（通信与信息系统专业论文）基于博弈论的频谱共享方法研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 1 1 1 1 1 1 1 1 iii i i i i1 1 1 1 1 1 1 1 1 f 1 1 1 1 1 1 i iijll!llll 丫17 5 3 7 6 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：猛缒日期：型皇罩晕纽丝璺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：超导师签名： 摘要 摘要 近年来，随着移动通信的发展，频谱资源变得越来越紧张。研究普遍认为， 目前的固定频谱分配方式是致使频谱利用率低下、频谱资源紧张的主要原因之 一。为此，人们提出了基于认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 的频谱共享技术，这也 是本文研究的主题。 博弈论研究的是如何决定一个系统中主体的决策问题和均衡问题，而在该系 统中的主体做出的选择会彼此影响。这正适合研究频谱共享中主次系统的决策。 本文首先提出了根据认知无线电中主次系统的数目来将频谱共享问题划分成四 类g 一主( 主系统) 一次( 次系统) 、一主多次、一次多主、多主多次。然后较 深入的研究了议价博弈( b a r g a i n i n gg a m e ) 、库诺特博弈( c o u m o tg a m e ) 、拍卖博 弈( a u c t i o ng a m e ) 和伯川德博弈( b e r t r a n dg a m e ) 的原理以及如何将他们应用到 前三类频谱共享问题中来。 对于议价博弈，考虑了静态和动态两种情况，分别用纳什议价解( y a s h b a r g a i n i n gs o l u t i o n ) 和子博弈精炼纳什均衡( s u b g a m ep e r f e c tn a s he q u i l i b r i u m ) 来 分析。数值结果比较了主次系统的效用与主系统出租频谱数量和对频谱定价的关 系，还分析的信噪比对频谱共享的影响。同时，研究了主次系统完全合作时两者 的效用，并将其与博弈的结果进行比较。 库诺特博弈和拍卖博弈用于研究一主多次时次系统之间的竞争。本文深入研 究了静态和动态的库诺特博弈以及二级价格拍卖( s e c o n d a r yp r i c ea u c t i o n ) 及其在 次系统竞争频谱中的应用。数值结果比较了不同参数对主次系统效用的影响，同 时将两种博弈方法进行了一个横向的比较。 伯川德博弈用于研究一次多主时主系统之间的竞争。为了避免出现“伯川德 悖论”，本文研究了引入频谱差异性的伯川德博弈。数值分析结果比较了不同主 系统待出租频谱的质量( 信噪比) 和频谱差异性对主次系统效用的影响。 关键词：认知无线电；频谱共享；议价博弈；库诺特博弈；拍卖博弈；伯川德博 弈 a b s t r a c t a bs t r a c t r e c e n t l y , t h es c a r c i t yo fs p e c t r u mr e s o u r c eb e c o m e sm o r ep r o m i n e n ta st h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p s i ti sw i d e l yc o n c e i v e dt h a tt h e f i x e ds p e c t r u ms h a r i i 唱 m e c h a n i s mb eo n eo ft h er e a s o n sf o rt h ei n e 伍c i e n c yi ns p e c t l l l mu s a g ea n ds c a r c i t y o fs p e c t r u mr e s o u r c e h e n c e ，s p e c t r u ms h a r i n gb a s e do nc o g n i t i v er a d i o ，w h i c hi st h e t h e m e o ft h i sd i s s e r t a t i o n , i sb r o u g h tu p g a m et h e o r ys t u d i e st h ed e c i s i o n sa n de q u i l i b r i u m so fe n t i t i e si nas y s t e mw h e r e t h ee n t i t i e sa f f e c te a c ho t h e ri nm a k i n gd e c i s i o n s t i l i st h e o r ys u i t sf o ra n a l y z i n g s t r a t e g i e so fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r si ns p e c t r u ms h a r i n gg a m e a b o v ea l l ，t h e s p e c t r u ms h a r i n gp r o b l e mi sd i v i d e di n t of o u rc a s e sa c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f p r i m a r yu s e r sa n ds e c o n d a r yu s e r s ，i e o n ep r i m a r y ( u s e r ) o n es e c o n d a r y ( u s e r ) ，o n e p r i m a r ym u l t i s e c o n d a r y , o n e s e c o n d a r ym u l t i - p r i m a r y a n d m u l t i - p r i m a r y m u l t i s e c o n d a r y t h e nb a r g a i n i n gg a m e ，c o u m o tg a m e ，a u c t i o ng a m ea n db e r t r a n d g a m ea r es t u d i e da n da p p l i e dt ot h ef i r s tt h r e es p e c t r u ms h a r i n gc a s e sr e s p e c t i v e l y b o t hs t a t i cc a s ea n dd y n a m i ce a s ea r es t u d i e di nb a r g a i n i n gg a m e n a s h b a r g a i n i n gs o l u t i o na n ds u b g a m ep e r f e c tn a s he q u i l i b r i u ma r eu s e df o ra n a l y z i n g t h et w oc a s e sr e s p e c t i v e l y h o wl e a s e ds p e c t r u mq u a n t i t ya n dp r i c ei n f l u e n c et h e u t i l i t yf u n c t i o n so fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r s 嬲w e l l 嬲h o ws n r ( s i g n a lt on o i s e r a t i o ) a f f e c t ss p e c t r u ms h a r i n ga r es t u d i e d i nn u m e r i cr e s u l t s m e a n w h i l e ，a c o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nn o n - c o o p e r a t i v eg a m ea n d 僦lc o o p e r a t i o nb e t w e e n p r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r c o u r n o tg a m ea n da u c t i o ng a m ea r eu s e df o rs t u d y i n gt h ec o m p e t i t i o nb e t w e e n s e c o n d a r yu s e r si no l l ep r i m a r ya n dm u l t i s e c o n d a r yc a s e b o t hc o u m o tg a m e ( s t a t i c a n dd y n a m i c ) a n ds e c o n d a r yp r i c ea u c t i o ng a m ea n dt h e i ra p p l i c a t i o n si ns p e c t r u m s h a r i n ga r es t u d i e d n u m e r i cr e s u l t sc o m p a r et h ee f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r so nu t i l i t y f u n c t i o n s 雒w e l la st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w og a m es o l u t i o n s b e r t r a n dg a m ei su s e df o rs t u d y i n gt h ec o m p e t i t i o nb e t w e e np r i m a r yu s e r si no n e s e c o n d a r ya n dm u l t i p r i m a r yc a s e t oa v o i dt h e “b e r t r a n dp a r a d o x t h ed i f f e r e n e e b e t w e e nt h es p e c t r u m so fd i f f e r e n tp r i m a r yu s e r si si n 订o d u c e di n t ob e r t r a n dg a m e n u m e r i cr e s u l t ss t u d yt h ee f f e c t so fs p e c t r u mq u a l i t y ( s n r ) a n ds p e c t r u md i f f e r e n c e o nu t i l i t yo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r s 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 ；b a r g a i n i n gg a m e ；c o u m o tg a m e ； a u c t i o ng a m e ；b e r t r a n dg a m e i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 】 i 目勇之v 图目录v i i 第一章绪论1 1 1 移动通信发展与频谱的稀缺性。1 1 2 认知无线电基本原理。2 1 3 论文的主要研究内容和安排5 第二章频谱共享方法及博弈论概述7 2 1 频谱共享的方法分类和现有成果7 2 2 频谱共享的基本模型8 2 3 博弈论的产生和发展1 0 2 4 博弈论的基本概念和分类1 0 2 4 1 非合作博弈概述1 l 2 4 2 博弈理论的基本分类及各种均衡介绍1 1 2 5 本章小结1 3 第三章基于议价博弈的频谱共享1 5 3 1 频谱共享的系统模型1 5 3 1 2 频谱共享的无线传输模型1 6 3 1 3 频谱共享的博弈模型1 6 3 2 频谱共享的议价博弈模型1 7 3 3 纳什议价解18 3 3 1 次系统的效用函数1 8 3 3 2 主系统的成本函数和效用函数1 9 3 3 3 纳什议价解2 0 3 4 子博弈精炼纳什均衡解2 3 3 4 1 逆向递归法求解子博弈精炼纳什均衡2 4 3 4 2 主次系统动态博弈的子博弈精炼纳什均衡解2 4 3 5 最大化主次系统效用和2 5 3 6 数值结果2 5 3 7 本章小结2 8 第四章基于库诺特博弈及基于拍卖博弈的频谱共享3 l 4 1 库洛特博弈3 2 4 1 1 静态库洛特博弈3 2 4 1 2 动态库洛特博弈3 4 v 东南人学硕上学位论文 4 2 频谱拍卖博弈3 6 4 2 1 主次系统频谱拍卖模型及其均衡解3 7 4 3 数值结果4 0 4 3 1 库诺特博弈4 0 4 3 2 频谱拍卖博弈4 4 4 3 3 库诺特博弈与频谱拍卖博弈之间的比较4 6 4 4 本章小结4 8 第五章基于伯川德博弈的频谱共享5l 5 1 次系统的效用函数和频谱需求函数5 2 5 2 主系统的效用函数5 2 5 - 3 静态伯川德博弈5 3 5 4 数值结果5 4 5 5 本章小结5 8 第六章结束语6 l 致谢。6 3 参考文献6 5 v i 图目录 图目录 图1 1 认知无线电基本步骤3 图3 1 频谱共享模型1 5 图3 - 2 议价博弈模型1 8 图3 3 议价博弈中主次系统的效用关系( 7 = 1 0 d b ) 2 6 图3 4 次系统不同信噪比下主次系统的效用2 7 图3 5 频谱租金与效用之间的关系( y = 1 0 d b ) 2 8 图4 1 一个主系统和多个次系统的频谱共享3 l 图4 2 库洛特模型的纳什均衡3 3 图4 3 频谱拍卖模型3 6 图4 4 主次系统的静态库诺特博弈与纳什均衡。4 l 图4 5 主次系统动态库诺特博弈的收敛域4 2 图4 - 6 动态库诺特博弈收敛性与q ，吃之间的关系( 乃= ) 2 = 1 0 d b ) 4 2 图4 - 7 动态库诺特博弈的纳什均衡与 ，凡之间的关系4 3 图4 8 次系统频谱需求与主系统为之分配的频谱之间的关系( 毛 r 2 毛) 4 4 图4 - 9 次系统频谱需求与其向主系统支付的费用之间的关系( p o = 0 ) 4 5 图4 1 0 次系统频谱需求与其向主系统支付的费用之间的关系( p o = 7 ) 4 5 图4 1 l 两种博弈中频谱分配与次系统信噪比的关系( 吐= d 2 = 2 0 m h z ，兀= 1 2 d b ) 4 6 图4 - 1 2 两种博弈中主系统收入与次系统信噪比的关系( 躬= 1 2 d b ) 4 7 图4 1 3 两种博弈中主系统对频谱定价与次系统信噪比的关系( 兀= 1 2 d b ) 4 7 图5 - i 一个次系统和多个主系统的频谱共享5 1 图5 2 主系统1 和2 的反应函数与纳什均衡点5 6 图5 3 主系统出租频谱价格与其效用之间的关系( 1 ，= 0 5 ) 一5 6 图5 - 4 主系统对频谱定价和其边际成本之间的关系( y = o 5 ) 。5 7 图5 5 纳什均衡点与主系统频谱优劣( 信噪比) 的关系5 7 图5 - 6 主系统出租频谱数量与频谱优劣( 信噪比) 的关系5 8 v l l 东南大学硕士学位论文 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信发展与频谱的稀缺性 商用移动通信经过短短几十年的发展，如今已经覆盖全球大部分国家，用户 在2 0 0 9 年达到了4 0 多亿。总的来说，全球的移动通信发展至今经历了三个主要阶 段： 第一代移动通信技术( 1 g ) 主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技 术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域 性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是t a c s 。第 一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、 通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。在第一代移动通信系 统中，由于用户数目较少，频谱紧张的情形未凸显出来。 第二代移动通信技术( 2 g ) 主要采用的是数字的时分多址( t d m a ) 技术和 码分多址( c d m a ) 技术。其提供的主要业务是语音，包括数字化的话音业务及 低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大 的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代仍然采用不同的制式，移动通信 标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫 游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实 现高速率的业务如移动的多媒体业务。g s m 的广泛应用大大增加了移动通信用 户群体，运营商开始感到频谱不够用了。但是，通信技术的发展提出了许多提高 频谱利用率的办法，一定程度上缓解了频谱压力。 第三代移动通信技术( 3 g ) 与前两代通信标准相比，3 g 将有更宽的带宽， 其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 以上。不仅能传输话音，还 能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入i n t e r n e t 。第三代移 动通信的另一个主要特点就是能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。第三代 移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频 率利用效率。但第三代移动通信仍是多标准( w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a ) 的 区域性通信系统。虽然第三代移动通信传输速率大大提高，但是未来仍无法满足 多媒体的通信需求。虽然第三代移动通信采用了更加先进的无线传输技术，但是 用户数量的剧增以及用户对传输速率的高要求使得人们需要从更多的方面研究 如何获得更多的频谱资源。 从三代移动通信的发展可以看出，频谱资源是移动通信的核心资源。随着无 线通信市场的发展，移动通信用户数目越来越庞大，频谱资源匮乏现象同益突出。 东南大学硕士学位论文 通信市场的扩大也推动着通信技术的迅猛发展，现在我们可以通过采用先进的无 线通信理论和技术，如链路自适应技术、正交频分复用技术和多天线技术等能够 提高频谱效率。但是，许多研究表明，目前的频谱分配制度也是造成频谱资源匮 乏的一个主要原因。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。根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的调查 1 ， 频谱的利用率随着时间和空间的变化而变化，一般在1 5 - 8 5 的范围内。固定的 频谱分配方式在过去的几十年使用的很好，但在如今这个无线通信需求爆炸式增 长的时代就给有限的频谱资源分配带来了巨大的压力。这就使得我们必须寻找新 的频谱分配方案，以充分利用频谱使用率低下的频谱。为此，人们提出了动态频 谱接入的概念。这种频谱接入方法允许未授权的用户进入授权频段，利用授权频 段空闲( 时间上或空间上) 进行无线传输以提高频谱利用率。认知无线电技术是实 现动态频谱接入的关键技术，它使得频谱的使用更加智能，更加有效。 1 2 认知无线电基本原理 认知无线电概念最初是由m i t o l a 提出的 2 】，在他的定义中，认知无线电被描 述成一种通信设备具有自我感知能力，了解其工作环境的基本状况，并使用所谓 的无线电知识语言( r k r _ l ) 与其他的实体进行通信。m i t o l a 博士对认知无线电的 定义与我们现在所了解的认知无线电差别还是比较大的。在m i t o l a 提出认知无线 电之后，人们对这一名词结合实际情况给出了不同的定义。其中被广泛采纳的是 f c c 对它的定义 1 】：“认知无线电是指能够基于与所运行环境的互动而改变发射 机参数的无线电技术。”该定义说明了能够称之为认知无线电的设备必须首先具 有感知周围环境的能力，这种能力包括能够检测周围无线电环境随时间和空间的 变化，例如在某一特定时间特定地点的频谱使用情况；同时，该设备还必须能够 改变它对信号发射和接收的参数，如发射使用的频段，发射功率，调制方式等等。 认知无线的最终目标是利用环境感知能力和调整发射和接收参数的能力获得最 佳的信息传输。 认知无线电有几个基本概念 3 】：主用户( 主系统) ，次用户( 次系统) ，频谱空 洞。值得注意的是，下文中主系统与这里定义的主用户等价，在主系统中可能有 多个用户。 主用户：使用授权频段的用户； 次用户：需要使用主用户授权频段的未授权用户； 频谱空洞：频谱空洞指的是这样的频带，它被授权给了特定的主用户，但是 在特定的时间和地点，主用户并没有使用该频带。 2 第一。章绪论 图1 - 1 认知无线电基本步骤 图1 - 1 给出了认知无线电的基本步骤 4 ： 频谱检测：这一步是认知无线电设备实现对环境的认知能力的第一步也是关 键的一步。认知无线电设备监测所处环境的频谱使用情况，获得能够使用的频谱 空洞的信息。 频谱分析：分析频谱检测得到的频谱空洞的特性( 时间特性、空间特性等) 。 频谱决策：根据频谱分析的结果决定使用哪些频谱窄洞进行传输，确定无线 传输的相关参数，如数据速率、发射功率和调制方法等等。 认知无线电的频谱检测包括非合作检测和合作检测两类。非合作检测主要是 单个认知无线电设备的活动，而合作检测考虑了将多个认知无线电设备的检测结 果综合得出一个更加准确的频谱信息。 非合作检测分为能量检测、匹配滤波器检测和循环平稳特性检测。能量检测 适用于认知无线电设备得不到足够的主系统信号信息的情况。它是检测器根据某 一或某些频段内电磁波能量的大小是否超过预先设定的阈值来判断是含有主用 户在进行通信。通常的做法是检测器对接收到的信号采样，并将这些采样值求模 平方的和，再把结果与某一阈值进行比较判断。能量检测容易受到不确定噪声功 率的影响，而且它只能检测信号的存存性而4 i 能判断信号的性质。 匹配滤波器检测适用于主系统的信号对于次系统来说是已知的情况。这时， 次系统就可以设计与主系统信号对应的匹配滤波器来检测主系统信号。但是，这 种检测法的前提是主系统愿意将自己的信号信息透露给次系统。 循环平稳特性检测利用了主系统调制过信号的循环平稳特性( 因为这些调制 过后的信号的均值和方差有周期性) 。次系统通过分析检测到信号的频谱相关函 数来判断是含有主用户在通信。循环半稳特性检测法也是用于次系统未知主系统 东南人学硕士学位论文 信号信息的情况。但是这种方法比能量检测更加准确，相应的复杂性也会高很多， 需要的检测时间也会长很多。 在很多情况下，由于主次系统中用户在地域上的分散性，单个次系统检测受 到主系统发射机机位置过远、阴影效应等因素的影响，其结果往往不是十分准确。 这时就需要次系统之间将各自检测的结果联合，以获得对主系统使用频谱更加准 确的检测。 在检测到频谱空洞信息后，因为该频谱空洞是随时间和空间变化的，次系统 还要分析频谱检测得到的频谱空洞的特性。具体来说，就是要定义一些参数，再 从这些参数的角度描述这些频谱。参数基本上包括：频谱的干扰特性，路径损耗， 无线传输错误率、链路延时和次系统可以使用该频段的时间。然后根据这些参数， 可以计算出次系统在这些频段上的进行信息传输时的信道容量。 最后，基于对检测到频谱空洞特性的分析，次系统在保证一定服务质量的的 前提下，选择最优的频谱空洞进行无线传输。在频谱决策中，次系统面临的两个 主要问题是：频谱移动性和频谱共享的问题。其中频谱共享是本文的主旨，将在 以后的章节中详述。所谓频谱移动性，是指次系统因为某种原因改变其使用频谱 的过程。这里的原因主要是两个：一是正在使用的频段不能满足需求，需要寻找 更好的频谱，二是主系统需要占用次系统正在使用的频段，次系统需要从中退出， 寻找别的频段进行通信。 在本小节最后，给出一些已经运用认知无线电技术的系统 5 一1 4 。 i e e e8 0 2 2 2 ：第一个世界级的认知无线电标准。该标准主要用于无线区域 网( w i r e l e s sr e g i o n a la c c e s sn e t w o r k ) 。其中的主系统是使用频段 5 4 m h z 8 6 2 m h z 的电视广播系统。8 0 2 2 2 系统使用主系统的特定频道和保护带进 行信息传输。8 0 2 2 2 定义了全国范围的点到多点的无线空口协议，在该协议中， 次系统包括基站和用户( 用户自定义设备c p e ) 。8 0 2 2 2 协议中的次系统采用两种 频谱检测方法( 集中式和分布式) 结合的。这种检测法对主系统的保护较好。次 系统的频谱效率在0 5 - 5 b i t s h z 。i e e e8 0 8 2 2 的基站覆盖范围半径最大可达1 0 0 公里。 c o r v u s ：全称是认知无线电方法使用虚拟未授权频谱。在该系统中，对主 系统的检测和频谱分配采用协同管理的办法。即一组次用户组成一个次用户组 ( s u g ) ，该组里的每个成员将检测到的频谱分成若干个子信道。对于所有成员之 间的通信采用一个通用控制信道，次用户之间可以通过这个信道交换检测信息或 者是建立两个次用户之间的连接。 d i m s u m n e t ：全称是移动网络的动态智能频谱管理。该系统提出了两个概 念：统计复用多址和协同多址频带( c o o r d i n a t ea c c e s sb a n d ) 。c a b 是用频谱监管 者储备的一块尚未被使用的连续的频谱。这些频谱由频谱经纪人( s p e c t r u m b r o k e r ) 来经营。频谱经济人根据需求为通信运营商分配频谱，后者通过统计复用多址的 4 第一一章绪论 方式使用c a b 。d i m s u m n e t 采用集中式的频谱管理，旨在提高频谱使用效率并 简化运营商网络设备。 d r i v e ：全称是车载环境中i p 服务的动态无线电。这是一个欧洲国家的联合 工程，目标是在多样化的网络环境中实现动态频谱分配。该工程的另一个演进版 o v e r d r i v e 旨在u m t s 网络中做出改进以将目前已有的无线网络融入一个大的 复合型网络，从而提高频谱利用率并提供更好的移动多媒体服务。d r i v e 工程采 用两种动态频谱分配方法：时域动态频谱分配和空间域动态频谱分配。在前一种 方法中，r a n 可以使用当前时刻同一区域别的r a n 不在使用的频谱；而在另一 种方法中，根据地理位置的不同为r a n 动态的分配频谱。 n a u t i l u s ：该系统采用分布式的频谱共享机制。这种机制不需要通过预留的 通用控制信道来协同系统中用户的频谱分配，相反，它采用的是分布式的频谱共 享方案，主要针对a dh o e 网络。该系统的频谱共享方案有三种：基于着色图的联 合频谱接入方案，基于局部议价的频谱分配方案和基于规则的以设备为中心的频 谱管理方案。 1 3 论文的主要研究内容和安排 本文是作者在攻读硕士学位期间参与的国家8 6 3 项目“认知无线电与分布式 天线系统协同通信关键技术”，对基于认知无线电频谱共享问题的研究总结。 论文具体安排如下： 第一章讲述了频谱资源稀缺性和认知无线电系统的基本理论。 第二章对频谱共享的基本方法做了较为详细的描述，并介绍了博弈论的基本 原理。 第三章首先描述了频谱共享的模型，并将其分成四类。重点研究了用议价博 弈模型解决第一类频谱共享。 第四章研究了如何将库诺特博奔和拍卖博弈应用于一主多次时次系统之间 的竞争。并对两种博弈方法进行了横向比较。 第五章研究了如何将伯川德博弈用于一次多主时主系统之间的竞争。 第六章是全文的总结。 东南大学硕士学位论文 6 第二章频谱共享方法及博弈论概述 第二章频谱共享方法及博弈论概述 2 1 频谱共享的方法分类和现有成果 现在已有的频谱共享方法可以从共享架构的假设，频谱分配行为和频谱接入 的技术进行分类 4 。 从共享架构角度来看，分为集中式和分布式。在集中式频谱分配中，存在一 个中央控制器，它负责为次系统统一分配频谱，并决定他们接入这些频谱的程序。 在这种架构中，次系统用户将他们的频谱检测结果统一提交个中央控制器，由它 来进行综合处理以确定如何分配频谱达到整体最优。在分布式频谱分配中，每个 次系统负责各自的频谱检测和频谱决策，这主要适用于次系统是a dh o e 网络或者 其他不能够建立中央控制器的情况。 从频谱分配行为角度来看，分为合作式频谱共享和非合作式频谱共享。在合 作式方案中，次系统考虑互相之间的影响，他们之间采取合作的方式共享频谱。 在非合作方案中，每个次系统都是自私的，他们追求自己利益的最大化的频谱分 配方式。 从频谱接入技术角度来看，分为插入式( o v e r l a y ) 和铺垫式( u n d e r l a y ) 。前者 是指次系统只使用主系统未使用的频谱进行通信；后者可以在主系统正在使用的 频段上进行通信，但是次系统的发射功率足够低以至于对主系统的干扰在限定范 围以下。两种方法的使用环境不同。当次系统知道主系统的全部信息时，一般考 虑采用插入式方案，因为这种方案的中断概率较低；如果次系统不知道主系统的 信息，则应该采用铺垫式方法；如果次系统只知道主系统的部分信息，就可以采 用两者混合的方法。本文主要研究插入式频谱共享方法，也就是次系统只能用主 系统的频谱空洞进行通信。 移动通信的频谱共享是比较新的话题，研究成果不是特别多，这也是这个题 目值得研究的原因之一。但是已有的文献还是提出了一些如何在u m t s 网络和未 来4 g 网络共享频谱的方法。 文献 1 5 将动态频谱的共享分成集中式和分布式。对于集中式分配方法，运 营商把他们的频谱利用情况实时向一个频谱管理者报告，然后该频谱管理者根据 运营商的业务需求和国家频谱管理政策，动态的为运营商分配频谱。对于分布式 分配方法，频谱的分配是通过分散在网络中的设备( 例如用户终端) 来完成的， 包括完全自治式的和协同式的，该方法要求设备具有认知无线电的功能，即能智 能地感知频谱并智能地接入。正交频分复用多址技术是该文献提议实现动态频谱 分配的关键物理层技术。每个运营商在某个时段可能分配得一段连续的频谱( 紧 7 东南大学硕上学位论文 连的子载波) 也可能分到若干频谱片段( 非紧连的子载波) 。 欧洲的m n n e r i 程 1 6 使用弹性的频谱使用机制实现频谱共享，即允许同 一段频谱被不同系统共同使用同时限制系统间的干扰，以提高频谱利用率。该工 程已经研究了在i m t - a d v a n c e d 系统和固定卫星服务系统之间的频谱共享。物理 层和媒体接入控制层之间的跨层设计技术是该工程提出的弹性频谱使用机制的 挑战之一。 而欧洲i s t 的t r u s t 工程将频谱共享分成四种类型 1 7 - 1 8 。其中比较重要 的三种类型：一是运营商之间的频谱界限不是固定的，二是两个运营商之间有一 段公共的频谱可以共享，三是两个运营商之间没有频谱界限，频谱完全为他们共 享。 1 9 研究了唧sf d d 系统中使用上述第二种方式进行频谱共享，具体方法 是通过设定功率门限来控制运营商对共享频带的使用情况。如根据业务情况，信 道条件以及合同，每个运营商获得各自的最大门限集合( 决定了其在共享频带能 实现的最大负载) ，通过控制该集合可以控制运营商对共享频谱的使用优先级， 同时也决定了他们各自的付费标准。该文献还将提议的频谱共享方案与固定频谱 分配方案进行比较，得出了在保证一定服务指标的情况下，共享频谱会使系统容 量明显增加。 文献 2 0 研究了一种特殊情况的频谱共享，即把一个超帧分成若干时隙，每 个运营商有他们各自专有的时隙，还有一些时隙为他们共享。仿真结果显示这种 频谱共享方法可以降低一些业务的时延，如图片短信，视频流等，但是该方法的 频谱共享方法不够灵活，因为它仅从时间上考虑了频谱共享，每个时隙整个频谱 为某个运营商独享。 2 2 频谱共享的基本模型 在本节介绍三种基本的频谱共享模型：图论着色模型，干扰温度模型，博弈 论( g a m et h e o r y ) 模型。 1 图论着色图模型【2 1 2 3 】 图论着色模型是把认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图。图的顶点代表认 知用户，边表示对顶点之间存在干扰或者冲突。即如果图中两个顶点之间有线 连接。如果图中某两个顶点有一条边连接，则这两个节点所代表的认知用户不能 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。 认知无线电用户使用授权频段的原则是：如果当前信道被主系统使用，则为 了避免对主系统的干扰，这个信道不能被附近的认知用户使用。主系统工作在不 同的功率下，其通信覆盖范围彳i 同。在主系统的覆盖区域内，如果存在使用相同 第- 章频谱共享方法及博弈论概述 频段的认知用户，就必然会对主系统带来干扰，导致其系统性能的急剧下降。因 此在主系统的干扰范围内不允许次用户使用相同的频率。因此，频谱分配就抽象 成了一个数学问题，如何确定每个顶点的关联集合使得他们之间不会互相冲突。 当然，在实际通信环境中，频谱使用情况是时变的，认知用户组成的网络拓扑结 构也是时刻变化的，因此也就需要为次用户动态的分配频谱。类似于因特网中的 路由选择，网络拓扑结构的改变可以通过系统每个周期的检测报告获得，通过实 时的信息交互，网络中每个节点会更新数据库里面的关于网络拓扑的信息。 2 干扰温度模型 干扰温度最初由f c c i j 进 2 4 ，用来量化和管理干扰通信系统之间的干扰。 其基本思想是管理接收功率而不是发射功功率。工作在授权频段的认知无线电设 备采用干扰温度模型来测量当前的干扰环境，并相应调整发射机的属性( 如发射 功率、频谱等) ，以避免次系统对主系统的干扰超过干扰温度限，严重影响主系 统的通信。 干扰温度的概念与噪声温度的概念等价，它与干扰的功率及其相应带宽的有 关。对于固定区域，应该确定干扰温度的极限，作为给定区域给定频段上可容忍 干扰大小的上限。任何使用该频段的认知无线电用户必须保证其信号发射不会使 得该频段的干扰温度超过规定的极限。 然而在实际环境中对于信号与干扰的区分、中心频率无以及带宽等问题均存 在不确定性，实际采用的干扰模型有以下两种： ( 1 ) 理想模型：包含了背景噪声干扰、其它认知无线电用户信号对本用户的 干扰。 ( 2 ) 通用模型：包含了背景噪声干扰、来自授权用户信号的干扰、来自其它 认知无线电用户信号传输对本用户的干扰。 3 博弈论模型 博弈论已被广泛地应用于微观经济学，在无线通信的研究中，博弈论为分析 动态资源管理的问题提供了一种新的方法和模型。采用认知无线电的用户可以看 成是微观经济学中的个体，他们之间通过互动达到某种目的( 共享频谱) 。他们的 行为就是对频谱采取的策略( 如购买频谱价格，购买的数量等) 。不同用户的行 为不尽相同，有的是合作的，有的自私，有的甚至是恶意破坏。因此它们之间的 交互决策是一个非常复杂的过程。这种交互行为可能对单个用户似乎是有益的， 但对网络整体很有可能是有害的。因此，我们应该在推广认知无线电之前弄清楚 这些相互决策过程。博弈论就是研究决策主体的行为发生直接相互作用时的决策 以及这种决策的均衡问题，因此，它非常适合研究频谱共享问题。 用博弈论研究频谱共享的主要好处有： ( 1 ) 将主次系统的频谱共享问题建模成博弈模型，我们就可以采用发展比较 成熟的博弈理论来研究主次系统的行为和决策。 9 东南火学硕上学位论文 ( 2 ) 博弈理论可以使我们用各种优化准则研究频谱共享问题。实际上，许多 频谱共享问题归结到最后都是一个多目标优化问题，而这种问题常常是 n p 难解问题。博弈论可以使我们使用定义好的均衡准则来研究不同参数 设置下博弈结果的优化特性。 ( 3 ) 非合作博弈理论使得我们能够实现分布式的频谱共享，即主次系统只需 要利用各自的局部信息就可以实现有效的频谱共享。这对于无法实现集 中式频谱管理的情况( 如a dh o e 网络) 是很好的选择。 总的来说，博弈论主要应用与经济领域，在认知无线电频谱共享领域应用还 处于起步阶段。本文主要研究将博弈理论应用到实际的频谱共享问题中来。研究 了不同的频谱共享情景下，如何使用博弈论来实现主次系统、次系统之间的有效 频谱共享，并对博弈结果的优化特性进行了分析、对比。 2 3 博弈论的产生和发展 博弈论是研究决策主体的行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的 均衡问题的。具体来说，就是当一个主体的选择受到其他主体选择的影响，而且 反过来他的选择又会影响到其他主体的选择时，该主体的决策问题和均衡问题就 是博弈论的范畴。 公认的博弈理论始创于1 9 4 4 年由冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 与奥斯卡摩根 斯坦恩( m o r g e n s t e r n ) 合作的博弈论与经济行为( t h et h e o r yo fg a m e sa n d e c o n o m i cb e h a v i o u r ) 一