（通信与信息系统专业论文）基于博弈论的认知无线电频谱共享算法研究(1).pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着无线通信技术在人们日常生活中的广泛应用，频谱资源匮乏问题 日益严重。研究表明，目前的固定频谱分配制度导致资源平均利用率低下，且极 不平衡。有限的可用频谱和低的频谱资源利用率决定了急需一种新的通信方式。 认知无线电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。 认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电 概念提出至今，不少学者提出了频谱共享问题的分析模型，它们大多是借鉴一些 经典的数学理论以及微观经济学理论，近年来出现了基于博弈论的研究方法，但 算法局限性大，与认知无线电系统的实际工作环境存在差异，因此研究符合实际 情况的频谱共享博弈模型，拓展博弈算法的应用，具有深远的理论意义和现实意 义。 本文在深入分析现有频谱共享模型的基础上，首先建立了认知无线电网络频 谱共享的系统框架，提出认知无线电网络频谱共享的博弈模型，其次应用该模型， 引入频谱差异性概念，设计了认知无线电网络中频谱共享的三种博弈算法静 态伯川德( b e r t r a n d ) 博弈算法，动态斯坦克尔伯格( s t a c k e l b e r g ) 博弈算法和重 复博弈算法，三种算法均以主系统效用最大化为设计目标，以改善主系统频谱利 用率为最终目的。最后利用数值分析的方法求解均衡结果，详细阐述了频谱的水 平差异和垂直差异对主系统共享频谱的积极性和主系统频谱利用率的影响，并比 较三种算法的优缺点。 数值分析结果表明，三种算法都能够提高主系统的效用，但动态算法中后行 动者具有优势，效用更高，对于重复博弈算法，只要设置了适当的惩罚机制，不 同主系统则相互合作，最终实现帕累托最优，极大地调动了主系统共享频谱的积 极性，而且三种算法均不同程度的改善了主系统的频谱利用率。 关键词：认知无线电；频谱共享；差异性；博弈论：频谱利用率 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ed e p e n d e n c eo nr a d i os p e c t r u mr e s o u r c eh a sb e e ng r o w i n gw i t ht h e w i d eu s eo ft h ew 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 yi ne v e r y d a yl i f e m e a n w h i l e ，t h e p r o b l e mo fs p e c t r u ms h o r t a g eb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s h o w e v e r , r e s e a r c h e s s h o wt h a tt h ee x i s t i n gf i x e ds p e c t r u ma s s i g n m e n tp o l i c yc a u s e st h el o wa v e r a g e e f f i c i e n c yo fs p e c t r u mu t i l i z a t i o na sw e l la sh i g hi m b a l a n c e t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h e o n l yw a yi s t or e u s et h es p e c t r u ma n di m p r o v et h eu t i l i t yo fs p e c t r u mr e s o u r c e c o g n i t i v er a d i oi sb o r ni nt h i sb a c k g r o u n d ，w h i c hb r i n g sap r o m i s i n gf u t u r et os o l v et h e s p e c t r u ms h o r t a g e ，r e a l i z ed y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n ta n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fs p e c t r u mu t i l i z a t i o n i nc o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ms h a r i n gi sa l w a y st h eh o t s p o ti nt h ew o r l d w i d e r e s e a r c h s i n c ei t sc o n c e p tw a sp i o n e e r e d ，m a n ya n a l y s i sm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e d ， w h i c ha r em a i n l yb a s e do nt h ec l a s s i cm a t h e m a t i ct h e o r ya n dm i c r o e c o n o m i ct h e o r y , e t c r e c e n t l y , t h er e s e a r c hm e t h o db a s e do ng a m et h e o r ye m e r g e s b u tt h er e s e a r c hi sn o t m u c ha n dt h ee x i s t i n ga l g o r i t h mi sl i m i t e d t h e r e f o r et od e v e l o pt h en e ws p e c t r u m s h a r i n gm o d e l sa n dt h ea p p l i c a t i o no fg a m ea l g o r i t h m si se x t r e m e l ym e a n i n g f u lb o t hi n t h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i ca s p e c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , t h et h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko fs p e c t r u ms h a r i n gs y s t e mi n c o g n i t i v er a d i on e t w o r ki se s t a b l i s h e da n dt h eg a m em o d e lf o rt h es p e c t r u ms h a r i n gi n c o g n i t i v er a d i on e t w o r ki sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gs p e c t r u m s h a r i n gm o d e l s s e c o n d l y , w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h i sm o d e l ，t h ec o n c e p to fs p e c t r u m d i v e r s i t yi si n t r o d u c e da n dt h r e eg a m et h e o r e t i c a la l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d ，w h i c ha r e s t a t i cb e r t r a n dg a m ea l g o r i t h m ，d y n a m i cs t a c k e l b e r ga l g o r i t h ma n dr e p e a t e dg a m e a l g o r i t h m a l lo ft h e s ea l g o r i t h m sa r ed e s i g n e dt om a x i m u mt h ep r o f i to ft h ep r i m a r y s y s t e mw i t ht h ef i n a lg o a lo fi m p r o v i n gi t se f f i c i e n c yo fs p e c t r u mu t i l i z a t i o n f i n a l l y , t h ee q u i l i b r i u mo u t c o m ei sa c h i e v e db yu s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t h es p e c i f i c i n f l u e n c e so fh o r i z o n t a ld i v e r s i t ya n dv e r t i c a ld i v e r s i t yo nt h ep o s i t i v i t yo fp r i m a r y s y s t e m ss p e c t r u ms h a r i n ga n dt h ee f f i c i e n c yo fs p e c t r u mu t i l i z a t i o n a r ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e ea l g o r i t h m sa r ea l s o c o m p a r e d t h er e s u l to fn u m e r i c a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e s et h r e ea l g o r i t h m si m p r o v et h e p r o f i to ft h ep r i m a r ys y s t e m sg r a d u a l l y , b u tt h ep r i m a r ys y s t e mw h i c hc h o o s e sh i s a c t i o nl a t e rh a st h ea d v a n t a g eo fm o r ep r o f i t i nr e p e a t e dg a m e ，a l lt h es y s t e m sw i l lb e v i l 北京交通火学硕士学位论文 c o o p e r a t i v ea sl o n ga st h ep u n i s h m e n ti sl o g i c a la n dp a r e t oo p t i m a l i t y c a l lb ea c h i e v e d e v e n t u a l l y a l s o ，t h e r e a led i f f e r e n ti m p r o v e m e n t si nt h ee f f i c i e n c yo fs p e c t r u m u t i l i z a t i o no ft h ep r i m a r ys y s t e ma f t e ru s i n gt h et h r e ea l g o r i t h m s c o n s e q u e n t l y , t h eg o a l o fu s i n gt h e o r e t i c a lm e t h o dt os t u d ys p e c t r u ms h a r i n gi nt h ec o g n i t i v er a d i on e t w o r ki s a c h i e v e d k e y w o r d s - c o g n i t i v er a d i o ；s p e c t r u ms h a r i n g ；d i v e r s i t y ；g a m et h e o r y ；s p e c t r u m u t i l i z a t i o n c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：昼方劢导师签名： 孑吻窖楫 l 签字日期：寸鲫 年占月t ol l签字日期：p 孑年占月7 。日 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：景奇劢签字同期：莎伽，年月 印日 致谢 本论文的工作是在我的导师谈振辉教授的悉心指导下完成的，谈振辉教授严 肃的科学态度，严谨的治学精神，渊博的学识、精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。两年来，谈振辉教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思 想上、生活上给我以无微不至的关怀，在思想道德情操和为人处事上给我树立了 光辉的榜样。从课题的选择到项目的最终完成，谈振辉教授都始终给予我细心的 指导和不懈的支持。在此谨向谈振辉老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 无线通信实验室的金晓军老师、熊磊老师在我学习期间给予我的热心帮助， 对我在实验室的学习和科研给予了极大的支持，他们孜孜不倦、尽心尽力的敬业 精神时刻影响着我，在此表示衷心的谢意。特别感谢黄清老师、陈霞老师在科研 工作和论文上给我提出的宝贵意见以及提供相关的资料，给我很大的启发。 我还要感谢实验室的师兄师姐、师弟师妹们，正是由于你们的帮助和支持， 我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别是吴恰梦、李佳 俊、李亚光、李晓春、彭定志等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此 一并向他们表达我的感激之情。 感谢含辛茹苦培养我长大的父母，你们的理解和默默的支持使我能够在学校 专心完成我的学业，你们的健康是我最大的快乐。 最后祝我所有的亲人、老师、朋友和同学一切顺利、幸福健康。 绪论 1 绪论 近年来，随着无线通信市场和技术的发展，频谱资源匮乏现象同益突出。通 过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等能够提高 频谱效率，但有研究结果表明，造成频谱短缺的主要原因不是物理频谱不足，而 是现有的频谱管理与分配制度不合理【l 】。目前无线网络普遍采用固定频谱分配制 度，将频谱分为2 个部分：授权频段( l f b ) 和非授权频段( u f b ) 。大部分频谱 资源用作授权频段，只有拥有授权的用户才能使用，如电视广播频段等等。这种 固定频谱分配方式管理简单易行，但整体频谱利用率低下。 美国联邦通信委员会( f c c ) 频谱策略任务工作报告【2 】给出的时间和空间上的 统计结果显示，由频谱管理机构为授权系统和业务分配的长期固定的频谱资源利 用率从1 5 0 o - - 8 5 不等，某些频带如移动手机网络的频带超负荷使用，但是诸如业 余无线电等相当多频段并没有得到充分使用，并且频谱利用率在不同的时间和空 间也不相同。可用频谱资源有限，加之频谱利用率低下，使得寻找可以与现有的 通信系统择机共存的通信实体成为必需。 认知无线电( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 3 1 d 正是在这样的背景下应运而生的，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 认知无线电概述 在开始本文之前，需要明确两个术语次用户和主用户。不同的参考文献 中对认知无线电终端的称谓有认知无线电用户( c o g n i t i v er a d i ou s e r ，c r u ) 、二级 用户( s e c o n d a r yu s e r ，s u ) 、次用户等多种方式，本文中如果没有特别标示，则统 一称之为次用户。同理，对经购买或授权而拥有某段频谱使用权的授权用户，文 献中的称谓有授权用户( l i c e n s e du s e r ，l u ) 、主用户( p r i m a r yu s e r ，p u ) 等，本文 统一称为主用户。 1 1 1 认知无线电的定义 认知无线电自提出以来，对于它的理解可谓仁者见仁、智者见智，有代表性 的是m i t o l a 、f c c 、i t uw p s a 、j o h n n o t o r 等个人或组织对认知无线电的定义。 认知无线电的概念是由j o s e p hm i t o l a 博士在其1 9 9 9 年发表的学术论文【3 】【4 1 中 北京交通大学硕士学位论文 提出的，文中描述了认知无线电怎样通过一种称作“无线电知识表示语言( r a d i o k 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 ，r k r l ) 的语言来提高个人无线电业务的灵活 性。随后，在其博士论文【5 】中，指出现有的数字无线电适应性很强，但是缺乏计算 智能，“不能知道他所知道的 ，认知是指无线电必须具有自我感知能力，了解其 工作环境的基本状况，并使用r k r l 与其他的实体进行通信，从而实现无线电的 控制问题。m i t o l a 描述的认知无线电，当其决定改变运行参数时，会考虑到无线节 点和网络观察到的每一个可能的参数，所以m i t o l a 的认知无线电通常被称为“全 认知无线电 。然而到目前为止，这样的认知无线电还没有实现过。 相比m i t o l a 对认知无线电的认识，f c c 的定义更能为业界所接受。f c c 认为， 任何具有自适应频谱感知能力的无线电都可以称之为认知无线电。此后，f c c 给 出了认知无线电的狭义定义【6 j ： “认知无线电是指能够通过与其工作环境的交互，改变发射机参数的无线电 设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电设备( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s ， s d r ) ，但既没有软件也没有现场可编程的要求 。 针对频谱利用率低的现状，f c c 提出采用认知无线电技术实现“开放频谱系 统 ，在这个系统中，合法的授权用户( 即主用户) 具有高的优先权接入频谱，而具 有认知无线电功能的非授权用户( 即次用户) ，可在对授权用户不造成干扰的情况下 择机接入空闲频谱。因此认知无线电也称为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线 电等。从定义中可以看出认知无线电具有两个主要特征1 3 0 ，即认知能力和重新配 置的能力。其中认知能力是指捕获或者侦听信息的能力，避免对其他用户的干扰， 识别出频谱空洞，从而选择最佳的频谱和适合的工作参数。重新配置的能力是指 认知无线电能够根据无线环境动态的配置，即认知无线电可以改变工作频率，还 可以使用不同的传输和接入技术。因为大多数频谱已经分配出去，c r 最重要的挑 战是在不影响授权用户传输的条件下共享授权频谱，它的最终目标是通过认知能 力和重新配置能力来获得最佳的可用频谱。 s i m o nh a y k i n 教授在文献 7 】中从信号处理的观点对认知无线电进行定义，“认 知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并运用理解一构建 的方法从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 比如发射功率、载波频率和调 制方式等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，从而实现任何时 间任何地点的高可靠性通信和对频谱资源的有效利用 。 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【8 】。 j o h nn o t o r 认为软件无线电( 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【9 j 。 2 绪论 本文从主系统的角度研究认知无线电，主要考虑利用认知无线电技术实现无 线电频谱的动态接入和共享，提高频谱利用率，从应用上讲，与f c c 提出的认知 无线电的应用基本相同。 1 1 2 认知无线电的研究现状 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、认知无线电媒体接 入技术、认知无线电频谱资源分配技术等等。典型的系统【3 0 】有： l 、频谱池：基于频谱池的共享策略【l o 】【】是集中式网络的典型代表，其核心思 想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池 划分为若干个子信道，子信道是频谱分配的基本单位。基于频谱共享池策略的动 态频谱分配实上是一个受限的信道分配问题，以最大化信道利用率为主要目标， 同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。频谱共享池基于正交频分复用( o f d m ) 技术，共享网络包括一个基站和多个认知无线电用户。目前，正在进行这个体系 结构的物理层和m a c 层问题的研究，如：频谱接入检测、时序安排和切换等。 2 、c o r v u s ：“虚拟非授权频谱系统 认知无线电方法，该方法使用空闲的 授权频带【1 2 】【1 3 】。在c o r v u s 系统中，基于本地频谱侦听，主用户检测和频谱分 配以合作的方式完成。这种合作的方法极大地增强了系统识别和避免主用户的能 力。在c o r v u s 系统中，若干次用户构成一个次用户组( s u g ) ，组中用户协调 工作。所有组使用一个通用控制信道，各个成员组使用各自的组控制信道交换侦 听信息和建立次用户链路。组中的每一个成员侦听已经划分成多个子信道的频谱 池。通过c o r v u s 试验台【1 4 】测试了其物理层和链路层的性能。最近，c o r v u s 系 统提出一种可靠的链路维护协议，用来维护次用户的通信质量【1 5 】。 3 、i e e e 8 0 2 2 2 这是全球第一个基于认知无线电技术的标准【1 6 】，现在正处于 标准化进程中。这个标准正式名称为无线区域网标准( w & 蝌) ，主要研究建立固 定的点对多点的w r a n ，工作在5 4 m h z 8 6 2 m h z 的u h f v h f 电视频段。在 i e e e 8 0 2 2 2 中使用专门的t v 信道和保护频带进行通信，并专门有固定的点对多 点的无线空口，通过基站管理自己的小区和所有的用户，该标准中用户称为用户 驻地设备( c p e ) 。基站使用一种特有的分布式侦听方式，需要有特殊的保护机制 并由基站控制，基站指导不同的c p e 完成分布式的检测。i e e e 8 0 2 2 2 系统的频谱 效率范围是0 5 5 b i t s h z 。i e e e8 0 2 2 2 与现在的i e e e8 0 2 标准的显著不同是基站 覆盖范围，如果不考虑功率问题可以覆盖1 0 0 k i n 。现行指标是c p e 有效全向辐射 功率为4 w 时覆盖范围3 3 k i n 1 7 j 。 北京交通大学硕士学位论文 4 、d i m s u m n e t ：泛在移动网络中的频谱动态智能管理【1 8 】。该方案利用统计 多址( s m a ) 实现合作接入频带( c a b ) 上的通信。c a b 改善了频谱接入效率和 公平性，而s m a 主要改善频谱的利用率。c a b 是授权机构保留的连续的频谱块， 频谱经纪人永久拥有c a b 并根据请求出租它。d i m s u i v l n e t 使用集中的，区域网 络电平代理机制，目标是显著改善频谱利用率的同时降低复杂性和系统的灵活性。 基站向指定的无线接入网络管理器( 黜m a n ) 登记，无线接入网络管理器与频 谱信息管理代理协商，决定出租频谱的比例，如果成功达成共识，r a n m a n 在基 站中配置出租的频谱，基站发送从r a n m a n 接收到的频谱信息给他的用户，用 户使用频谱信息进行客户端配置。d i m s u m n e t 的频谱利用率已经在c d m a 和 g s m 蜂窝网络中进行了测量，目标是描述c a b 和s m a 的可行性【l9 1 。最近的研究 主要集中在频谱定价和频谱代理的分配l 2 0 。 5 、d 融v e o v e r d r i v ep r o j e c t ：该工程是欧洲提出的在车载环境中提供p 服 务的动态无线电工程，主要研究异构网络中的动态频谱分配( d s a ) ，该频谱分配 通过公共调整信道实现【2 1 1 。后续工程是研究车载环境频谱有效的单模和多模动态 无线电网络( o v e r d r i v e ) ，为保证移动多媒体服务频谱有效供给，u m t s 和现存 的无线电网络相互协调组成混合网络【2 2 1 。d r i v e o v e r d r i v e 研究了时间动态频谱 分配和空间动态频谱分配【2 3 1 。时间动态频谱分配，无线网络接入当前其他的r a n 没有使用的频谱。而空间动态频谱分配，根据业务需求的区域波动自适应地调整 频谱分配。两种动态频谱分配机制的有效性依赖于业务量的预期能力。尽管这些 工程显示出了提高频谱效率的潜力，但实现时间和空间动态频谱分配的可重新配 置系统仍是一个巨大挑战。 6 、n a u t i l u s ：该工程重点研究分布式的合作频谱共享【2 4 1 ，提出了开放频谱a d h o c 网络的分布式的、可升级的、有效的合作框架结构。这种结构不依赖事先定义 的公共控制信道解决频谱的异构性【2 5 】【2 州。基于这个框架结构，提出了三种不同的 协作式频谱接入方案。第一种是基于图论的协作式频谱接入方案【2 翻，用于固定拓 扑结构的拓扑最优分配算法，应用该算法，当频谱改变时，网络需要全部重新计 算每个用户的频谱分配，导致高的计算量和通信开销。第二种是基于局部讨价还 价的分布式频谱分配【2 7 】。这种算法中移动用户与本地的自组织组协商频谱分配。 第三种是针对资源受限网络如传感器和a dh o c 网络，提出基于规则的设备中心频 谱管理算法【2 8 】，该算法中非授权用户根据本地观察和预先规则独立的接入频谱。 目前，该工程主要研究使用已提出的分布式协作结构为数据传输选择最佳的信道。 7 、o c r an e t w o r k ：该网络是基于o f d m 的认知无线电网络【2 9 1 。该网络考虑 了异构的认知无线电网络环境中所有可能的配置情形，并采用跨层操作实现基于 o f d m 的动态频谱接入。对于频谱使用和频谱切换，该网络提出了异构频谱环境 4 绪论 中基于o f d m 的频谱管理概念，并提出了一种基于物理层结构的双模频谱共享框 架，这使得接入现存网络的同时可以在认知无线电用户之间进行协调。而且联合 考虑了重新选路和频谱切换的问题，提出了新的路由机制。o c r a 网络引进多频 谱传输技术，采用可用的但不相邻的无线频谱实现高质量的通信。 1 2认知无线电的主要功能 认知无线电技术包括频谱检测、频谱管理和共享以及频谱移动性【3 0 】等多方面 的内容，其核心思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞【7 】，并合理利用的能力。 例如采用频谱再次利用的思想，允许主用户暂时未使用的部分频谱为其他用户所 用，一旦主用户需要时再归还给主用户使用或者利用不需要的授权频段。作为无 线通信领域的重大进展，认知无线电打破了日益紧张的有限可用频谱的“瓶颈” 障碍。 认知无线电技术为次用户提供了择机使用和共享频谱的能力。动态频谱接入 技术允许认知无线电工作在最佳的可用信道上。确切的说【3 0 】，认知无线电技术使 用户能够 检测可用频谱，当用户工作在授权频带时检测主用户的出现( 频谱检测) ； 选择最佳的可用信道( 频谱管理) ； 与其他用户协调接入信道( 频谱共享) ； 当检测到主用户时腾空信道( 频谱移动性) 。 1 2 1 频谱检测 频谱检测的目的是检测所有可用自由度( 时间、频率、空间) 上的频谱，以 辨识出当前可用于c r 通信的信道。为了不对主用户造成干扰，次用户在利用频谱 空洞进行通信的过程中，需要能够快速感知到主用户的再次出现，并迅速腾空频 谱，或在主用户干扰门限之下继续通信。这就需要认知无线电具有频谱感知的功 能，能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。 检测频谱空洞的最有效地方式是检测在次用户通信范围内的正在接收数据的 主用户。实际上，对认知无线电来说很难找到直接的检测主用户发射机和接收机 之间信道的方法。因此，大部分工作都是集中在基于次用户本地观察的主用户发 射机的检测。频谱检测的基本方法可以分为发射机检测、合作检测和基于干扰的 检测三种。其中，发射机检测主要有匹配滤波、能量检测、周期特征检测以及时 频分析等方法；合作检测又分为集中式和分布式两种；而基于干扰的检测要设定 5 北京交通大学硕士学位论文 系统干扰温度的门限值，要求用户能够准确的测出干扰温度并工作在该门限值之 下。频谱检测存在干扰温度测量、多用户网络中的频谱检测以及检测能力等多方 面的挑战。频谱检测主要是物理层技术，是频谱管理、频谱共享和频谱移动性的 基础。 1 2 2 频谱管理 在认知无线电网络中，未使用的频谱包括授权和非授权频带在内的很宽的频 率范围，根据无线环境的时变特性和工作频率和带宽等频谱信息，通过频谱检测 侦听到的未使用的频谱具有不同的特征，认知无线电网络频谱管理的主要内容是 在频谱感知的基础上进行频谱分析和频谱决策，根据用户的q o s 需求在所有可用 信道中选择最佳信道。频谱分析主要是通过分析空洞，估计频谱参数等信息，从 而知道频谱特性，以保证频谱的合理分配。频谱决策就是根据当前业务的q o s 需 求，决定数据速率、可接受的错误概率、时延上限、传输模式和传输带宽等重要 参数，根据判决规则结合已有的频谱信息，为用户选择最适合的频段。频谱分析 与频谱决策对物理层感知信息进行处理，同时与更高层( 如应用层) 有紧密联系。 1 2 3 频谱移动性管理 与目前的固定频谱分配方式不同，认知无线电系统中的用户是在一种动态频 谱分配方式下选择最适合通信的频段。当信道条件变得很差，或更高优先级的用 户要求使用当前通信频段时，就需要通过频谱切换跳转到另一个信道上继续通信。 频谱切换以及链路维持称之为频谱移动性( s p e c t r u mm o b i l i t y ) 管理。频谱切换主要 包括三个过程：频谱切换初始化、频谱切换决策和频谱切换执行。频谱移动性管 理需要设计快速频谱选择算法和快速频谱切换算法，保证切换过程中用户的q o s 。 某段时间，可能存在多个可用频谱，频谱选择算法根据可用频谱的信道特性和应 用服务的需求为用户选择通信频谱，最优化整个系统的频谱资源利用率。快速频 谱切换算法保证应用服务的性能在切换中不会受到过多的影响，保证切换时用户 连接得到维持。算法设计中，收敛速度和避免乒乓效应是重点和难点。 1 2 4 频谱共享 频谱共享技术是认知无线电网络中的重要技术，是机会式频谱利用的核心。 通过频谱共享能够对不可再生的频谱资源实现再利用，有效解决频谱稀缺和利用 6 绪论 率低下的问题。频谱共享可看作是媒体接入控制( m a c ) 层的问题，它的研究包 括频谱共享的方式与策略设计，涉及到协议栈中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。因此近年来许多研究机构和个人在频谱共享方面进 行了多方面的工作，但仍存在许多没有解决的问题，这部分也是本论文研究的重 点，将在下节进行详细的介绍。 1 3频谱共享 认知无线电网络中，开放式频谱系统的主要挑战之一是频谱共享。本节将详 细介绍频谱共享的步骤、分类3 0 1 ，并重点介绍频谱共享的基本模型，指出现有模 型的不足，引出本文的研究方向。 1 3 1 频谱共享的步骤 相比现有无线系统中的频谱共享，认知无线电网络的频谱共享面临新的问题， 从实现的角度来看，频谱共享包括以下5 个步骤【3 0 1 ，每个步骤都存在相应的挑战和 解决方法。 l 、频谱检测：次用户只能占用主用户没有使用的那部分频谱，因此当次用户 想要传输数据时，首先需要知道他周围频谱的使用情况。关于频谱检测的挑战和 解决办法已经在上一节做过介绍，这里不再赘述。 2 、频谱分配：节点分配信道时不仅依赖于频谱的可用性，还取决于内在的( 可 能外部的) 规则。因此，设计频谱分配规则以改善节点的性能是一个重要的研究 课题。 3 、频谱接入：这一步存在一个重要问题，因为可能多个次用户都要接入频谱， 那么协调接入以阻止多用户碰撞十分必要。 4 、发射机一接收机握手协议：一旦确定了用于通信的频谱，必须通知接收机。 因此，为了保证认知无线电网络的有效通信，需要设计合理的发射机一接收机握 手协议。 5 、频谱移动性：认知节点看作是已分配频谱的“游客 ，如果主用户要占用 正在使用的这部分频谱，那么为保证通信继续进行，就需要切换到其他的空闲频 谱，因而，频谱移动性对认知节点之间的成功通信也十分重要。 1 3 2 频谱共享的分类 7 北京交通大学硕士学位论文 频谱共享可以从结构及控制方式，分配行为和接入技术【3 0 】三个角度进行划分 如图1 1 所示。 网络结构 、 集中式分布式 动态频谱共享 用户行为 ， 合作式非合作式 接入方式 填充式下垫式 图1 - 1 动态频谱共享的分类 f i g 1 1at a x o n o m yo fd y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n g 从网络结构上看，频谱共享分为集中式和分布式。集中式有中心实体控制频 谱分配和接入过程【3 1 1 ，通常，检测过程是分布式的，网络中的每一个实体将他们 的测量参数传送到中心实体，中心实体建立频谱分配图。而分布式结构，各节点 基于本地观测确定频谱分配和接入【2 7 】【2 5 】【2 引。 从分配行为上看，频谱共享分为合作式和非合作式。合作式共享需要考虑节 点通信对其他节点的影响【2 7 】【2 8 】，换句话说，各节点之间要共享每一个节点的干扰 测量参数，所有的集中式共享均可看作是合作的，当然也存在分布式的合作共享， 该方式强调系统整体的有效性，但为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要 公共的协调协议和通信链路，会增加系统的复杂性和额外开销。非合作式共享各 节点具有自私特性，只考虑自身的利益【3 3 】【2 5 】【2 8 1 ，根据自己的信息和策略进行频谱 资源管理，这种方式在频谱占用率和最小通信需求之间取得折中。 最后，从接入方式上看，频谱共享分为填充式( o v e r l a y ) 和下垫式( u n d e r l a y ) ，可 以产生三种方案【3 0 】【5 9 1 。第一种是避免干扰的填充式方案，要求认知无线电用户选 择主用户没有使用的频谱进行通信，从而对主系统造成的干扰最小：第二种是基 于下垫式的扩展频谱技术，要求认知无线电用户把传输功率扩展到全频带上，如 c d m a 和超宽带( u w b ) ，认知节点一旦获得频谱分配图，立即开始传送，它的传 输功率被主用户看作是噪声，因此需要精细的频谱扩展技术，相对于填充式需要 的频带更多；第三种是混合方案，是避免干扰的基于下挚式的扩展频谱方案，除 了要求认知无线电用户把传输功率扩展到全频带外，还要求在主系统传输的频带 上无能量分配或者能量最低。在无系统信息，完全系统信息以及部分系统信息的 情况下，比较三种方案的性能，研究结果显示：在用户知道全部的系统信息时， 填充式方案在传输中断概率方面比下垫式方案表现好，中断概率较低，但是采用 8 绪论 混合方案可以获得更佳的结果；在部分系统信息( 实际多为这种情况) 时，混合 方案的优势更明显，此时由于感知信息不完全，只采用填充式方案可能会导致严 重干扰。在完全没有系统信息的情况下，不可能采用避免使用主系统占用频段的 方法，此时下垫式方案是最优选择方案。 1 3 3 频谱共享的基本模型 认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点，自认知无线电 概念的提出发展至今，不少学者提出了认知无线电中频谱共享问题的分析模型， 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 、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【3 4 1 。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。这样，我们便可以根据图论着色理论原则对认知无线电用户进行频谱分配。 2 、基于定价拍卖的频谱分配模型 利用微观经济学中定价拍卖原理而制定的无线电资源分配机制在近年来得广 泛的研究1 2 7 1 3 5 】，而且已经证明是认知无线电网络的频谱分配问题的有效解方法。 在这种基于拍卖的频谱分配模型中，网络结构一般采用集中式结构，认知无线电 用户是投标者，中心接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或基站( b a s es t a t i o n ，a s ) 在一次拍卖 中充当拍卖人。在一个拍卖轮回中，每个投标者为满足自身需要给频谱资源投标， 由拍卖人根据最大化认知无线电网络收益等原则确定胜利者。 基于定价拍卖的频谱分配模型根据不同的网络效用需要来确定自身的目标函 数，即确定赢家胜出的规则。例如采用最大化系统吞吐量原则将某段频谱分配给 在其上吞吐量投标值最大的用户，利用效用公平原则和时间公平原则保证投标在 竞争频谱资源过程中的效用公平和时间公平等等。 从以上介绍中可以看出，基于图论的频谱分配模型和基于定价拍卖频谱分配 模型充分利用了经典数学和微观经济学理论，为认知无线电中的频谱分配提出了 解决问题的框架，基于这两类模型的具体算法也得到了广泛的研究。然而模型( 1 ) 的频谱共享完成时间与空闲信道数的多少以及网络的动态特性有关，不适应认知 9 北京交通大学硕士学位论文 无线电中空闲频谱快速时变的要求，也不适应网络动态变化环境下的频谱共享研 究；模型( 2 ) 适合于主、次用户间为租用关系的认知无线电系统，应用范围具有局 限性。 为了推动认知无线电频谱分配技术的不断发展，提出新的频谱共享模型成为 普遍的迫切需要。于是诞生了基于博弈论的研究方法，基于博弈论的模型将反映 实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个博弈模型，对分布式动态频谱共享 算法进行分析【3 6 】【37 1 。该模型中博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时 候的决策以及这种决策的均衡问题的理论【3 引，它使用严谨的数学模型解决现实中 利害冲突，在决策选择问题上能够起到关键指导作用。认知无线电网络中，为了 使不同用户工作并合理地共享相同的频谱，需要根据不同的场景选择不同共享规 则和频谱分配策略，而且，为使得整个系统性能最优，频谱分配时不仅需要考虑 其他用户策略对自身的影响，也要考虑自身策略对其他用户的干扰，所以，运用 博弈论研究此问题正是解决认知无线电网络中频谱共享问题的有效途径。 目前已有研究者利用博弈论对认知无线电系统的无线资源管理展开了研究， n e d 5 5 】使用博弈中的潜在博弈( p o t e n t i a lg a m e ) 理论对软件无线电技术的自适应调 制机制进行分析。文献 3 9 给出了认知无线电网络中的博弈论模型，并利用该模型 分别分析了认知无线电的功率控制，呼叫准入控制和干扰避免；文献【3 6 3 7 对分 布式动态频谱分配算法进行分析：文献 4 0 】则分析了认知无线电中各种博弈模型的 收敛性。关于认知无线电网络中频谱共享的研究大多集中在非授权频段，为了实 现不同的目标，效用函数的形式往往各不相同，例如基于最小化系统干扰水平的 效用函数【4 1 1 、基于最大化系统吞吐量的效用函数【3 7 】等等。研究较少的授权频段又 大都侧重于考虑次用户间频谱共享的博弈研究【4 2 】【4 3 】【4 5 】，很少考虑多个主系统同时 租借频谱的情况。最近有文献提出多个主系统间频谱价格博弈的b e r t r a n d 模型m 】， 但假设参与博弈的主系统完全对称，没有任何差异，这只是认知无线电系统的特 殊情况。 总之，利用博弈论研究认知无线电频谱共享尚处于起步阶段，没有形成理论 体系，应用的博弈模型有限，且应用条件十分苛刻，这大大限制了博弈模型在认 知无线电网络中的应用。提出新的博弈模型，拓展博弈模型的应用范围亟待解决。 为此，本文将深入研究基于博弈论的认知无线电频谱共享的理论和算法，以 期找到认知无线电网络中普遍适用的频谱共享算法。在文献 4 4 】的基础上引入差异 性，更加准确的描述了认知无线电系统中的频谱特性，提出改进的静态b e r t r a n d 博弈算法，并在此基础上提出完全信息动态博弈算法和重复博弈算法，重点研究 频谱的水平差异和垂直差异对博弈算法的影响，通过数值