统等。经过这些项目的开发，认知无线电已经在基本 理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些进展。i e e e 为 此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果以及组织了i e e e 8 0 2 2 2 工 作组的工作，该工作组正在制订利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标 准，这是第一个引入认知无线电概念的i e e e 技术标准化活动。2 0 0 4 年5 月，美 国颁布的建议里制订了规则通告( n p r m ) ，允许在不影响主用户( 如电视接收者) 的前提下，通过认知无线电技术使用电视广播频段中没有使用的无线资源，放宽 了认知无线电实用化的限制。日本也于2 0 0 5 年开始探讨认知无线电技术。欧洲 的很多国家目前都有相关机构在研究认知无线电。这些都足以说明认知无线电引 领着未来无线通信的发展。 认知无线电的一个重要的前提是保证主用户正常通信，要保证主用户正常通 3 第章绪论 信就必须控制好认知用户对主用户的干扰。而认知用户的发射功率是造成对主用 户干扰的主要来源，因此，我们要把认知用户的发射功率控制在足够低的范围内， 使得认知用户对主用户的干扰不至于影响主用户正常通信。在保证主用户正常通 信的前提下，还要保证认知用户的一定的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称 q o s ) ，然而除此之外，由于不同的认知用户业务也不同，因此，它对数据的传 输速率和数据接收误码率有着不同的要求。如当认知用户需要实时性的多媒体数 据传输时，对速率提出了很高的要求，而对数据接收误码率要求比较低，此时， 一、 可以在该用户发射功率在一定变化范围内，增大其数据传输速率来让它成功完成 通信。而当其他的用户需要非实时的数据通信时，比如，电子邮件服务。由于一 般情况下，电子邮件服务所需传输的比特量都很小，所以可以在不降低其接收误 码率的前提下通过降低其数据传输速率和发射功率来提高整体系统性能。这种将 认知用户的速率控制的问题考虑进来的非合作博弈功率控制算法，称之为非合作 功率和速率联合控带1 ( n o n c o o p e r a t i v ej o i n tp o w e ra n dr a t ec o n t r o lg a m e ，简称 n p r g ) 。 简单的讲，在认知无线电环境下，多用户的发射功率与传输速率联合控制技 术是指在有限的可用频谱资源以及不违反干扰温度限的条件下，选择满足接入条 件的认知用户的发射功率与传输速率，使得这些频谱资源利用最合理化或者最有 效。无线频谱资源利用合理化的标准包括：所有认知用户的联合数据传输速率最 大化、所有认知用户得到的数据传输速率公甲化以及对主用户造成的干扰温度最 低化等等。往往系统性能的提高，即所有可用频谱利用合理化，不是单单靠提高 每个认知用户的发射功率，而是要从全局考虑，得到使得频谱利用最合理化问题 的全局性的解。 认知无线电频谱利用方式主要有：择机频谱接入模型和频谱共享模型，还有 一种是前面两者的混合模型【8 】。目前的认知无线电功率控制算法研究主要是基于 频谱共享模型展开研究的。因为频谱共享模型对频谱的利用率更好，在功率控制 方面要求更高，更能体现认知无线电功率控制的灵活性与重要性。更主要的原因 是，适用于频谱共享模型下的功率控制算法同样适用于其它两种模型。本文的研 究也是基于频谱共享模型开展的。 认知无线电系统的应用场景分为：集中式场景和分布式场景，另外有时候会 4 第章绪论 出现两者的混合场景h s s n 9 1 。集中式的功率控制算法利用中心控制站进行采集 数据处理进行最优化功率分配；分布式场景下，缺乏控制中心进行数据分析，作 出合理的功率分配，需要多用户根据自己不同的要求，做出多种折中的决策，基 于分布式场景的功率控制策略大多以博弈论分析为基础【1 0 】- 【1 4 】。 从比较简单的概念及参数入手，信干噪比( s i g n a lt o i n t e r f e r e n c ep l u sn o i s e r a d i o ，简称s i r ) 要求是最基本i 拘q o s 要求，无线通信正常工作最起码要保证s i r 不低于特定的阀值，低于这个值无线通信就会自动断开，停止通信。通常主用户 接收机接接收到的本地信噪i ；匕( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 与认知用户和主用户之 间的距离相关联，因此，我们可以根据认知用户和主用户之间的距离来对认知用 户作出相应的功率变化，使得认知用户发射功率遵守干扰温度限定。文献【”】给 出了在只有两个用户( 认知用户和主用户) 的场景下可行的认知用户的功率控制 策略。只有两个用户的场景显然不能作为认知无线电系统功率控制展开研究的场 景。认知无线电系统是既存在合作又存在竞争的多用户，既要满足干扰温度的限 定，又要避免多个认知用户之间的冲突和干扰，所以分布式功率控制的研究显得 更为重要。如上所述，多用户的认知无线电系统的功率控制问题可以被看作一个 非合作的博弈模型【i6 】：在不违反干扰温度限制的前提下，考虑其它认知用户对 当前认知用户的干扰，怎样调整当前用户的发射功率，使得整个系统的性能达到 最优。基于文献这个非合作的博弈模型，文献【1 7 】提出了两个不同的基于用 户信干比( s i r ) 的不同的线性收益函数，并分别基于该收益函数提出了具体的功 率控制算法。文献【更进一步根据各个认知用户的q o s 需求和系统的总吞吐量设 计了收益函数，并基于该收益函数来调节各个认知用户的发射功率，实现了对不 同认知用户的非合作博弈功率控制。在众多学者关注的同时，著名学者 d g o o d m a n 等人研究归纳提出了一种非合作功率控制博弈模型1 9 1 ，并对模型做了 分析。后来d g o o d m a n 又在文酬2 0 】中提出了基于代价函数的博弈功率控制方法， 并证明了这种博弈可以得到了帕累托改善。在此基础上，又有文献【9 1 提出了一种 联合接入控制的功率控制的博弈算法，引入接入控制改善了单独功率控制的实用 性。文献【2 2 】提出了一种联合传输速率的功率控制博弈模型，利用博弈论对于传 输速率要求不同的用户进行速率分配和功率控制，该算法更能体现认知无线电网 络的灵活性，使得资源配置更为合理有效。 5 第章绪论 从上述功率控制博弈模型及其算法可以看出，没有充分考虑各种影响决策因 素之间的互动作用是限制了博弈论的应用范围的关键。因此，在展开对认知无线 电功率控制研究的过程中，收益函数的设计是关键，而代价函数的设计更是性能 提升的主要途径。 1 3 本文的主要工作和内容安排 本文研究的是利用博弈论的方法来分析基于分布式架构的认知无线电网络 的认知用户的功率控制和速率控制问题，并通过数学建模来解决该问题。主要工 作分为两大部分：第一部分工作是针对具有对传输速率不同要求的用户，改进了 传统的单纯功率控制博弈模型，设计了新的更合理的收益函数来刻画每个认知用 户的满意程度，提出了基于该收益函数的联合功率控制和速率分配的分布式资源 分配算法。该算法既考虑了对认知用户进行严格的功率控制的同时，又考虑了对 网络中认知用户进行最优的速率分配。它通过灵活的速率分配，以期达到最高效 率用网络资源的目的，而这种对不同用户需求用户分配高低不同的速率，将优于 对于所有用户分配相同速率。相对传统的认知用户的功率控制，联合功率控制与 速率分配更有研究价值。第二部分工作是通过严格的数学证明，讨论了该博弈模 型纳什均衡的存在性、唯一性和帕累托最优；同时给出了具体的算法实现流程， 并进行了性能的仿真分析。 本文的主要创新点如下： 1 ) 本文提出了一种基于认知无线电分布式网络的“基于功率和速率代价的认 知用户的非合作联合功率和速率控制博弈”模型。该模型采用的代价函数4 、= 仅能 刻画每个认知用户产生的干扰，而月还能够刻画速率分配的公平性。该收益函数 在用户传输速率和发射功率两个优化向量博弈过程中都引入了代价机制。 2 ) 基于本文提出的收益函数提出了一种改进的分布式n p r g p 算法，该算法 通过求解本文博弈模型，得到认知无线电网络中认知用户的发射功率和传输速率 分配的帕累托均衡。 本文所做的贡献不仅对认知无线电网络中认知用户其它资源分配问题有借 6 第章绪论 鉴和启发意义，还对解决在认知无线电网络中认知用户按所需传输速率要求区别 对待来进行功率控制和速率分配。 本论文结构安排如下： 第一章绪论 介绍论文研究选题背景意义、论文主要工作及论文主要创新点。 第二章认知无线电的关键技术 介绍了认知无线电系统的基本概念和发展，以及频谱感知、频谱分配、功率 控制等认知无线电关键技术。 第三章认知用户功率控制与速率分配的博弈论分析 概述博弈论的基本概念，着重介绍利用博弈论分析无线数据通信，并讨论了 传统的非合作功率控制博弈模型和提出了本文的非合作功率控制和速率分配博 弈模型。同时，通过数学理论证明了该博弈算法纳什均衡的存在性、唯一性和帕 累托最优。 第四章n p r g p 算法仿真评估 针对第三章提出的新的n p r g p 算法，本章给出了具体的算法实现，并给出 了最佳代价参数选择算法。同时设计算法仿真场景，并在该场景下对n p g 算法 和n p g p 算法以及本文n p r g p 算法算法进行了性能比较分析。 第五章总结与展望 总结论文所作的工作，并指出存在的问题及后续工作的建议。 7 第章认矢| i 无线电的关键技术 第二章认知无线电的关键技术 认知无线电是一种新的智能的无线通信系统，认知用户能够通过检测周围无 线环境中在不同时间不同空间上的可用频谱( 空闲频谱或者可与授权用户共享的 频谱) ，并使用这些频谱空穴进行传输，极大的提高了频谱利用率，同时对其它 的用户不造成干扰。认知无线电系统通过在接收端感知可用频谱，并估计部分传 输参数统计量和反馈给发射端，利用这些信息发射端进行合理的功率控制和频谱 资源分配。本章将重点介绍认知无线电系统传输的网络结构、传输模型以及认知 无线电的几项关键技术。 2 1 认知无线电系统介绍 认知无线电的产生大概经历了三个阶段：传统的无线电、软件无线电和认知 无线电。传统的无线电系统，其上下变频、射频部分、滤波以及基带处理都采 用模拟方式，各个部分都对应有专门的硬件组成部分。如图2 1 所示。与传统的 无线电系统相比，软件无线电( s d r ) 的一个突出特点是：a d 、d a 变化向中频 移动，并尽量靠近射频端，从中频( 甚至射频) 开始就进行数字化处理。软件无线 中的电射频带宽、协议、空间和实时模式的灵活变化缓解无线频谱的紧缺情况。 如图2 2 所示。而在软件无线电摹础上，又衍生出认知无线电。如图2 3 所示。 认知无线电采用了随时变化的通讯协议的技术，增加了人工智能。它能够支持智 能的感知并检测周围无线环境的频谱使用情况，并自适应的调整频段、调制方式、 发射功率以及其它一些参数来提高频带利用率。从这三者的区别看来，是硬件软 件化，智能化的区别。 8 第一章认失无线电的关键技术 图2 1 传统无线电框架 图2 2 软件无线电框架 图2 3 认知无线电框架 认知无线电之所以是一个智能无线通信系统，其核心技术在于智能模块部 分，它可以描述为一个认知循环【2 3 - 2 4 1 。它能够感知外部环境、通过不断地了解和 积累对外部环境进行学习，并根据外部环境提供的激励，对运行参数( 如传输功 率、载波频率、调制方式等) 进行相应的调整，从而达到同外部环境互不干扰， 互动合作共享频谱。从而在保证无线通信的可靠性基础上提高无线频谱资源的使 用效率。 认知无线电系统感知和学习外部环境完整的循环过程如图2 4 。认知循环包 9 第一章认知无线电的关键技术 括3 个主要步骤：频谱感矢l l ( s p e c t r u ms e n s i n g ) 、频谱分析( s p e c t r u ma n a l y s i s ) 、 频谱决策( s p e c t r u md e c i s i o n ) 。图2 4 中，在认知循环的观察阶段，认知无线电 系统感知周围的环境参数并进行处理和分析，同时对引入和发出的信息进行分析 来获得包括分配给用户或是用户所需要提供的容量情况。基于上述信息，认知无 线电用户根据各自的分配策略对可用动态频谱进行最优规划分配，并启动接入控 制过程，调整信号发射功率进行通信。期间，基于信息和机器学习可以调整通信 系统各个通信参数以达到最优性能，然后再开始下一轮认知循环的过程。 图2 - 4 认知循环 从认知无线电的认知循环可以看出，认知无线电的认知能力表现在能实时的 与它所处环境进行交互，从而决定合适的通信参数并适应动态的无线环境。 2 2 认知无线电网络构架 l o 第章认知无线电的关键技术 在介绍认知无线电各项关键技术之前我们先简单的介绍下认知无线电的网 络构架，即认知无线电系统的网络拓扑。它主要分为两大类：集中式网络构架和 分布式网络构架。下面我们详细介绍两种网络构架的情况。 2 2 1 集中式网络构架 集中式网络构架中，基站( b a s es t a t i o n , 简称b s ) 发挥着中心控制器的作用， 统一协调用户之间的行为和分配网络资源；用户预定设备( c o n s u m e rp r e m i s e e q u i p m e n t ，简称c p e ) ，即所有终端用户，需要向中心控制器( 即基站) 申请资源， 根据中心控制的调度和分配使用资源。 典型的集中式网络构架是i e e e8 0 2 2 2 网络【2 5 1 ，如图2 5 所示。在该网络系统 中，主要的实体有基站( b a s es t a t i o n ，简称b s ) 和用户预定设备( c o n s u m e rp r e m i s e e q u i p m e n t ，简称c p e ) ，其拓扑采用集中式搭建而成。其下行链路上，i e e e8 0 2 2 2 主要采用固定的点对多点星型结构，以广播方式的传播信息；其上行链路上， i e e e8 0 2 2 2 网络主要采用按需分配多址接入时分多址( d a m a t d m a ) 。这是一 种高效的多址接入方式，各c p e 可以根据自己的传输需求，采用d a m a t d m a 机制以最小的带宽需求共享上行信道，更加体现了认知无线电对频谱的使用的有 效性。 0 $ 群、，j 图2 5i e e e8 0 2 2 2 网络构架示意图 集中式网络构架具有中央控制的特点，利用基站能集中处理信息的便利，使 得所有的用户预定设备之间无需交互信令，而是由基站统一收集所有信息并进行 数据分析处理，然后统一协调它们之间的行为和统一分配网络资源，为用户提供 第_ 章认知无线电的关键技术 满意的服务。显然，集中式的功率控制简单易行，更能实现资源的优化配置。然 而，随着分配目标增多和网络用户数的增多，集中式的无线资源管理方式需要极 为快速的计算，即需要强大的硬件做基础，算法的复杂度也往往随之增高。也就 是说集中式的无线资源管理带来优化的资源分配的同时也使得算法的复杂度大 增。 集中式的网络构架还有一点优越性是，利用这种集中式的资源分配，往往更 有利于两种或多种无线资源管理技术的联合设计。这种联合的资源分配方式，如 功率控制与频谱分配的联合，比起传统的先进行频谱分配再进行功率分配的方式 更能适应认知无线电网络的特性。因为在认知无线电网络中，可用频谱和可用于 发射的功率都是受限的，就算把某一段频谱分配给了某个认知无线电用户，如果 该用户不满足接入条件，它是不能使用这段频谱的。受干扰限的制约，虽然频谱 分配成功了，但是功率分配失败，认知无线电用户也是不能与授权用户共享该频 段的，从而导致用户系统回到频谱分配步骤重新计算再作频谱分配，这不仅导致 系统的繁忙，计算量增加，还会造成该时间段的频谱资源的浪费。另一方面，随 着认知无线电系统动态频谱变化以及拓扑的动态变化变得频繁，采用中心控制器 进行集中式的布网不能及时的匹配认知网络的更改，甚至造成基础设施的浪费。 所以，在动态频谱频繁变化的环境中，集中式网络不仅发挥不了它的优越性，反 而有可能会使得系统计算超负荷，导致系统的不稳定。 2 2 2 分布式网络构架 相对集中式的布网方式，分布式的布网方式有着易安装性、灵活性以及自主 性，使得分布式网络构架更加适合频谱动态变化的认知无线电系统，也正因此， 分布式的网络构架得到了众多学者的青睐。 比较典型的分布式网络构架是c o g n e t 网纠2 叫。c o g n e t 网络的网络构架如 图2 - 6 所示。c o g n e t 网络的主要结构有：全局控制平面、频谱协调协议、自动 重配协议、物理层自适应应用程序接口( a p i ) 接口、灵活的m a c 协议以及网络 层协议。其中，全局控制平面用于实现跨层管理以及认知子网与未来因特网的融 合；频谱协调协议用于实现用户间的动态频谱共享；自动重配协议，用于认知无 1 2 第_ 章认知无线电的关键技术 线电用户开机或进入新服务区时可以建立网络连接；a p i 接口用于支持在网络 编码中的物理层协作；灵活的m a c 层协议用于允许认知无线电用户具备根据网 络条件及业务需要和实现共享模式动态选择的可编程能力；另外，网络层协议可 以用于支持a dh o c 网络架构下的服务发现、寻址及选路等。 蜢疆纳掏 c o g n 甜令硒羟翻平掰 ，_ ，、，憎一一、州、 图2 - 6c o g n e t 网络架构 在集中式网络中，由于无线通信网络的异构性以及业务的多样性，而且网络 中可用的频谱的动态变化也是无法预测的，单靠中心控制器进行信息收集反馈进 行资源管理的方式并不能很好地匹配这种特性，甚至还会造成基础设施的浪费。 因此，对分布式网络构架下的无线资源管理算法研究更具研究意义。 2 3 传输模型介绍 前面绪论也有提过，认知无线电传输模型是指认知用户以什么样的方式在与 授权用户互不干扰的基础上发送和接收数据，即怎么样利用可用频谱。文献例把 认知无线电网络中的传输模型分为以下三种： 1 ) 择机频谱接入模型。 该模型是最早提出的传输模型，早期认知无线电的研究都是基于这种模型下 第一章认知无线电的关键技术 展开的。在这种模型下，认知无线电用户判断某个频段某段时间可用的依据是授 权用户是否使用中，即授权用户的工作状态是o n 或者o f f 。认知无线电用户通过 感知“频谱洞来检测出某个时刻未被授权用户实用的频谱，然后进行合理的频 谱分配，基于这种传输模型，对认知无线电用户的发射功率的要求比较容易实现， 但是频谱利用率没下面接下来介绍的传输模型的高。 2 ) 频谱共享模型。 频谱共享模型允许认知无线电用户与授权用户在一定的条件下可以同时使 用某个频段进行正常通信。显然，这种传输模型的频谱利用率比第一种高，然而， 它对认知无线电用户的各项技术要求比较严格。本文就是基于这种传输模型下， 定义最低承受干扰能力的授权用户能承受的最大干扰为干扰限，如果授权用户接 收到的认知用户的干扰低于该干扰限，就认为认知用户可以与授权用户共同使用 某段可用频谱。 3 ) 混合式频谱共享模型。 混合式频谱共享模型其实是前面两种模型的综合。认知无线电用户可以以两种方 式使用可用频谱：当授权用户在某一段时间某一频段处于o f f 状态时，认知无线 电用户可以完全占有此频段，像授权用户一样可以以自己的最大功率发射信号； 当授权用户在某一段时间某一频段处于o n 状态时，认知无线电用户不是马上完 全推出使用此频段，而是在保证授权用户正常通信的前提下，即保证自己的发射 功率使得对授权用户的干扰低于干扰限的条件下，合理继续使用该频段，以达到 频谱共享的目的。 由此可见，在频谱共享模型下的功率控制同样适用于其它两种模型，只要去 掉对授权用户的最低干扰限，频谱共享模型下的功率控制就可以在择机频谱接入 模型下使用了。所以基于频谱共享模型的功率控制研究使用范围更广，本文基于 这个出发点，选择了基于频谱共享模型为算法设计的数据传输模型。 1 4 第章认知l 无线电的关键技术 2 4 认知无线电关键技术 由认知无线电系统的认知循环可以看出，其工作主要分为两个部分：可用频 谱的发现和可用频谱的使用。因此，对认知无线电的研究主要集中在o s i 模型 的物理层、介质访问控s t j ( m a c ) 层、网络层，以及跨层设计上，如图2 - 7 。 图2 7 认知无线电研究中涉及的技术 上述所涉及的各项技术在前面2 3 和2 4 小节介绍的各种认知无线电网络结 构以及各种传输模型中它们的设计和协议是不同的。下面详细介绍认知无线电系 统的几项关键技术：频谱感知、频谱分配和功率控制。 2 4 1 频谱感知技术 作为一种以软件无线电为扩展平台的新型无线通信技术，能够感知周围环境 的电磁特征是认知无线电的一大特点，基于感知的结果，才能作出智能决策，并 调整其设备的发射和接收参数。因此，频谱感知技术是认知无线电系统的基本功 能，是实现频谱管理、频谱共享的前提。本小节将介绍频谱感知的概念和相关概 第章认知无线电的关键技术 念并分类讨论现有的主流频谱感知算法及其研究概况。 “频谱空穴”：特定时间段里，未被使用的频段，称为“频谱空穴。频谱感 知的目的是发现频谱空穴，同时不对主用户造成有害干扰。而对频谱空穴的使用， 主用户具有比认知无线电用户更高级别的接入优先权。 “感知” 2 s l ：是在时域、频域和空域多维空间，对被分配给主用户( 初始授 权用户) 频段不断地进行频谱检测，检测这些频段内主用户的工作状态是o n 或者 o f j f ，从而知道频谱的使用情况。 认知无线电频谱感知的原理是通过实时可靠的连续侦听频谱，获知频谱空 穴，合理规划利用这些频谱空穴临时来进行无线通信。在进行无线通信过程中， 还要求认知无线电用户必须能够快速感知到授权用户的再次出现，及时进行频谱 切换，让出所占频段给授权用户使用，或者继续使用原来的频段，但需要通过调 整自身发射功率或调制机制来避免对授权用户造成干扰。由于无线电环境是随时 变化的，而且授权用户种类、传播损失以及干扰因素都是不同的，所以要求频谱 感知技术需要高度的灵活性和适应性。 随着认知无线电技术的不断完善和新技术的引用，频谱空穴检测方法也在不 断的发展，理论与方法层出不穷，但主要基于两个基本的前提假设，也叫二元假 设检测模型： 假设1 ：假设物理层以上的协议在认知无线电用户在检测空闲频谱这段时间 内保持不变； 假设2 ：假设最坏的情况下，即在认知用户的接收机和主用户的发射机之间 是非视距( n l o s ) 的的情况下，对主用户的探测仍然可以达到9 9 9 的成功率2 9 1 。 基于上述两大假设频谱感知技术可以分为发射源检测、合作检测和干扰检 测。如图2 8 所示。 1 6 第章认知无线电的关键技术 1 发射源检测 图2 - 8 频谱感知技术的分类 发射机探测又被称为非合作探测，它的检测原理是：认知无线电用户主要针 对主用户接入使用该频谱时发出的微弱信号进行探测，一旦探测到该频段的信号 变强，就可以确定有主用户将要使用该频段，然后迅速的作出相应的调整。其基 本假设模型可以用下式来描述： ，= 臀撩m 归。 p t ， 其中，s ( f ) 为主用户信号，刀( f ) 为加性白高斯噪声，h 为信道的增益。风表 示未被占用状态，即目前该频段处于未被主用户使用状态；h i 表示占用状态， 即目前该频段有主用户接入使用。x ( f ) 为认知无线电接收到的信号，对检测信 号采样可以得到抽样x n 】，并构造检验统计量h x 】，假设与研x 】相对应的判 决门限为名，于是得出如下检测性能指标： 己= e ( r s 】 五ih i ) 只= p ( t x 】 五；风)( 2 - 2 ) 己= p ( r x 】 允ii - i , ) = 1 弓= 尸( 研门 s 甩】 名in o ) ( 2 3 ) 疗= l 乞= 尸( 州刀】s 【疗】 五lq ) 疗= 1 v 弓= 尸( x 2 【刀】 ai 风) h = 1 v 匕= p ( x 2 【聆】 ov p , ，乃 o ( 3 - 1 ) d y 当信干比y 的增大趋于0 ，收益函数u 符合边际递减规则 m l i m 掣= ob o ( 3 - 2 ) _ 4 0 7 t v 。 当信干比y 固定时，收益函数u 是关于发射功率p 的单调递减函数 骂岩 吃 a 地。i 甜2 甜 q r 一r 2 t a r 。t a 7 该不等式向我们揭示了一种资源最大化利用和用户之间平等性原则。当用户i 距 离基站比较近时，由于链路增益矗跟传输距离成反比的关系，因此可以得出不等 式扛 。当用户f 距离基站比较近时，用户自身的发射功率对基站接 收其它用户信息的干扰自然比较大，换句话来说，距离基站比较近的用户的每单 位的发射功率对其它用户的干扰比较大。因此，我们需要按不等式 p ， p 2 。当然自然也就可以要求比较高的传输速率衅7 ，即 掣 a r 蹄。这样，我们就可以根据上述的关系和准则来设计最佳的“定 价收费”。 文献【2 0 】里面针对全局进行了最优定义： m a x , f l u = m a x 舰 ( 3 - 7 ) pp 。t 。一= l 得出了能够实现全局最优的代价函数的表达式： 咖) _ - 吉否鼽( p ) ( 3 - 8 ) 其中，绣是针对用户_ ，的效益材，的加权。 显然，这个代价函数是非线性的，而且计算复杂度相当高。在实际中难以实 现。我们在设计代价函数时不仅要使得引入代价函数后认知无线电用户的整体性 3 3 第章认知无j l j 户功率控制和速率分配的博弈分析 能改善，还要使得算法的计算复杂度控制在一定的可实现范围内。 目前，在认知无线电系统的功率控制中引入代价函数机制的算法有很多种， 但是主要基于的原则有三种，分别是：基于最大使用量代价机制、基于优先级机 制以及均匀速率代价机制等等【2 0 1 。 本文主要针对非合作博弈论模型中引入代价函数机制，它主要有以下两点改 善： 1 ) 提出了新的代价函数，该代价函数不仅能刻画每个认知用户产生的干扰， 而且还能够刻画速率分配的公平性。 2 ) 在速率分配与功率控制两个方面都引入了代价机制，与当前主流算法相 比，不仅仅在功率控制上引入能刻画每个认知用户产生的干扰的代价函数，而且 还引入了能够刻画速率分配的公平性的速率分配代价函数。 3 1 4 纳什均衡和帕累托最优 “纳什均衡”( n a s he q u i l i b r i u m ) 最初是由约翰纳什( j o h nn a s h ) 在1 9 5 0 年 和1 9 5 1 年在文献1 3 8 】【3 9 】中提出，并在非常一般意义上定义了非合作博弈及其均衡 解，并证明了均衡解的存在。后人为了纪念这位伟大的天才，把均衡称为“纳什 均衡”烈a s he q u i l i b r i u m ) 。 博弈论上，纳什均衡是指由所有参与者的最优策略组成的策略组合，而且每 个博弈方的策略都是针对其他所有博弈方的策略制定的策略组合的最佳反应。在 这个组合里面，整个系统维持在一种均衡状态，每个参与者保持自己的策略行为， 不会主动打破这种均衡。如果不是处于纳什均衡状态，也就是说所有参与者并没 有达到最优的策略组合，它们不仅总体效用达不到最高，而且会变得4 稳定，大 大影响了系统性能。下面我们通过一个简单的例子来描述纳什均衡定义。 假设一个博弈过程为g - ( p s ，u ) ，其中f p ， s i ，s 2 s n ) s ， 矾，u 2 以 u 。 s i , s n ) 表示参与者在策略集里面的某个元素，即某个策略， ，以 以) 表示策略 j ，勋 s n ) 对应的效用。s f 表示参与者f 的策略，“表示参与者f 的 第一章认知无j j 户功率控制和速率分配的博弈分析 效用。此时，对所有参与者f 有一个策略组合(