（通信与信息系统专业论文）基于博弈论的认知无线电频谱分配技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着无线通信技术的不断发展，频谱资源的使用日趋频繁，整个无 线电频谱空间被划分的所剩无几。然而，从一些研究结果可以看到，频谱资源的 缺乏更多是由于对不同无线接入技术的频谱分配不合理引起的。认知无线电技术 在这样的背景下应运而生，它能够主动检测频谱使用情况，自适应的改变自身通 信参数，择机的选择主用户暂不使用的频段进行通信，具有灵活、频谱利用率高 等优点。 但是，对频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够准确的检测并动态的分配 频谱资源，其间还要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配问题 是认知无线电无线资源管理中的核心问题之一。目前，对认知无线电中的频谱分 配问题研究已较为广泛，出现了基于图论理论等频谱分配问题模型，但是本领域 的研究还刚刚开始。 本文全新的引入了博弈论理论分析认知无线电的频谱分配问题，提出了认知 无线电的博弈论分析方案，构建了基于博弈论的认知无线电频谱分配问题模型， 提出了两个基于博弈论的分布式频谱分配算法，通过对其中潜在博弈算法的仿真， 我们发现系统的总信干比水平得到明显改善，算法能够快速收敛到纳什均衡状态。 文章首先对认知无线电技术做简要的介绍，主要阐述认知无线电的概念、功 能等，另外，着重介绍了认知无线电中的频谱分配技术，对现有问题分析模型进 行了描述。 第二章介绍博弈论，阐述了博弈论理论的提出及发展情况，分析了博弈论在 各领域中的应用。 第三章描述了认知无线电的博弈论框架，提出认知无线电的博弈论分析方案， 系统的描述了使用博弈论对算法进行分析的步骤，文中还列举了几个重要的博弈 模型，最终提出了认知无线电中频谱分配问题的模型。 本文的重点是第四章，利用博弈论理论设计了一种基于潜在博弈的频谱分配 算法和一种基于无悔学习理论的频谱分配算法。文中详细描述了算法的设计过程， 对算法的性能做了定性的分析。 为验证所提算法的性能，第五章中利用o p n e t 网络仿真工具对基于潜在博弈 的频谱分配算法进行了仿真，通过仿真验证了所提算法的收敛性及其对改善系统 摘要 性能发挥的作用，同时，理论推导与仿真结果的一致也证明了算法的正确。 基于博弈论的认知无线电频谱分配技术为认知无线电的动态频谱分配问题研 究开辟了一条新的道路，在认知无线电的博弈论分析方案下，其它认知无线电关 键问题诸如功率控制、接入控制等都会有新的技术和算法产生。博弈论与认知无 线电相结合必能为认知无线电的发展奠定更深厚的理论基础，并为其进一步研究 起到积极促进作用。 关键词：认知无线电，博弈论，频谱分配，纳什均衡，收敛 a b s l r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s p e c t r u m r e s o u r c eh a sb e e nm o r ew i d e l ye m p l o y e d , a f t e rw h i c hv e r yf e wo ft h ew h o l er a d i o s p e c t r u ms p a c ei sl e f t h o w e v e r , a c c o r d i n gt os o m er e s e a r c h e s ，t h ed e c r e a s eo fs p e c t r u m r e s o u r c ei sl a r g e l yc a u s e db yi l l e g i t i m a t er a d i os p e c t n l ma l l o c a t i o no fd i f f e r e n ta c c e s s t e c h n i q u e s s u c hc i r c u m s t a n c e sg i v er i s e t oc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g i e s ，w h i c hc a n a u t o m a t i c a l l y e x a m i n et h e e m p l o y m e n t o f s p e c t r u m , s e l f - a d a p t i v e l yc h a n g e c o m m u n i c a t i o np a r a m e t e r s ，a n do p p o r t u n e l ys w i t c ht ot h eb a n d sw h i c ha r en o tb e i n g u s e db yt h ep r i m a r yu s e r s g o o da g i l i t ya n dh i 【g hu t i l i z a t i o na r es o m eo fi t sm e r i t s y e t ，t h ef l e x i b l ea p p l i c a t i o no fs p e c t r u me x p e c t st h ec o g n i t i v er a d i os y s t e mt o p r e c i s e l yd e t e c ta n dd y n a m i c a l l ya l l o c a t et h es p e c t r u mr e s o u r c e ，a n d ，a tt h es a m et i m e ， t oh e l pr e t r e a ta n ds w i t c hw h e np r i m a r yu s e r sp r e s e n tt h e m s e l v e s t h e r e f o r e ，s p e c t r u m a l l o c a t i o ni so n eo ft h ek e yi s s u e so ft h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti nc o g n i t i v er a d i o n o w a d a y s ，t h es p e c t r u ma l l o c a t i o ns t u d yi nc o g n i t i v er a d i oh a sb e c o m eah o t s p o t ，a n d s o m et h e o r i e s ，s u c ha st h ea l l o c a t i o nm o d e lb a s e d0 1 1g r a p ht h e o r y , h a v et h r i v e dt h i s r e s e a r c hf i e l d h o w e v e r , t h e ya r es t i l lt i n yp r o g r e s s t h i sd i s s e r t a t i o n ，b ya p p l y i n gg a m et h e o r yt oa n a l y z et h ei s s u eo fa l l o c a t i o no fr a d i o s p e c t r u m ，p r o p o s e sas c h e m et oa n a l y z et h ec o g n i t i v er a d i ob yu s i n gg a m et h e o r y t h e s p e c t r u ma l l o c a t i o nm o d e li nc o g n i t i v er a d i ob a s e do ng a m et h e o r yi sp r o p o s e da n d t h e r ea r et w od i s t r i b u t e ds p e c t r u ma s s i g n m e n ta l g o r i t h m sp r o p o s e db a s e do ng a m e t h e o r yt o o a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no ft h ep o t e n t i a lg a m ea l g o r i t h m ，w ef i n dt h a tt h e t o t a ls i rl e v e lo ft h es y s t e mh a sb e e no b v i o u s l yp r o m o t e d a n dt h i sa l g o r i t h mc a n r a p i d l yc o n v e r g et oa n a s he q u i l i b r i u m f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o ng i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no fc o g n i t i v er a d i ot e c h n i q u e s ， e x p l a i n i n gt h ec o n c e p t a n df u n c t i o n so ft h er a d i o m e a n w h i l e ，i te l a b o r a t e st h es p e c t r u m a l l o c a t i o nt e c h n i q u e si nc o g n i t i v er a d i o ，a n dd e s c r i b e st h ec u r r e n ta n a l y t i cm o d e l s i nt h es e c o n dc h a p t e r , a t t e n t i o ni sp a i dt oi n t r o d u c et h et h e o r yo fg a m e s t h eo r i g i n a n dd e v e l o p m e n to ft h i st h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n st ov a r i o u sf i e l d sw i l lb es e tf o r t h t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ef r a m e w o r ko ft h eg a m e st h e o r yo nc o g n i t i v er a d i o b y a b s t r a c t d e s c r i b i n gt h es t e p st oa n a l y z et h ea l g o r i t h mb a s e do ng a m et h e o r y , as c h e m et oa n a l y z e t h ec o g n i t i v er a d i ob yu s i n gg a l n et h e o r yi s p r o p o s e dt o o i nt h ed i s s e r t a t i o n , w e p a r t i c u l a r i z es o m ei m p o r t a n tg a m e st h e o r ym o d e l s a n da tl a s tt h es p e c t r u ma l l o c a t i o n m o d e li nc o g n i t i v er a d i oi sp r o p o s e d t h ek e y s t o n eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st h ef o u r t hc h a p t e r , a l la l g o r i t h mb a s e do np o t e n t i a l g a m et h e o r ya n da na l g o r i t h mb a s e do nn o - r e g r e tl e a r n i n gt h e o r ya r ep r o p o s e df o rt h e s p e c t r u ma s s i g n m e n tp r o b l e m t h ed e s i g n i n gp r o c e s sf o r t h ea l g o r i t h mi sd e s c r i b e d , a n d aq u a l i t a t i v ea n a l y z ef o r t h ea l g o r i t h mi sg i v e n i no r d e rt oc h e c kt h ec a p a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，i nt h ef i f t hc h a p t e r , w i t ht h eh e l po f o p n e tn e ts i m u l a t i o nt o o l ，w eb u i l dap l a t f o r mf o rt h ep o t e n t i a lg a m ea l g o r i t h m , w h o s ec o n v e r g e n c ea n de f f e c t so fi m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c eh a sb e e np r o v e da f t e r s i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ec o h e r e n c eo ft h e o r e t i c a ld e d u c t i o na n ds i m u l a t i v er e s u l t s a l s os h o w st h ep r a c t i c a l i t yo ft h i sa l g o r i t h m t h ec o g n i t i v er a d i os p e c t r u ma l l o c a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nt h eg a m et h e o r yh a sb e e n r e g a r d e da san e wp a t ht ot h ed y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ns t u d y u n d e rt h eg a m e t h e o r yf r a m e w o r ko fc o g n i t i v er a d i o ，t h eo t h e rc r i t i c a li s s u e si nc o g n i t i v er a d i o ，s u c ha s p o w e rc o n t r o la n da c c e s sc o n t r o l ，w i l l a l lf a c en e wt e c h n i q u e sa n da l g o r i t h m s r e s p e c t i v e l y t h ec o m i n g t o g e t h e ro fc o g n i t i v er a d i oa n dt h eg a m et h e o r yw i l ld e f i n i t e l y l a yam o r es o l i dt h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o g n i t i v er a d i o ，a n di n j e c t m o r ep u s h i n gp o w e ri n t ot h i sa c a d e m i cf i e l d k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，g a m et h e o r y , s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，n a s he q u i l i b r i u m ， c o n v e r g e 图目录 图目录 图1 1 伯克利无线研究中心对频谱利用情况的实测结果1 图1 2 认知无线电认知循环模型2 图1 - 3 频谱分配技术分类6 图1 - 4 认知系统网络拓扑图示例8 图2 1 博弈论的分类：1 7 图3 1 认知无线电的博弈论分析方案2 4 图4 1 基于潜在博弈的频谱分配算法流程图4 l 图4 2 基于无悔学习的频谱分配算法流程图4 3 图5 - 1 建模域之间的关系4 7 图5 2 算法场景结构图4 8 图5 3 节点用户状态转换图5 0 图5 4 策略收敛情况5 1 图5 5 任意五个用户的策略收敛情况5 2 图5 - 6 潜在函数曲线图5 2 图5 7 初始状态各信道s i r 图5 3 图5 8 最终状态各信道s i r 图5 4 图5 - 9 算法执行前后系统s i r 比较5 4 图5 1 0 算法执行前后系统s i r 的c d f 图5 5 图5 - 1 1 算法执行前后用户吞吐量的c d f 图5 5 表目录 表目录 表2 1 非合作博弈的分类及其对应的均衡1 8 表3 1 具有弱f i p 性质的博弈过程表2 8 表禾1 信令协议中各数据包的功能3 9 表5 1o p n e t 建模域的功能4 7 表5 - 2 小区结构参数表4 8 表5 3 初始信道状态表4 9 表5 4 算法执行前后系统吞吐量比较5 6 缩略词表 缩略词表 a pa c c e s sp o i n t中心接入点 b sb a s es t a t i o n 基站 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 码分多址 c p ec o n s u m e rp r e m i s te q u i p m e n t 免授权设备 c r c o g n i t i v er a d i o认知无线电 c s tc h a n n e ls i t u a t i o nt a b l e信道状态表 。m 姒 墨a g e n 苗c y 鼬9a 曲a i l c 甜k s 啪曲p 删鳅萎霁嚣部高级研 筑计劐l 者 e 2 r e n d - t o - e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y 端到端可重配置 f c cf e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e联邦通信委员会 f i p f i n i t ei m p r o v e m e n tp a t h有限改进路径 f r cf e d e r a lr a d i oc o m m i s i o n联邦无线电委员会 g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务 正e e 譬裟n e e o e l sm 捌踟砌h 鳅删锚妻气电子工剧獭 e n 毋会 i t u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电信联盟 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x正交频分复用 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r k r l ，r a d i o k n o w l e d g e r c p s c n t a t i o n 垂线电知识表示语 t 2 m g u a g e罱 s d rs o f h v a r ed e f i n e dr a d i o软件无线电 s d r fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i of o r u m软件无线电论坛 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信干噪比 s i r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o 信干比 x 缩略词表 u h f v h f w i m a x w r a n x g u l t r ah i g hf r e q u e n c y v e r yh i 曲f r e q u e n c y u 频段 v 频段 ? 州d 丽d 。n 。r o p 。a b i l i t yf o rm i 。r o w a v 。微波存取全球互通 a c c e s s + 。 w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k n e x tg e n e r a t i o n 无线区域网 下一代 符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 转置 共轭 转置共轭 单位矩阵 数学期望 示例 口 a 4 符号表 字体和说明 小写斜体 小写租斜体 大写粗斜体 ( ) 7 ( ) ( ) 片 i 。 研x r t l 阶单位阵 f ( ) x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： ：薹：查至日期：2 ，7 年月，2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望堑导师签名： 三绻 日期：2 一一7 年多月，2 日 第一章引言 第一章引言 本章首先介绍认知无线电【1j ( c o g n i t i v cr a d i o ，c r ) 的由来及相关概念，接着对认 知无线电中的频谱分配问题进行具体的阐述，在比较了国内外对此问题研究的现 状过后，提出本文研究以博弈论为基础的认知无线电频谱分配问题所具有的意义。 最后，阐述了本文研究的主要课题来源以及论文结构和内容安排。 1 1 认知无线电技术的发展概况 1 1 1 认知无线电产生的背景 近些年来，随着人们生产生活对无线通信业务的不断需要，各种无线通信技 术得到了前所未有的迅猛发展，无线通信速率也已提高到几十兆甚至上百兆比特 每秒。在此过程中，无线频谱空间被不断划分给各种不同的通信技术使用，这种 固定的频谱划分方式使得可用频谱资源变得越来越少。 然而，正当人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、 多天线技术【2 】等努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播 特性比较好的低频段频谱的利用率极低。美国加州大学b e r k e l y 分校对频谱利用情 况的实测结果【3 】表明，3 g h z 以上的频段几乎没有被使用，而3 g h z 以下频段有多 达7 0 未被充分利用，如图1 - 1 。 基 曼 窑 图1 1伯克利无线研究中心对频谱利用情况的实测结果 电子科技大学硕士学位论文 因此近几年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到 了人们的广泛关注，认知无线电正是在这样的背景下应运而生，它的出现为解决 频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 1 1 2 认知无线电的基本概念 认知无线电的概念i 主l j o s e p h m i t o l a 博士首先提出，他在1 9 9 9 年发表的一篇学术 论文【4 】中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言( r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ，r k r l ) ”的新语言提高个人无线业务的灵活性。 另外，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ，f c c ) 、国际 电信联盟( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n , r r u ) 、j o h nn o t o r 等个人或组织也 对认知无线电给出了定义。 f c c 定义认知无线电是一种可通过与其运行环境交互而改变其发射机参数的 无线斟”。该定义目前大家比较认同。 i t u 定义认知无线电为这样的无线电或系统，它可感知或了解其操作的环境从 而动态、自治地调整其操作参数【”。 j o h nn o t o r t ) , 为软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 不是c r 实现的必然 条件，c r 也不是s d r 的发展，它们之间是重叠关系川。 概括来说，认知无线电是一种能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境， 根据一定的学习和决策算法，实时、自适应地改变系统工作参数，动态地检测和 有效地利用空闲频谱的无线电【s l 。 图1 - 2 认知无线电认知循环模型 2 第一章引言 图卜2 描述了认知无线电认知循环模型，可以看出，认知无线电系统通过分 析外部环境提供的激励来认识它通信的任务内容，然后对接收和发送的内容进行 分析，再选择合适的解决方式，目的是为了实现通信的高可靠性和频谱的高利用 率。 1 1 3 认知无线电的主要功能 由于认知无线电技术尚处于起步阶段，对于该技术的主要功能还处于讨论过 程中。从比较完整的意义上一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、调 整等能力唧。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分。 ( 1 ) 检测 由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必 须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于 是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻 检测主用户是否处于活动状态。从而确保不对其产生干扰。 ( 2 ) 分析 认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据( 包括频谱使用、 策略使用等) 和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那 么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果 分析主用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带宽、 信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务传输所需的带宽 和时间等等。 ( 3 ) 调整 调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备 通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射 时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备能够在较宽的频段内实现 不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确 保在不干扰首要用户的情况下获取最大限度的传输能力。 1 1 4 认知无线电的标准化 随着认知无线电技术的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关的研 究，并且开始着手制定认知无线电的标准和协议。下面主要介绍r r u 、软件无线电 3 电予科技大学硕士学位论文 论坛( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i of o r u m ，s d r f ) 和电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 相关工作的进展。 i t u 关于认知无线电的研究工作目前仍隶属于i t u r8 a 工作组中的软件无线 电研究课题。因为软件无线电不足以涵盖认知无线电的所有范畴，所以r r u r 于 2 0 0 6 年3 月提出一项新的建议，将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究，这 说明u 已经充分认识到认知无线电技术在未来通信发展中的重要意义。 2 0 0 3 年8 月s d r f 就开始探讨放松当前严格的频谱划分政策的可能性，研究通 过开发新的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于2 0 0 4 年1 0 月成立了 认知无线电工作组，专门开展有关认知无线电技术研究。鉴于软件无线电论坛的 特殊任务，该工作组主要致力于开展认知无线电平台的分析和多模式调整功能的 研究。 i e e e 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立i e e e8 0 2 2 2 i 作组，这是第一个世界范围的基于 认知无线电技术的空中接口标准化组织【l o 】。i e e e8 0 2 2 2 也被称为无线区域网络 ( w i r e l e s s r e g i o n a l a r e a n e t w o r k , w r a n ) ，系统工作于4 1 9 1 0 m h z v h f u h f 频段 上未使用的t v 信道，工作模式为点到多点，w r a n 设备的关键是无需频率许可，与 电视等已有的主用户共存。i e e e8 0 2 2 2 标准工作组于2 0 0 5 年9 月完成了对w r a n 的 功能需求和信道模型文档【1 ”，2 0 0 6 年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并， 并于2 0 0 6 年3 月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础，预计2 0 0 8 年最终的标 准将会被批准。 微波存取全球互通( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i m a x ) 技术由于缺乏可用频段，专门成立了致力于解决共存问题的i e e e8 0 2 1 6 h i 作组 ”2 】，可以使w i m a x 适用于u h f 电视频段，利用认知无线电技术使i e e e8 0 2 1 6 系列 标准可以在免许可频段获得应用。 i e e e8 0 2 2 2 和i e e e8 0 2 1 6 h 都只是认知无线电的简单应用，为了进一步研究认 知无线电，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e1 9 0 0 标准组，进行与下一代无线通信技术和 高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展和 与其它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。 目前，国内外对认知无线电技术的研究已全面展开，涉及的研究方向包括认 知无线电的协议体系与网络架构、认知无线电频谱检测技术、认知无线电媒质接 入技术、认知无线电频谱资源分配技术等等，可以说，认知无线电技术必将成为 2 1 世纪无线通信领域的热门技术，得到广泛的关注和长足的发展。 4 第一章引言 1 2 认知无线电中的频谱分配技术介绍 在认知无线电中，为了解决频谱资源的匮乏和目前固定分配频谱利用率较低 的问题，就要求找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有 两条：其一，提高频谱利用率，将已授权用户的频谱资源充分利用，减少浪费； 其二，提高系统通信效率，将已获得的频谱资源和其他资源综合优化分配，进而 提高利用率，这些都涉及到频谱分配的内容【1 3 】。 频谱分配是指根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个 或多个指定节点。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否 满足用户因不同业务而不断变化的需求。 1 2 1 频谱分配技术的分类 对频谱资源的分配往往需要考虑系统的应用需要以及系统网络结构等特点， 我们对不同的频谱分配技术按性质进行分类，具体如下： ( 1 ) 按分配方式分类 频谱分配技术按分配方式分类一般分为静态频谱分配、动态频谱分配和混合 式频谱分配。 静态频谱分配是指按固定的频谱分配表将频谱分配给系统内各用户，用户不 能按自身需要改变可获得的频谱资源，这种方式较为简单，系统开销小，但分配 不灵活，不能满足用户不断变化的需求。 动态频谱分配是指系统能够通过一个自适应策略有效地( 高效率以及可实施) 利用频谱资源，满足不同用户对频谱资源的需求，增大系统容量，提高频谱利用 率。 混合式频谱分配是指静态频谱分配与动态频谱分配相结合的方式，既保持了 静态分配的特点，又不失灵活性。 在认知无线电中，频谱分配算法设计要求以对可用频谱的检测以及发射功率 控制的要求为基础，选择适应无线环境时间变化特征的频谱分配策略，因此，认知 无线电中的频谱分配以动态频谱分配为主【1 4 1 。利用动态频谱分配可以提高无线通 信的灵活性、信道使用效率，可使主用户和次用户之间避免冲突并公平共享频谱。 ( 2 ) 按网络结构分类 频谱分配技术按网络结构分类可分为：集中式频谱分配和分布式频谱分配。 5 电子科技大学硕士学位论文 集中式频谱分配指网络小区中存在一中心实体( 如基站等) ，完成对小区各用户 的频谱分配。在认知无线电中，要求小区用户能够周期性的检测可用频谱，将检 测结果报告中心实体，中心实体由此生成频谱分配表完成频谱的分配。 分布式频谱分配指网络小区采用分布式结构，无中心控制节点，小区中每一 个用户都参与可用频谱的检测和频谱的分配工作，频谱分配结果与节点采用的策 略有关。 认知无线电按其自身网络结构特点可采用集中式频谱分配方式或分布式频谱 分配方式，目前针对两种方式的研究都有较多成绩”】【1 6 1 。 ( 3 ) 按合作方式分类 频谱分配技术按合作方式分类可分为：合作式频谱分配与非合作式频谱分配。 合作式频谱分配指小区中各节点相互合作，节点的频谱分配策略不仅考虑本 节点的应用需求，还考虑此策略对其他用户造成的影响【1 7 1 。因此，集中式频谱分 配都属于合作式分配方式，当然，在分布式网络结构中也存在合作式的频谱分配。 非合作式频谱分配指节点的频谱分配策略只考虑节点本身的需要，这类用户 可定义为自私用户，在这类分配方式下，系统的频谱利用率较之合作式分配方式 会有所下降。 认知无线电中采用不同合作方式的频谱分配技术主要取决于关键算法的需要 以及对系统性能的要求。 图1 3 y u 举了频谱分配技术的分类情况。在实际的应用中，按不同性质分类的 频谱分配技术往往混合使用，例如一个频谱分配算法可能采用合作的分布式动态 频谱分配方式。 分配方式 ，i 、 静态动态混合式 频谱分配频谱分配频谱分配 网络结构 集中式 频谱分配 分布式 频谱分配 图1 - 3 频谱分配技术分类 1 2 2 认知无线电频谱分配的原则 合作方式 合作式 频谱分配 非合作式 频谱分配 认知无线电的频谱分配与其它通信系统的频谱分配具有很多共同的特性，但 由于认知无线电自身择机借用主用户频谱的特点，其频谱分配也必须满足一些特 6 第一章引言 殊的要求，具体的频谱分配原则如下： ( 1 ) 保证灵活性。认知无线电是能够检测可用频谱资源，择机的借用主用户频 谱进行通信的无线电。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分配技术区别于其它无线通信频 谱分配的最主要特点就是保证灵活性【i 引。认知无线电任何频谱分配技术的研究都 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 分配算法也必须满足实时性的要求。 ( 2 ) 提高系统性能。频谱分配技术的主要目的是对可用频谱空间进行合理的分 配，使得系统性能得到改善或逼近于最优状态。根据不同应用需要，某个认知系 统对性能的要求也可能不一样。比如以最小化系统干扰为目标、以提高频谱分配 公平性为目标、以最大化系统吞吐量为目标等等。我们可以根据不同的系统应用 需要，提出不同的算法目标函数，以此指导频谱分配算法的设计。 ( 3 ) 减小信令开销和计算量。频谱分配算法的设计无疑需要一定的算法信令传 输并占用一定的计算时间，这些都可看成分配算法所带来的系统开销。我们当然 希望能够花费较小的开销就能实现频谱分配功能，因此，频谱分配算法的设计必 须考虑用户间以及用户与中心控制器之间控制信令的复杂程度，分布于用户或者 中心控制器上的算法计算量也是需要考虑的一个问题。 总之，认知无线电的频谱分配具有一定的普遍性和特殊性，在我们设计频谱 分配算法时必须充分给予充分考虑，满足以上所列的设计原则。 1 2 3 认知无线电频谱分配问题模型介绍 认知无线电中的频谱分配问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电 概念的提出直至发展到今天，不少学者为认知无线电中的频谱分配问题提出了分 析模型，它们大多是借鉴于一些经典的数学理论以及微观经济学理论等，现就较 为常见的两种频谱分配模型介绍如下： 1 2 3 1 基于图论的频谱分配模型 基于图论的频谱分配模型是建立在相应的干扰和约束条件之上的【l 明。在认知 无线电的研究中，将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图。图中的每一个顶点 代表无线用户，每一条边表示的是一对顶点间的冲突或者干扰。特别的，如果图 中的某两个顶点由一条边连接，则假定这两个节点不能同时使用相同的频谱。另 7 电子科技大学硕士学位论文 外，将每一个顶点与一个集合相关联，这个集合代表该顶点所在区域位置可以使 用的频谱资源。由于每个顶点地理位置的不同，因而不同顶点所关联的资源集合 是不同的。 图1 - 4 是一个认知系统网络拓扑结构图示例。图中的五个顶点1 5 代表五个不同 的认知无线电用户，认知系统可使用的共有3 个频段a 、b 和c ，当前位置上面分布 有四个主用户小区，即用户i ，他们使用的频段分别是频段b 、a 、b 和频段c 。 由于认知无线电择机使用主用户暂时不用的频段进行通信，因而当认知用户处于 主用户小区中时，不能使用主用户相同的通信频段。图中圆圈表明了主用户的覆 盖范围，e h n lx 代表主用户使用的工作频段，每个节点不同的关联信道集合表明了 节点处用户可用的所有频段。在图中，顶点1 的可用信道是( a 、b 、c ) ，节点2 是( a 、 c 1 。 图1 _ 4 认知系统网络拓扑图示例 基于图论的模型中规定7 空闲矩阵，效益矩阵，干扰矩阵和分目e 矩阵四个基 本矩阵。 空闲频谱矩阵l = 乞，。l 厶，。 o ，1 ，。，n 为用户数( 下标从0 到n - 1 ) ，m 为总 频带数( 下标从0 到m 1 ) ，厶。= 1 表示频带m 对于用户n 是可用的，。= o 表示不 可用。 效益矩阵b = 以。) ，。，玩，表征用户n 使用频带m 所带来的效益权重，如频 8 第一章引言 谱利用率等a 将矩阵与矩阵雪相结合，可得出有效频谱的效益l 。= 厶。以，。 ，。 干扰矩阵集合c = 乞舳i 巳 。 o ，1 1 ，。，。，乞 。= l 表示用户n 和用户k 在 同时使用频带m 时会产生干扰，当n = k 时，q ，= i - 。胛仅由空闲频谱矩阵决 定。 无干扰的频谱分配矩阵a = 吒，。la 。， o ，1 。，a n ，= 1 表示频带m 被分配 给用户1 1 。a 必须满足无干扰条件： a n m o a 月= 0 矿q 抽= 1 , v n ，k n ，m m ( 1 一1 ) 把上述频谱分配抽象为一个图g ：( ( ，。) 的着色。u 是图g 的顶点集，表示 共享频谱的用户，。表示顶点可选颜色集合和权重，是边集，由干扰约束集合 c