（通信与信息系统专业论文）基于匹配博弈的认知无线电频谱分配技术研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i i iii iii i iii ii i iii i i y 18 0 8 0 4 1 ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h er e s e a r c ho nc o g n i t i v er a d i os p e c t r u m a l l o c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nm a t c h i n g g a m e c a n d i d a t e ：z h a n g1i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ra nc h e n g q u a n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r s p e c i a l t y d a t eo fs u b m i s s i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n u n i v e r si t y ：m a s t e ro fe n g i n e e ri n g ：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 s ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 ：m a r c h ，2 0 0 9 ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i 【0 走 ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：季讯 日期：剀，o 年弓月8 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：称瓤 日期：加f d 年；月g 日 导师( 签字) ：毒7 嗲龟 o l o 年3 月3 日 l 三 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的发展，无线频谱资源已经所剩无几。研究发现，频 谱资源的短缺只是相对的短缺。一方面，大量的无线业务将频谱空间划分殆 尽：另一方面，在很多频段频谱资源都没有得到有效的利用。为了解决这一 问题，学者们提出了认知无线电的概念。认知无线电技术是提高频谱利用率 的一项新技术，在认知无线电系统中，具有认知能力的终端设备能够感知外 界环境，寻找到暂时闲置的频谱资源，在不对授权用户造成影响的前提下实 现对频谱资源的有效利用。认知无线电的频谱分配技术研究的是如何对检测 到的空闲频谱资源进行有效的管理，是认知无线电系统的一项关键技术。 本文首先介绍了认知无线电的研究背景及基本概念，然后对认知无线电 的各项关键技术分别进行了介绍，重点研究了认知无线电的频谱分配技术。 在研究了合作博弈论的基础上提出了一种适用于单载波系统的一对一匹配博 弈频谱分配算法。由于多载波技术特别是o f d m 技术具有优良的性能，目前 已得到广泛应用，文中针对多载波系统又提出了多对一匹配博弈频谱分配算 法。在匹配博弈分配算法中，将频谱分配问题抽象成一个双边市场匹配问题， 使用延迟接受算法将频谱分配给用户。理论分析和仿真结果表明，算法得到 的分配结果是稳定的最优解。这个稳定的最优解在总体性能上接近系统的最 优解，在分配的公平性上优于系统的最优解。这种基于匹配博弈的频谱分配 算法可以兼顾分配的效率与公平，具有一定的现实意义。 最后，本文结合注水算法与匹配博弈算法提出了一个频谱和功率联合分 配算法。仿真结果表明，该算法可以有效提高系统的信道容量。随后，提出 了一个结合频谱感知贡献的匹配博弈算法，该算法可以使得在频谱感知阶段 作出更大贡献的用户获得更多的频谱资源。 关键词：认知无线电；频谱分配；匹配博弈；延迟接受算法；注水算法 一 上 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , v e r yf e wo f s p e c t r u mr e s o u r c ei sl e f t r e s e a r c hs h o w st h a tt h es h o r t a g eo fs p e c t r u mr e s o u r c e i sr e l a t i v e o nt h eo n eh a n d ，s p e c t r u ms p a c eh a sb e e ne m p l o y e db ym a n yw i r e l e s s s e r v i c e s ；o nt h eo t h e rh a n d ，s p e c t r u mr e s o u r c ei sn o tu t i l i z e de f f e c t i v e l y an e w t e c h n o l o g yc a l l e dc o g n i t i v er a d i oh a sb e e np r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m i n c o g n i t i v er a d i os y s t e m ，t e r m i n a le q u i p m e n tc a l ls e n s i n ge x t e r n a le n v i r o n m e n t , f i n dt h es p e c t r u mr e s o u r c ew h i c hi sn o tu s e d ，u t i l i z et h es p e c t r u mr e s o u r c e e f f e c t i v e l y t h es p e c t r u ma l l o c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h i so n eo ft h e k e y t e c h n o l o g i e so fc o g n i t i v er a d i o ，t h er e s e a r c he m p h a s i si sh o wt om a n a g et h e s p e c t r u mr e s o u r c ee f f e c t i v e l y a tf i r s tt h i s p a p e r i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds o m ek e y t e c h n o l o g i e so fc o g n i t i v er a d i o ，t h e nr e s e a r c ht h es p e c t r u ma l l o c a t i o nt e c h n o l o g y e m p h a t i c a l l y t h r o u g hr e s e a r c h o nc o o p e r a t i v eg a m et h e o r y , ao n et oo n e m a t c h i n gg a m es p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a l lb eu s e di ns i n g l ec a r r i e r s y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b e c a u s eo ft h eg o o dp e r f o r m a n c eo f m u l t ic a r d e r t e c h n o l o g ys u c ha so f d mt e c h n o l o g y , am a n yt oo n em a t c h i n gg a m es p e c t r u m a l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a nb eu s e di nm u l t ic a r t i e rs y s t e mi sp r o p o s e di nt h i s p a p e r i nm a t c h i n gg a m es p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o d t h r n ，s p e c t r u ma l l o c a t i o n p r o b l e m i sa b s t r a c t e dt oat w o s i d e dm a t c h i n gm a r k e tp r o b l e m ，a s s i g n m e n t s p e c t r u mt ou s e rb yu s i n gd e f e r r e da c c e p t a n c ea l g o r i t h m t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta no p t i m a ls t a b l eo u t c o m ec a nb ef o u n db yt h i s a l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a nr e a l i z e sn o to n l ye f f i c i e n ta l l o c a t i o nb u ta l s of a i r a l l o c a t i o n ，h a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m b i n e sm a t c h i n gg a m ea l g o r i t h mw i t hw a t e rf i l l i n g a l g o r i t h ma n dp r o p o s e saj o i n ta l l o c a t i o na l g o r i t h mt oa l l o c a t es p e c t r u ma n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p o w e r s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ec h a n n e l c a p a c i t yo fs y s t e me f f e c t i v e l y s u b s e q u e n t l ya na l g o r i t h mc o m b i n e sm a t c h i n g g a m ea l g o r i t h mw i t hs p e c t r u ms e n s i n gc o n t r i b u t i o ni sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h m c a na s s i g n m e n tm o r es p e c t r u mr e s o u r c et ot h eu s e rw h om a k em o r ec o n t r i b u t i o n s t ot h ec o g n i t i v en e t w o r k k e yw o r d s - c o g n i t i v er a d i o ；s p e c t r u ma l l o c a t i o n ；m a t c h i n gg a m e ；d e f e r r e d a c c e p t a n c ea l g o r i t h m ；w a t e rf i l l i n ga l g o r i t h m 一， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 认知无线电技术的研究现状3 1 3 本文的研究内容及结构安排5 第2 章认知无线电技术研究6 2 1 认知无线电技术的出现及演进6 2 2 频谱感知技术8 2 3 频谱分配技术。1 0 2 3 1 频谱分配技术的信道模型1 0 2 3 2 频谱分配技术的分类1 1 2 3 3 频谱分配的原则一1 2 2 3 4 频谱分配技术的主要模型1 3 2 4 功率控制技术1 9 2 5 本章小结1 9 第3 章基于匹配博弈的频谱分配模型及算法2 0 3 1 博弈论简介2 0 3 1 1 合作博弈与非合作博弈2 0 3 1 2 合作博弈的基本概念。2 2 3 1 3 匹配博弈2 4 3 2 基于一对一匹配博弈的频谱分配2 5 3 2 1 基于一对一匹配博弈的频谱分配模型2 6 3 2 2 基于一对一匹配博弈的频谱分配算法2 7 3 2 3 仿真结果分析3l 3 3 基于多对一匹配博弈的频谱分配3 2 3 3 1o f d m 技术简介3 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 2 基于多对一匹配博弈的频谱分配模型3 5 3 3 3 基于多对一匹配博弈的频谱分配算法3 6 3 3 4 仿真结果分析3 7 3 4 本章小结4 0 第4 章基于匹配博弈的频谱分配算法的改进4 l 4 1 结合注水功率分配的匹配博弈频谱分配4 1 4 1 1 注水功率分配原理简介4 1 4 1 2 结合注水功率分配的匹配博弈频谱分配算法4 4 4 1 3 仿真结果分析4 4 4 2 结合频谱感知贡献的匹配博弈频谱分配4 5 4 2 1 结合频谱感知贡献的匹配博弈频谱分配算法4 5 4 2 2 仿真结果分析4 6 4 3 本章小结4 7 结论4 8 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 5 致谢5 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 无线频谱资源是一种宝贵的自然资源，它的分配、管理和使用授权通常 是由国家政府的相关部门确定的。随着人类文明的不断发展和社会的不断进 步，人们对移动通信以及无线宽带接入业务的需求也不断增长，频谱资源的 使用日趋频繁，整个频谱空间被划分的所剩无几。如何提高频谱的利用率， 一直以来都是无线通信领域研究的主要课题。目前的无线通信系统对于频谱 资源几乎都是采用固定的频谱分配方案，即将某一段频谱分配给某一特定的 无线接入网络，然后再把这段频谱划分为若干个频谱块，这些频谱块大小固 定，相互之间间隔一个大小固定的保护频段，将这些频谱块分配给得到授权 的用户，只有这些用户的授权期限结束之后才可以分配给其他用户。 近年来，通信界普遍认识到，这种固定的频谱分配方式是造成当前频谱 资源日益短缺的主要原因之一。美国联邦通信委员会( f c c ) 2 0 0 2 年发布了一 项旨在有效管理频谱资源的报告【l 】，该报告明确指出：在很多频带，频谱的 准入是一个比频谱缺乏更重要的问题，很多潜在的用户碍于法规的限制不能 获得这些频带上的准入。由于在某些地区授权用户不会在任何时间都使用其 频段，导致不少授权频段都处于空闲状态。美国联邦通信委员会( f c c ) 的研究 表明，在大部分时间和地区，授权频段的平均利用率在1 5 至8 5 之间【2 】。某 些频带如移动手机网络的频带是得到充分利用的，但是仍然有相当多的频带 没有得到充分的利用。图1 1 是美国加州大学伯克利分校无线研究中心对频 谱利用情况的实际测量结果【3 1 ，从图上可以看出，3 g h z 以上的频段几乎没有 被使用，而3 g h z 以下的频段也有很大一部分没有被充分利用。 这种频谱资源利用不充分的情况引导了研究人员们去思考频谱空穴 ( s p e c t r u mh o l e s ) 这样一个崭新的概念，一个频谱空穴是一个分配给授权用户 的频带，但是在某一时间或空间，在授权用户不占用这一频带的情况下，此 哈尔滨工程大学硕士学位论文 萱i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i 一e l i t i i i i i i i i i i f r e q u e n c y g h z 】 图1 1 伯克利无线研究中心对频谱利用情况的测量结果 频带也可以被其他用户使用【4 】。这样，频谱资源的利用率可以得到明显的提 高。认知无线电技术被认为是检测频谱空穴特性，高效利用频谱资源的主要 手段，近年来，学术界对认知无线电技术越来越感兴趣。认知无线电技术能 够依靠人工智能的支持，感知时域、频域、空域的无线信道环境，自动寻找 闲置频段，并能够根据一定的学习与决策算法自适应的改变系统的参数，从 而有效的利用闲置的频谱资源。这种时间、频率、空间上的多维频谱复用， 大大降低了频谱和带宽的限制对无线技术的束缚，被视为未来最热门的无线 技术之一【5 j 。目前，国内外已经全面展开了对认知无线电技术的研究，涉及 的研究方向包括协议体系与网络结构、频谱感知技术、频谱分配技术等等。 如何在认知无线电系统中实现对频谱资源的有效分配是目前认知无线电 技术研究的热点之一。频谱分配是指根据系统的用户数目及其服务要求将检 测到的空闲频谱资源分配给多个用户，频谱分配方案的选择直接决定了系统 容量以及频谱利用率。自认知无线电概念的提出直至发展到今天，已经有不 少学者为认知无线电中的频谱分配问题提出了具体的理论分析模型并且基于 2 一pj矗事。山鼍jno笺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这些模型研究了相关的算法。本文选择了认知无线电技术中的频谱分配技术 进行研究，探讨了基于匹配博弈的频谱分配算法。 1 2 认知无线电技术的研究现状 自从认知无线电的概念被提出以后，认知无线电技术便受到了广泛的关 注，各个研究机构进行了大量的研究实验，得到了不少研究成果。 ( 1 ) s p e c t r u mp o o l i n g ：j o s e p hm i t o l a 博士在文献 6 中首先提出了s p e c t r u m p o o l i n g 这个概念。此概念受到德国卡尔厄鲁斯大学f i e d r i c hj o n d r a l 教授的 关注，由他领导的研究小组展开了基于o f d m 的中心控制动态频谱接入技术 的研究。其基本思想是把分配给不同的业务的频谱合并成为一个公共的频谱 池( s p e c t r u mp o o l i n g ) ，频谱池中的频谱可以是不连续的。将整个频谱池划分 为若干个子信道，根据授权用户是否占用子信道来判定子信道是不是空闲信 道，认知用户可临时占用频谱池里的空闲信道【7 j 。 ( 2 ) c o r v u s ( c o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o ru s a g eo fv i r t u a lu n l i c e n s e d s p e c t r u m ) 系统：由加州大学伯克利分校无线研究中心b r o d e r s e n 教授领导的 研究小组提出，通过协调方式实现频谱的感知和分配。认知无线电用户分组 协调通信，通过通用控制信道交互感知及控制信息。图1 2 是c o r v u s 系统 物理层及链路层功能框图【引。 媒体接入 用户合作信道分配 控制 小组通用 控制控制 信道 信道 频谱感知信道估计数据传输 图l - 2c o r v u s 系统物理层及链路层功能框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) i e e e 8 0 2 2 2 标准：i e e e ( 美国电子电气工程师学会) 于2 0 0 4 年成立了 i e e e 8 0 2 2 2 工作组。i e e e 8 0 2 2 2 无线区域网络( w i r e l e s sr e g i o n a la r e a n e t w o r k s ，w r a n ) - i - 作于5 4 m h z 8 6 2 m h z ( 北美t v 频段) v h f u h f 频段，它 可以自动检测空闲的频谱资源并加以利用，因此可以与电视、无线麦克风等 已有设备共存。利用w r a n 设备的这种特征可以向低人口密度地区提供类似 于城区所得到的宽带服务【9 1 。目前，已有包括中国、美国、日本在内的多个 国家的多家公司向i e e e 8 0 2 2 2 工作组提交了提案，目前此标准正处于草案 2 0 阶段。 ( 4 ) x g ( n e x tg e n e r a t i o n ) 网络【1 0 , 1 1 】：由美国国防部高级研究计划署 ( i ) a r p a ) 策略技术办公室发起的下一代( n e x tg e n e r a t i o n ) 通信计划，研制以认 知无线电为核心的通信网络，实现动态的频谱分配及共享。图1 3 是文献 1 0 】 中提出的基于认知无线电的x g 网络架构图。 胜用弪利 q o s 需求 应用层 切换延时，损失重配置 传输层 路由信息路由信息重配置 频谱 网络层 频谱 移动性 管理 功能功能 链路层延时 频谱 调度信息重配置 共享 链路层 感知信息 物理层 感知信息重配置 频谱 感知 图1 3 基于认知无线电的x g 网络架构图 4 提出，采用中心控制机制，通过频谱经纪人管理网络范围内的所有交易。这 种中心式的频谱管理机制减小了系统的复杂度，提高了频谱接入的效率。系 统主要由基站、认知用户、频谱接入管理者和频谱经纪人四部分组成【1 2 】。 1 3 本文的研究内容及结构安排 本文分为四章，各章节的内容具体安排如下： 第l 章是绪论部分，主要介绍了本文的研究背景、意义及认知无线电技 术的国内外研究现状，对论文的结构及内容进行了简要的说明。 第2 章对认知无线电技术进行了研究。首先介绍了认知无线电技术的基 本原理及各个关键技术，然后对认知无线电的频谱分配技术进行了重点研究， 研究了几种现有的频谱分配模型。 第3 章首先介绍了合作博弈的一些基本理论，然后对匹配博弈这一重要 的合作博弈模型进行了研究。在此基础上提出了一个适用于单载波系统的基 于一对一匹配博弈的频谱分配算法和一个适用于多载波系统的基于多对一匹 配博弈的频谱分配算法。理论分析证明使用匹配博弈算法能够寻找到系统的 最优稳定解。仿真结果表明使用匹配博弈算法得到的频谱分配结果可以兼顾 效率与公平。 第4 章首先研究了经典的注水功率分配方法，然后结合注水功率分配理 论对多对一匹配博弈算法进行了改进，提出了一个频谱及功率联合分配算法 以使得系统信道容量最大化。最后我们研究了结合频谱感知贡献的匹配博弈 频谱分配算法，仿真结果表明该算法可以使在感知阶段贡献更大的用户获得 更多的频谱资源。 在最后的结论部分中对全文进行了总结，并对下一步的研究工作进行了 展望。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章认知无线电技术研究 2 1 认知无线电技术的出现及演进 认知无线电这个名词最早是由j o s e p hm i t o l ai i i 博士在其1 9 9 9 年发表的 文献 6 o e 提出的。他描述了认知无线电通过一种被称为无线电知识表达语言 ( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 的新语言来提高无线电业务的灵 活性。随后，在m i t o l a 的博士论文中，对认知无线电进行了详细描述：认知 无线电这一术语是指这样一种观点，即无线数字设备和相关的网络在无线电 资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户的通信需求，并能够根据这 些需求来提供最合适的无线电资源和无线业务。这最终会演进成一个扩展的 软件无线电平台一一个能根据网络和用户需求来配置通信功能及参数的黑盒 军【1 3 - 1 5 1 j0 ，、 计划、) 、， 一一、 判决1 、 分配资源 图2 1m i t o l a 的认知圈模型 图2 1 是m i t o l a 给出的认知 ( c o g n i f i o n c y c l e ) 模型。图中描述了认知无 线电如何与外界环境( o u t s i d ew o r l d ) j 注行信息交互。当外界环境发生变化时， 认知无线电系统将经历一个观察环境( o b s e r v e ) 、自身定位( o r i e n t ) 、制定计划 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( p l a n ) 、学习( l e a r n ) 、判决( d e c i d e ) 、执行( a c t ) 的流程。这些阶段都具备机器 学习( m a e h i n el e a r n i n g ) f l 皂, 力。m i t o l a 的认知无线电中，在做出改变运行参数 决定的时候，无线网络观察到的每一个参数都被考虑到，这种基于人工智能 的认知无线电系统受限于硬件的计算能力，目前难以实现【1 4 1 。 2 0 0 3 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了关于认知无线电技术及其应 用的政策制定提案公告。f c c 建议任意无线电只要具备自适应的频谱感知功 能就可称为认知无线电。公告提出认知无线电技术被允许使用的可能应用情 景之一将会是：“认知无线电能够使没有与授权用户达成自愿协议并且没有频 谱使用许可的非授权用户接入频谱【1 4 】。 也就是说，非授权用户可以在授权 用户不占用某一频带的时间或空间上占用该需要授权许可的频段。 2 0 0 5 年，著名学者s i m o nh a y k i n 教授在文献 1 6 】中，提出了一个基本认 知圈模型，见图2 2 。在这个认知圈模型中，认知无线电系统可以感知外界无 线信道环境的变化，在接收端对无线电资源进行分析，对信道状态进行估计 和预测，找到可以使用的空闲信道，选择合适的发射功率及频谱策略，从而 提高频谱的利用率。 发射机 接收机 图2 2s i m o nh a y k i n 的认知圈模型 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 综上所述，可以这样来定义认知无线电：认知无线电系统是一个智能的 无线通信系统，它能够感知外界的无线频谱环境，通过对环境的了解和学习 实时的调整系统的内部状态( 传输功率、载波频率、调制方式等) ，以适应外 界环境的变化，达到系统性能的最优化【1 4 ，1 6 1 。从定义中我们可以看出，认知 无线电应该具备两个主要特征：认知能力( c o g n i t i v ec a p a b i l i t y ) 和重新配置能 力( r e c o r f f i g u r a b i l i t y ) 。认知能力能够使认知无线电对外界环境进行了解和学 习，重新配置能力可以根据认知到的外界情况调整载频、功率、调制等发射 参数。认知能力主要是通过频谱感知技术来实现，重新配置能力主要是通过 频谱分配技术、功率控制技术等手段来实现。下面，我们对这几个认知无线 电系统的关键技术分别进行介绍。 2 2 频谱感知技术 认知无线电系统的一个重要能力就是频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 能力。 如前文所述，认知无线电要能够感知外界环境的变化，通过频谱感知能力检 测到暂时闲置的频谱资源，使得认知无线电与周围环境相适应。由于得到频 谱授权的主用户( p r i m a r yu s e r ) 网络没有义务改变它的结构来实现与认知无线 电网络的频谱共享，认知无线电只能独立的通过连续的频谱感知对主用户进 行检测。为了体现与得到授权的主用户的区别，认知无线电用户被称为第二 用户( s e c o n d a r yu s e r ) 。 在进行频谱感知时，各种检测方法都基于以下两个前提假设【1 4 1 ： ( 1 ) 物理以上层的协议必须保证认知无线电用户在检测这段时间内保持 沉默，这样才能保证外界的频谱功率是由主用户发出的。 ( 2 ) 必须假设出现最坏的情况，即认知用户的接收机与主用户的发射机 之间是非视距的，对主用户的检测必须达到9 9 9 的成功率【1 7 】。否则，主用 户是不会愿意与认知用户共享频谱的。 总的来讲，频谱感知技术可以分为对发射机的检测( t r a n s m i t t e r d e t e c t i o n ) 、合作检测( c o o p e r a t i v ed e t e c t i o n ) 和基于干扰的检测 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( i n t e r f e r e n c e b a s e dd e t e c t i o n ) t 1 4 1 ，如图2 3 所示。 频谱感知 发射机检测合作检测基于干扰的检测 能 量 检 测 匹 配 滤 波 器 检 测 循 环 特 征 检 测 图2 3 频谱感知技术的分类 发射机检测又被称作非合作检测，主要包括能量检测、匹配滤波器检测 和循环特征检测等几种检测方法。它们的检测性能受到接受到的信号的强度 限制。由于多径衰落和遮蔽的影响，信号强度可能会大大降低，使得检测性 能受到影响。采用合作检测的方法能够收到来自不同路径的信号，大大减小 了单个用户检测所具有的不确定性。合作检测能在很大程度上消减多径衰落 和遮蔽的影响，提高检测成功率i l 引。 f c c 于2 0 0 3 年提出了一个新的量化和管理干扰源的模型，即干扰温度 ( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 模型t 1 9 1 ，如图2 4 所示。其基本思想是具有感知外 界环境能力的认知无线电设备能够检测到其发射机对主用户接收机的干扰， 通过改变认知用户发射机的参数( 发射机的功率、天线的方向等) ，使得认知 用户的射频信号在被主用户接收到的时候达到噪声的水准。f c c 定义了干扰 温度限( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r el i m i t ) 的概念，认知用户想要共享授权用户的 频谱资源，就必须保证其对授权用户造成的干扰低于授权用户所能容忍的干 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 扰温度限。基于干扰的检测便是在干扰温度模型下产生的。文献 1 4 】中提出 了一种可用于检测干扰温度的方法：多窗e l 估计方法，文献【2 0 】中指出这种 估计方法是近似最优化的。 接 收 机 处 的 功 蜜 2 3 频谱分配技术 主用户发射天线间的距离 图2 4 干扰温度模型 认知无线电通过频谱感知功能检测到的空闲频谱资源分布在很广的频域 上，它们具有不同的频谱特征( 如中一i i , 频率、带宽等) ，认知无线电需要根据 频谱感知阶段检测到的频谱特征及用户的q o s 需求对频谱进行动态的分配。 频谱分配的目标是使得系统的总效用达到最优化( 如系统的总吞吐量最大 化) ，如何设计一个有效的频谱分配策略是大家的研究重点。 2 3 1 频谱分配技术的信道模型 判断信道能否被认知用户使用主要有两种模型：“0 ，l 模型和干扰温度 模型。下面分别对这两种模型进行简要介绍。 “0 ，l 模型中，认知用户通过其频谱感知功能检测主用户的信号以判 断主用户是否占用信道。如果某信道已经被主用户占用，那么该信道对认知 用户来说是不可使用的，用“0 来标记。如果信道没有被主用户占用，那么 该信道对认知用户来说是可以使用的，用“l 来标记。这样认知用户就可以 1 0 得到一个判断信道资源是否可以使用的列表，系统可以根据各认知用户的信 道资源列表进行动态的频谱分配。 在2 2 节中我们已经对干扰温度进行了简要介绍，在基于干扰温度的信 道分配模型中，认知用户可以和主用户同时使用信道资源，只要能保证认知 用户对主用户的干扰低于其所能容忍的干扰温度限，那么信道资源对认知用 户来说就是可用的。 2 3 2 频谱分配技术的分类 频谱分配技术可以从结构( a r c h i t e c t u r e ) 、频谱分配行为( s p e c t r u m a l l o c a t i o nb e h a v i o r ) 、及频谱接入技术( s p e c t r u ma c c e s st e c h n i q u e ) - - - 方面进行 分类【1 4 j ，如图2 5 所示。 按结构分类可以分为集中式( c e n t r a l i z e d ) 频谱分配和分布式( d i s t r i b u t e d ) 频谱分配。在集中式频谱分配方案【2 1 ，2 2 1 中，网络的每个节点都把自己感知的 频谱信息汇集到一个集中控制单元，由集中控制单元控制频谱的分配和接入 过程。在分布式频谱分配方案【2 3 ，2 4 】中，不存在集中控制单元，各节点根据自身 的检测结果确定频谱分配策略。 按频谱分配行为分类可以分为合作式( c o o p e r a t i v e ) 频谱分配和非合作式 ( n o n - c o o p e r a t i v e ) 频谱分配。在合作式的频谱分配方案【2 1 2 4 】中，考虑到各节点 之间的相互影响，每个节点的感知信息都会和其他节点共享，相应的频谱分 配算法也会考虑这些信息。而在非合作式的频谱分配方案【2 5 ，2 6 】中，节点只考 虑自身的利益，这种方案也被称为是自私的。这种非合作的方法可能会导致 系统总体效用的降低，但是网络中的节点不需要了解其他节点的信息，对其 他节点的通信要求最低。 按频谱接入技术分类可以分为填充式( o v e r l a y ) 频谱分配和下垫式 ( u n d e r l a y ) 频谱分配。填充式频谱分配是指认知节点使用闲置的频谱接入网 络，这种情况下对主用户不构成干扰。下垫式频谱分配是指认知节点使用主 用户正在使用的频谱接入网络，主用户将认知节点发送的信号当成噪声。例 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii 如基于干扰温度模型的频谱分配方案。 频谱分配 按结构分类按频谱分配行为分类 按频谱接入技术分类 2 3 - 3 频谱分配的原则 图2 5 频谱分配技术的分类 填充式下垫式 认知无线电系统中的频谱分配和其它通信系统的频谱分配具有很多类似 的地方，但是由于认知无线电系统中分配的频谱资源都是主用户暂时闲置的， 因此其频谱分配也要满足一些特殊的原则【1 5 】： 保证灵活性。认知无线电是能够检测到主用户暂时闲置的频谱资源并利 用其进行通信的无线电。因此，认知用户对可用频谱的检测必须是连续不间 断的，这样才能保证可用频谱信息的实时更新。一旦主用户需要使用认知用 户借用的频段，认知用户就必须及时的退出该频段，并切换到其它的闲置频 段进行通信。因此，认知无线电中的频谱分配就必须要保证灵活性，频谱分 配算法必须满足实时性的要求。 提高系统的性能。频谱分配的主要目的是对感知到的可用频谱资源进行 有效的分配，从而使系统的性能接近于最优状态。应用于不同情景的认知系 统对系统性能也有着不同的需求，如以最小化系统总干扰为目标、以实现频 谱在用户间的公平分配为目标、以最大化系统的吞吐量为目标等。为了满足 不同的系统需求，可以设计出相应的目标函数用于分配算法中，以提高系统 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需求的性能。 减小信令开销和计算量。频谱分配算法需要一定的信令传输并耗费一定 的计算时间，这些都被视为由分配算法所带来的系统开销。因此，在设计频 谱分配算法时需要降低用户间及用户与中心节点间信令的复杂度并降低算法 的计算量。 2 3 4 频谱分配技术的主要模型 频谱分配的目标是优化系统的性能。为了实现这一目标，我们首先要将 频谱分配问题抽象成一个数学模型，借助数学工具的分析来寻找最佳的频谱 分配方案。目前已有不少学者为频谱分配问题提出了分析模型，这些分析模 型大多是借鉴了经典的数学理论，例如博弈论、图论等。博弈论是研究多人 决策问题的理论，在博弈论中使用严谨的数学模型来分析博弈参与人在策略 选择中的冲突与合作，寻找最佳的策略选择方案。与之相似，认知无线电的 频谱分配问题研究的是认知用户对频谱资源的选择，因此我们可以将博弈论 引入频谱分配问题中，借助博弈论来解决频谱分配问题。下面我们首先介绍 三种基于博弈论的频谱分配模型，然后简要介绍基于图论的频谱分配模型。 ( 1 ) 基于非合作博弈的频谱分配 一个标准的刀人静态博弈包含三个要素：博弈参与人l 、2 ，z ；每个 参与人的可行策略空间s 、& 最以及针对每一可能的策略组合，每一参 与人的收益、1 , 1 2 甜。在这里，假定每个参与人都是自私的，理性的。 博弈的参与人i 将会选择一个策略f ，这个策略是对其他参与人选定策略的 最优反映，即选定这个策略会使得参与人f 的收益u t 达到最大。策略组合 研，z ) 就是博弈的一个纳什均衡阳。一个纳什均衡中，在其他参与人不 改变策略的前提下，参与人i 单方面的改变策略将会使得其收益降低，因此， 博弈进入了一个稳定状态。纳什于1 9 5 0 年证明了在任何有限博弈( 即参与者 1 、2 刀及可选策略空间s 、& 最都是有限的) 中，都存在至少一个 纳什均衡。解决了纳什均衡解的存在问题，我们所要做的就是提出一个合适 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的收益函数并寻找一种合适的算法来寻找博弈中的纳什均衡，并判断此纳什 均衡是否是博弈的最优解。 在基于非合作博弈的频谱分配模型中，将频谱分配问题抽象成为一个博 弈的标准式g = 1 ，万；s ，最；，u n ) 。其中，博弈的参与人为认知网络中 的甩个认知用户，参与人的策略是对各个可选信道的选择，参与人所获得的 的效用和它们所选信道的参数有关。博弈分析的关键是设计一个合理的效用 函数及一个能收敛于纳什均衡的算法。文献 2 8 】中提出了一个利用无悔学习 算法寻找博弈中的纳什均衡解的方案，文中以最小化系统的总干扰水平为目 标设计了效用函数，并设计了一个用于计算每轮算法周期中各个策略的选择 概率公式。在每个算法周期中，用户都会计算可选策略的权重，并把计算结 果带入下一个周期，从而使得表现好的策略在下一轮选择中获得更大的机会。 文中通过仿真分析验证了使用所提算法可以寻找到博弈的纳什均衡解，可以 实现最小化系统总干扰水平的需求。 由于借助非合作博弈理论来进行频谱分配具有不少优点，比如认知用户 只需要了解自身的信息，不需要了解网络中其他用户的信息，减小了通信开 销；非合作博弈理论已经发展多年，有丰富的数学模型和算法可供应用等， 这种结合非合作博弈理论的频谱分配方法受到了广泛的关注与研究。文献 2 9 】 中介绍的基于c o u r n o t 模型的频谱分配、文献【3 0 】中介绍的基于b e r t r a n d 模型、 s t a c k e l b e r g 模型的频谱分配都属于非合作博弈的范畴。但是，从文献【2 7 】中 的描述可知，纳什均衡点也许并不是系统的最优点，这种采用对自私的个体 求最优的方法求得的结果从总体上来