（通信与信息系统专业论文）认知无线电动态频谱接入技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 7 级硕士研究生水永升 指导教师：酆广增教授 题目：认知无线电动态频谱接入技术研究 川j l | | i | ! | l | | | i l i | i | i | | f l | y 17 5 5 1 6 9 英文题目：t h es t u d yo i lc o g n i t i v er a d i od y n a m i cs p e c t r u ma c c e s st e c h n i q u e 关键词：认知无线电；动态频谱接入；功率控制；博弈论；s 型效率函数； 对数效用函数 k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；d y n a m i cs p e c t m ma c c e s s ；p o w e r c o n t r o l ；g a m e t h e o r y ；s i g m o i de f f i c i e n c yf u n c t i o n ；l o g a r i t h m i cu t i m i t yf u n c t i o n 南京邮电大学硕 研究生学位论文 摘要 摘要 随着信息技术和多业务无线网络的飞速发展，人们对宽带无线业务的需求不断增加， 频谱这种不可再生的宝贵资源正逐渐变得短缺。然而现有的固定频谱分配策略，导致许多 已经分配给授权用户的频谱在某些时间段却处于空闲状态，频谱利用率较低，存在较大的 频谱浪费现象。认知无线电技术c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 的出现提高了频谱利用率，缓解了频 谱资源不足的问题，因而成为目前无线通信领域的研究热点。 认知无线电是一种新兴的智能无线通信技术，它通过频谱感知、功率控制和频谱管理、 频谱共享、频谱切换等关键技术，实现在不对授权用户正常通信造成影响的前提下，伺机 接入授权用户合法频段，实现动态频谱接入，提高频谱利用率。 本文从认知无线电技术特性出发，主要研究认知无线电动态频谱接入的关键技术 功率控制技术。针对博弈论在解决系统紧缺性资源方面的研究优势，文中详细研究了基于 博弈论的认知无线电分布式功率控制算法。论文首先研究了o v e r l a y 频谱共享方式下，认 知无线电的功率控制博弈算法。从物理意义角度出发，详细分析了n p g 算法的导出过程， 接着研究了n p g p 算法，通过m a t l a b 仿真验证了该算法实现了对n p g 算法的性能改进。 为了进一步提高认知无线电系统的通信性能，本文在研究n p g ps i g m o i d 算法的基础上， 提出改进的n p g ps i g m o i d 算法，提出了“纳什均衡门限因子”的概念，并证明改进的n p g p s i g m o i d 算法所提出的效用函数是关于该因子的单调递减函数，通过m a t l a b 仿真，证明 了改进的n p g p s i g m o i d 算法在减小“纳什均衡门限因子”取值时，可以进一步提高认知用户 的效用且减小认知用户的发射功率。 论文接着研究了u n d e r l a y 频谱共享方式下，认知无线电的功率控制博弈算法。在分析 c d p c 算法和k o s k i e g a j i c 算法的基础上，结合对数函数要求自变量非负的特点，提出了 对数效用功率控制算法，从而在效用函数设计上就保证了认知用户信干比大于等于目标信 干比的要求，接着通过理论和m a t l a b 仿真证实了该算法的这一优点。此外，对数效用 算法在认知用户较少时，具有认知用户信干比较大的特点，这有利于该算法满足高速数据 通信对高信干比要求的需要。 关键词：认知无线电；动态频谱接入；功率控制；博弈论：s 型效率函数；对数效用函 数 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd 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 i e sa n dt h ei n c r e a s i n g b r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nd e m a n d s ，t 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 s b e c o m i n ga n o u t s t a n d i n gp r o b l e md a yb y d a y h o w e v e r , m a n y 行e q u e n c yb a n d sa r en o tu s e de f f i c i e n t l ym o s t o f t i m ea n dt h e r ee x i s t sab i gw a s t eo fs p e c t r u mb e c a u s eo ft h ef i x e ds p e c t n n na l l o c a t i o np o l i c y c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sar e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yt h a tp r o m i s e st oa l l e v i a t et h er a d i os p e c t r u m s h o r t a g ep r o b l e mb yi m p r o v i n gt h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n c ri san e wn o v e li n t e l l i g e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew h i c hc a l la d o p tas e r i e so f k e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss p e c t r u ms e n s i n g ，p o w e rc o n t r o la n ds p e c t r u mm a n a g e m e n t ，s p e c t r u m s h a r i n g ，s p e c t r u mh a n d o f fe r et ou t i l i z et h eu n u s e dl i c e n s e ds p e c t r u mo fl i c e n s e du s e r s ，i nt h i s w a y , c rc a nr e a l i z ed y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n di m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc h a r a c t e r i s t i ci nc r , t h i st h e s i sd e v e l o p sad e e pr e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g yo fc rw h i c hi st r a n s m i t t i n gp o w e rc o n t r 0 1 t h i st h e s i sd o e sd e t a i l e dr e s e a r c ho n d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mo fc rb ym e a n so fg a m et h e o r y a tt h eb e g i n n i n g ，t h et h e s i s d o e sr e s e a r c ho np o w e rc o n t r o la l g o r i t h mw h e nc ru s e r sa r ei nt h em a n n e ro fo v e r l a ym o d eo f s p e c t r u ms h a r i n g t h en p ga l g o r i t h mi sd e d u c e di nt h ep e r s p e c t i v eo fp h y s i c a lm e a n i n g ，a n d t h e nt h en p g pa l g o r i t h mi sr e s e a r c h e da n dp r o v e dw h i c hc a ni m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h en p ga l g o r i t h mb yu s i n gm a t l a bs i m u l a t i o n t o f u r t h e re n h a n c et h e c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fc i lt h ei m p r o v e dn p g ps i g m o i da l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n di n t h i sa l g o r i t h m ， n a s he q u i l i b r i u mt h r e s h o l df a c t o r c o n c e p ti sp r o p o s e d ，t o o t h e n ，w ec a l l p r o v et h a t t h eu t i l i t yf u n c t i o no ft h ei m p r o v e dn p g ps i g m o i da l g o r i t h mi sam o n o t o n e d e c r e a s i n gf u n c t i o no f n a s he q u i l i b r i u mt h r e s h o l df a c t o r ”t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s t h e m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eu t i l i t yo ft h ei m p r o v e dn p g ps i g m o i da l g o r i t h mw i l l i m p r o v ea n dt h ec ru s e r s t r a n s m i t t i n gp o w e r sw i l ld e c r e a s eb yd e c r e a s i n gt h ev a l u eo f n a s h e q u i l i b r i u mt h r e s h o l df a c t o r t h e n ，t h et h e s i sd o e sr e s e a r c ho np o w e rc o n t r o la l g o r i t h mw h e nc ru s e r sa r ei nt h em a n n e r o fu n d e r l a ym o d eo fs p e c t r u ms h a r i n g t h el o g a r i t h m i cu t i l i t yp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n - n e g a t i v ev a r i a b l e so fl o g a r i t h m i cf u n c t i o n t h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n dm a t l a bs i m u l a t i o n ，w ec a np r o v et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m i i 堕京邮电大学硕士研究生学位论文 。 a b s t r a c t c a ng u a r a n t e ea l lt h ec ru s e r s s i rn e e d s ，w h i c ha r eg r e a t e rt h a no re q u a lt ot h et a r g e ts i r v a l u e s b e s i d e s ，w h e nt h e r ea r eo n l yaf e wc ru s e r s ，t h el o g a r i t h m i cu t i l i t ya l g o r i t h mc a nm a k e t 1 1 ec ru s e r st oa c h i e v eh i g h e rs i rv a l u e ss oa st om e e tt h eh i g hs i rn e e d so f h i g h s p e e dd a t a c o m m u n i c a t i o n s k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ；p o w e rc o n t r o l ；g a m et h e o r y ； s i g m o i de f f i c i e n c yf u n c t i o n ；l o g a r i t h m i cu t i l i t yf u n c t i o n i i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 缩略词表 a d s l b e r b p s k c d m a c d p c c o h e r e n tf s k c r c i u m c i 盯 d a m 缩略词表 a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e b i te r r o rr a t a b i n a r yp h a s es h i f tk e y c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n s t r a i n e dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l c o h e r e n tf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g c o g n i t i v er a d i o c o g n i t i v er a d i ou s e r sr e c e i v eb a s e c o g n i t i v er a d i ou s e r st r a n s m i t t e r d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y d p c d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l d p s k d s a f c c f i p f s r g c c l u m a c m i m o n e n p g d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n f i n i t ei m p r o v e m e n tp a t h f r a m es u c c e s sr a t e g r o u pc o n t r o lc h a n n e l l i c e n s e du s e r s m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t n a s he q u i l i b r i u m n o n - c o o p e r a t i v ep o w e rc o n t r o lg a m e n p g p n o n c o o p e r a t i v ep o w e rc o n t r o lg a m ew i m p r i c i n g n p g ps i g m o i dn p g pa l g o r i t h mb a s e do ns i g m o i de f f i c i e n c y f u n c t i o n n o n c o h e r e n t n o n c o h e r e n tf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g f s k 非对称数字用户线路 误比特率 二进制相移键控 码分多址 受限的分布式功率控制 相干频移键控 认知无线电 认知用户接收基站 认知用户发射机 美国国防高级研究计划 署 分布式功率控制 差分相移键控 动态频谱接入 联邦通信委员会 弱有限提高路径 帧成功传输率 群控制信道 授权用户 介质接入控制 多输入多输出 纳什均衡 非合作功率控制博弈 基于代价函数的非合作 功率控制博弈 基于s 型效率函数的非 合作功率控制博弈 非相干频移键控 南京邮电大学硕七研究生学位论文 缩略词表 o f d m p r b p t p u q o s q p s k i 江 r k r l s d r s d r f s i r s p t f s u w i n l a b w r a n u c c x g 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 p r i m a r yu s e r sr e c e i v eb a s e p r i m a r yu s e r st r a n s m i t t e r p r i m a r yu s e r s q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a d i of r e q u e n c y 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 s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s o f t w a r ed e f i n er a d i of o r u m s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e s e c o n d a r yu s e r s w i r e l e s si n f o r m a t i o nn e t w o r kl a b o r a t o r y w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k u n i v e r s a lc o n t r o lc h a n n e l n e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s v 正交频分复用 主用户接收基站 主用户发射机 一级用户 服务质量 正交相移键控 射频 无线电知识描述语言 软件定义无线电 软件无线电论坛 信干比 频谱政策专f - j , b 组 二级用户 无线信息网络实验室 无线区域网络 全局控制信道 下一代通信 南京邮电大学硕上研究生学位论文数学符号表 g i = l ，2 ，) a = 4 4 x 4 x a f l u l ( ) p i 以 w r v r 1 7 2 b 懈 ( 以) q ( b ，只，) f t b e 汀 7 7 ，t a r ，j y 哆 ，l 数学符号表 博弈过程 博弈过程参与者集合 博弈过程策略集合 第f 个博弈参与者或第f 个认知用户 第个博弈参与者或第个认知用户 认知用户i 的效用函数 认知用户f 的发射功率 认知用户f 的信干比 系统带宽 系统扩频增益 系统背景噪声功率 认知用户发射功率上界 认知用户f 的效率函数 认知用户f 的代价函数 n p g p 算法的价格系数 n p g p 算法的最佳价格系数 改进的n p g ps i g m o i d 算法的“纳什均衡门限因子” 认知用户f 的信干比目标值 对数效用算法中认知用户f 信干比上界 南京邮电大学硕七研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略词表i v 数学符号表v i 目；i 2 v i i 第一章绪论l 1 1 弓i 言1 1 2 认知无线电技术及其发展现状2 1 3 基于博弈论的认知无线电功率控制研究现状5 1 4 本文的主要工作及章节安排6 第二章认知无线电关键技术分析8 2 1 认知无线电的定义和结构8 2 1 1 认知无线电的定义8 2 1 2 认知无线电的系统结构1 0 2 2 认知无线电的关键技术1 l 2 2 1 频谱感知11 2 2 2 功率控制和频谱管理1 2 2 2 3 频谱共享。1 4 2 2 4 频谱切换15 2 3 本章小结1 6 第三章认知无线电的博弈理论分析1 7 3 1 博弈论的定义1 7 3 2 博弈论的模型简介1 8 3 3 博弈论的分类1 8 3 4 纳什均衡和帕累托最优1 9 v n 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 3 4 1 纳什均衡的分析和求解2 0 3 4 2 帕累托最优2 2 3 5 超博弈模型2 2 3 6 博弈论在认知无线电中的应用2 4 3 7 本章小结2 5 第四章c r 非合作功率控制博弈算法2 6 4 1 基于博弈论的功率控制算法分析2 6 4 1 1 算法模型2 6 4 1 2 算法步骤2 7 4 1 3 效用函数2 7 4 2 非合作功率控制博弈算法3 0 4 2 1 系统模型3 0 4 2 2n p g 博弈模型i 3 0 4 2 3n p g p 博弈模型3 3 4 2 4n p g ps i g m o i d 博弈模型3 4 4 2 5 改进的n p g ps i g m o i d 博弈模型3 6 4 2 6d p c 功率控制算法3 8 4 3c r 功率控制博弈模型功率更新算法3 9 4 4c r 功率控制博弈模型仿真4 0 4 5 本章小结4 9 第五章u n d e i u a yc r 系统功率控制算法5 1 5 1 引言51 5 2 系统模型5 1 5 3 功率控制算法模型分析5 2 5 3 1c d p c 算法模型5 2 5 3 2k o s k i e g a j i c 算法模型5 3 5 3 3 对数效用算法模型5 4 5 4 算法仿真及性能分析5 6 5 5 本章小结6 2 6 1 全文总结及主要贡献6 3 6 2 对下一步研究的建议及未来研究方向6 4 附录i 程序清单j 6 5 f f 掾i i 攻读硕士学位期间撰写的论文6 6 致谢6 7 参考文献6 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着信息社会经济的快速发展，人们对移动通信及宽带无线接入业务的需求不断增 长，无线频谱资源也就显得愈加珍贵。而传统的无线频谱资源是以一种静态的授权方式分 配的，不同的通信系统只能在授权的专用频段进行工作。然而，由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 nc o m m i s s i o n ，f c c ) 的采样频谱图显示：在美国伯克利州市内0 - 6 g h z 频段的频谱利用率仅在1 5 8 5 之间【lj ，尤其3 - 6 g h z 之间频谱资源浪费明显，而某些频 带如移动手机网络的频带却是超负荷的，这表明传统的静态频谱授权分配方式存在较大的 频谱资源浪费现象，随着通信技术的飞速发展，这种静态的频谱分配方式已逐渐成为制约 通信行业快速发展的瓶颈。 薹 2 妻 = 爹 m a n , h u m 卸l j 埘嘲 鞴瞄错t 糯h e t 件稚 i ， s 啪l ，eu 瓣 m 砌嘲l 材瓣 一， l l 。1 鞋 主 t i l 如l 。1 一llj垂- j il i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 认知无线电技术及其发展现状 认知无线电的概念首先是由j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年在其发表的一篇论文【4 】中提出 的，他描述了认知无线电怎样通过一种叫做“无线电知识描述语言( 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 ) 来提高个人无线业务的灵活性。2 0 0 0 年，m i t o l a 博士又 在其博士论文【6 1 中进一步阐述了认知无线电的概念和相关方法，并通过数学分析和仿真论 证了认知无线电的这些相关原理。同时在这篇博士论文中，m i t o l a 博士还首次给出了认知 无线电的定义：认知无线电是一种智能的无线通信技术，它能够连续不断地感知周围无线 通信环境，并对环境信息进行分析、理解和判断，然后通过r k r l 自适应地调整其内部通 信参数( 如发射功率、工作频率、编码方式等) 以适应周围环境的变化。其核心思想是通过 检测那些处于空闲状态的频谱，在不影响授权用户的前提下智能地选择和利用这些频谱。 2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会f c c 频谱政策专l i d , 组( s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e ， s p t f ) 发布的报告，建议具有频谱感知能力的无线电可称为认知无线电，f c c 提出开放的 频谱共享机制，对于合法授权用户( l i c e n s e du s e r s 或p r i m a r yu s e r s ，以下称为主用户) 享有优 先频谱使用权，非授权用户( u n l i c e n s e du s e r s 或s e c o n d a r yu s e r s ，以下统称为认知用户) 在对 主用户不造成干扰情况下，可以机会地接入空闲频谱，这种开放的频谱共享机制对频谱资 源的使用产生了深远的影响。2 0 0 3 年5 月，s p t f 下的认知无线电工作组在华盛顿成立。 2 0 0 4 年3 月，在美国拉斯维加斯召开的认知无线电学术会议标志着c r 技术的研究正式起 步。2 0 0 4 年1 1 月，i e e e 8 0 2 2 2 工作组正式成立，这是基于c r 技术的首个世界范围的空 中接口标准化组织，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 ，w 凡蝌) 系统的 目标在于提供类似于a d s l 和有线调制解调器类似的宽带接入服务，尤其在低人口密度的 乡村地区展开部署更经济。2 0 0 5 年9 月，8 0 2 2 2 协议工作组通过了对w r a n 的功能需求 和信道模型的探讨。2 0 0 6 年3 月，8 0 2 2 2 工作组公布了基于认知无线电的w r a n 标准草 案。 2 0 0 5 年2 月，著名的权威刊物j s a c 杂志刊登了s i m o nh a y k i n 发表的认知无线电综述 性文章“c o g n i t i v er a d i o ：b r a i n e m p o w e r e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，【7 1 拉开了国际性认知无 线电技术研究的序幕。 随后许多著名研究机构和大学的研究中心都开始了对c r 理论、实现方式和实际应用 的研究；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c r 的标准 和协议，其中主要包括【8 】： ( 1 ) 美国d a r p a 机构的研究 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 美国国防高级研究计划署( t h ed e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ，d a r p a ) 己经 率先进行了如何更有效地利用频谱资源的问题的研究。x g ( n e x tg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o n s ) 计划正在开发允许多用户共享使用频率的技术。x g 计划的研究目标是： 1 ) 开发实现灵活频谱分配的技术：检测并描述r f 环境；辨认未被使用的频谱( “机会) ； 分配并开发“机会”。 2 ) 开发基于软件的实现灵活政策的机制：定义抽象的行为，例如：“信道可以在f 秒内 腾出来”：所有的行为都必须是可描述的，设备的每一个操作模式都是对应着一条特定的策 略：基于软件，即策略约束可以通过下载软件来实现。 经过第一阶段和第二阶段的研究，x g 计划取得了以下成果：收集并分析了多种情况下 的r f 环境；开发了体积小、高性能的传感器；开发了策略语言和无线电接口定义；设计 了三种可行性方案以实现干扰避免、网络操作和集合。目前进行的第三阶段的研究有：在 原有电台上运用x g 技术，集成无线电台、自适应算法、传感器部件、策略控制和无线电 软件；继续开发关键的策略控制技术；进行更多的现场演示。 ( 2 ) 美国b e r k e l e y 大学的研究 b w r c ( b e r k e l e yw i r e l e s sr e s e a r c hc e n t e r ) 是由产业公司、加利福尼亚大学伯克利分校 的电子工程和计算机科学系的师生，以及g i g a s c a l es y s t e m sr e s e a r c hc e n t e r 的研究人员三 方合作的研究团体，致力于研究低功耗高度集成c m o s 的实现和先进的通信算法。b w r c 对认知无线电的研究致力于制定认知无线电策略和与开发相关的技术议题。具体的研究有 以下几个方面：认知无线电的物理层，认知无线电的多用户，认知无线电的试验平台，认 知无线电的m a c 设计，认知无线电规则。研究中心正在开发一个认知无线电测试平台， 在物理层和数据链路层实现了六个系统功能和两个控制信道。六个系统功能分别为物理层 的频谱检测、信道估计、数据发射，数据链路层的群管理、链路管理、m a c ( 介质接入控 制) ；两个控制信道分别是用于群管理的全局控制信道( u n i v e r s a lc o n t r o lc h a n n e l ，u c c ) 以及特定群内用户使用的群控制信道( g r o u pc o n t r o lc h a n n e l ，g c c ) 。 ( 3 ) 欧洲e 2 r 项目的研究 e 2 r 是欧洲委员会第六框架项目( t h e6 t i lf r a m e w o r kp r o g r a mo ft h ee u r o p e a n c o m m i s s i o n ) 的一个综合性项目，是“3 g 以后无线移动系统和平台”的战略目标的核心项目。 e 2 r 系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境，通过基于认 知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用；同时可重配置性可以灵活地修改相关 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 设备的软件设置，提高网络和设备的性能。e 2 r 系统要求实现1 2 个系统功能：服务级协 议，安全，干扰，下载，设备重配置，重配置管理，服务适应，垂直移交，服务供应，系 统监测，动态资源管理，频谱转移。 ( 4 ) 美国r u t g e r s 大学w i n l a b 实验室的研究 w i n l a b ( w i r e l e s si n f o r m a t i o nn e t w o r kl a b o r a t o r y , w i n l a b ) 1 9 8 9 年成立于新泽西州 的r u t g e r s 大学，属于工业大学合作的研究中心，主要致力于无线技术的研究，特别是下 一代无线技术的研究。w i n l a b 在认知无线电领域的研究项目有“开放频率使用的认知无 线电”和“认知无线电平台”。开放频率使用的认知无线电项目启动于2 0 0 4 年秋，与朗讯科 技合作用认知无线电算法和架构研究无线频率开放的使用。主要研究议题包括：共享频率 链接的调度算法、定价、频谱仲裁和干扰避免机制。认知无线电平台于2 0 0 4 年9 月启动， w i n l a b 与贝尔实验室，朗讯科技和乔治亚工学院( g e o r g i at e c h ) 合作的认知无线电硬 件平台项目，目标是开发一个以网络为中心的认知无线电平台，包含一个三频段灵活r f 前端，快速频谱扫描，灵活多带宽的o f d m 调制的软体无线电台，协议处理的分组引擎， 处理频谱政策和频谱控制的嵌入式c p u 。 下面主要介绍i t u 、软件无线电论坛( s o f t w a r ed e f i n er a d i of o r u m ，s d i 心) 和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i t 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i t 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l o 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s d r f 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 e 8 0 2 2 2 工作组无线区域网络( w i r e l e s sr e g i o n a l a r e an e t w o r k ，w r a n ) ，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。系统将分配给电视广播的v h f u h f 频带( 北美为5 4 m h z - 8 6 2 m h z ) 的频率用作宽带 访问线路，以支持未许可的认知无线电设备使用未占用的t v 频带。w r a n 设备的关键是 无需频率许可，与电视等已有的主要用户共存。当主要用户工作时，w 蝌不占用相应频 段；当检测到某些频段没有被主要用户使用时，w r a n 设备可以自动使用这些频率资源 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 w r a n 设备在工作期间发现主要用户在相同频段开始工作时，将迅速退让出相应频段。 i e e e 8 0 2 2 2 将要制定的是无线通信的p h y 层与m a c 层规格，数据通信频率为数 m b i t s 数十m b i t s 。i e e e 8 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，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。 8 0 2 2 2 和8 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 e l 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。 在国内，国家高科技技术研究发展计翅j ( 8 6 3 计划) 于2 0 0 5 年7 月设立课题研究认知无 线电技术，国内多家高校如清华大学、香港科技大学、西南交通大学、成都电子科技大学、 西安电子科技大学、南京理工大学、北京邮电大学、南京邮电大学等，近年来已关注认知 无线电与频谱共享技术的研究和应用，相关的频谱感知、感知m a c 机制、认知无线电的 频谱分配、功率控制、基于环境感知的认知无线电跨层设计等文章，陆续在国内外期刊和 会议上发表。 1 3 基于博弈论的认知无线电功率控制研究现状 功率控制是认知无线电频谱资源管理的一项关键技术。功率控制使得认知用户在不对 主用户正常通信造成干扰的前提下，实现认知用户共享主用户合法频段，实现动态频谱接 入。由于当前的第三代移动通信系统主要是以码分多址( c d m a ) 的方式实现多址接入，在 该多址方式下，认知用户与主用户共享同一频段，相互之间存在多址干扰，采用恰当的功 率控制算法，实现认知用户既满足正常通信的需要，又不对主用户和其他认知用户的通信 造成干扰，是一个很有意义的研究课题。而博弈论是解决紧缺资源的分布式求解的有效工 具，它在认知无线电系统的应用是近年来出现的一个新兴的研究方向。 博弈论【9 】又称对策论。一般的博弈问题由