（电路与系统专业论文）基于博弈论的认知无线电频谱分配算法研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丛豳墨日期：洲吖矽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 j八 本人签名：a2 型i 生 日期： 趁z 立：兰：星 导师签名： 2 北京邮电大学硕士学位论文 基于博弈论的认知无线电频谱分配算法研究 摘要 随着无线通信和多媒体的高速发展和广泛应用，无线电频谱资源 日趋紧张，但是许多已经分配的频段却在大多数情况下并未被充分利 用。近年来出现的认知无线电技术为提高频谱利用率提供了一条新思 路。它是一种智能的无线通信技术，能够随外界环境的变化自适应调 整通信系统的参数，择机选择主用户暂不使用的频段进行通信，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。 目前，国内外的研究者虽然已提出一些认知无线电频谱分配系统 模型和算法，但都有其局限性，基于其它理论的模型和算法仍然是学 术界迫切需要的。而将博弈论引入认知无线电技术的研究是解决认知 无线电频谱分配问题的新途径。 本文首先在现有频谱检测方法研究的基础上提出一种将能量检 测法和循环平稳特征检测法相结合的双门限检测法，大大提高了空闲 频谱检测概率。接着利用博弈论对认知无线电行为进行分析，构建了 基于博弈论的频谱分配系统模型；然后基于该系统模型，将博弈论中 的古诺博弈模型和斯坦科尔伯格博弈模型引入到本文的认知无线电 研究中，设计了适用于认知无线电频谱分配的古诺模型算法和斯坦科 尔伯格模型算法；最后，对出租频谱的总量和价格随主用户数量增加 的变化情况进行了仿真。仿真结果表明，古诺模型算法和斯坦科尔伯 格模型算法与静态频谱分配算法相比，能显著提高空闲频谱出租总 量，在采用这种系统模型和算法的情况下，频谱的价格明显低于静态 频谱分配情形的频谱价格，因此次用户租借频谱的意愿也会增强。 关键词：认知无线电博弈论频谱分配古诺模型斯坦科尔伯格模型 r e s e a r c ho nt h es p e c t r u ms h a r i n g a l g o r i t h mf o rc o g n i t i v er a d i o sb a s e d o ng a m et h e o r y a b s t r a c r w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，r a d i os p e c t r u mi sb e c o m i n g as c a r c e r e s o u r c e h o w e v e r ，m a n yf r e q u e n c yb a n d sa r en o tu s e d e f f i c i e n t l ya tm o s tc o n d i t i o n s c o g n i t i v er a d i oi san o v e la p p r o a c hf o r i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fr a d i os p e c t r u m c o g n i t i v er a d i oi sa n i 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 e ，c a na d a p ti t sp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o n so fe n v i r o n m e n t ，a n do p p o r t u n e l ys w i t c h e st o t h eb a n d sw h i c ha r en o t b e i n gu s e db yt h ep r i m a r yu s e r s ，s oi tb r i n g sa p r o m i s i n gf u t u r e t os o l v et h es 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 c s 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 yo fs p e c t r u mu t i l i z a t i o n a tp r e s e n t ，r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a v ep r o p o s e ds o m e s y s t e mm o d e l sa n da l g o r i t h m so ns p e c t r u ma l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i o b u tt h e s em o d e l sa n da l g o r i t h m sh a v et h e i rl i m i t a t i o n s m o d e l sa n d a l g o r i t h m sb a s e do no t h e rt h e o r e t i c a li ss t i l lu r g e n tf o ra c a d e m i a i t sa n e w w a yi n t r o d u c i n gg a m et h e o r yt oc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yr e s e a r c h t os o l v et h ep r o b l e mo f c 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 n i nt h i st h e s i s ，ad o u b l e t h r e s h o l dd e t e c t i o nm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e s e n e r g yd e t e c t i o nw i t hc y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r ed e t e c t i o n ，i sp u tf o r w a r do n t h eb a s i so ft h ea v a i l a b l e s p e c t r u md e t e c t i o nm e t h o df i r s t l y s e c o n d l y , t h e c o g n i t i v er a d i ob e h a v i o ri sa n a l y z e dw i t hg a m et h e o r y , a n dt h es y s t e m m o d e lo fs p e c t r u ma l l o c a t i o ni se s t a b l i s h e d t h i r d l y , b a s e do nt h es y s t e m m o d e l ，c o u r n o tm o d e la l g o r i t h ma n ds t a c k e l b e r gm o d e l a l g o r i t h m ，w h i c h a r ei n t r o d u c e df r o mg a m et h e o r y , a r ed e s i g n e dt ob eu s e do ns p e c t r u m l i 北京邮电大学硕士学位论文 a l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i o f i n a l l y , s i m u l a t i o ni sd o n ef o rt h es i t u a t i o n t h a tt h et o t a lq u a n t i t ya n dt h ep r i c eo ft h er e n t a ls p e c t r u mv a r yw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eq u a n t i t yo ft h ep r i m a r yu s e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h et w oa l g o r i t h m si n c r e a s et h et o t a lq u a n t i t yo ft h er e n t a l s p e c t r u mv e r y m u c hc o m p a r e dw i t ht h es t a t i c s p e c t r u ma l l o c a t i o n a l g o r i t h m t h et w oa l g o r i t h m sc a na l s or e d u c et h ep r i c eo ft h es p e c t r u m c o m p a r e dt ot h es t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hm a k e st h e s e c o n du s e r sw a n tt or e n tm o r es p e c t r u m s k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；g a m e t h e o r y ；s p e c t r u ma l l o c a t i o n ； c o u r n o tm o d e l ；s t a c k e l b e r gm o d e l m 北京邮电大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a ( 了r i l e j 录 第一章绪论1 1 1课题研究背景及意义1 1 1 1 课题研究的背景。1 1 1 2 课题研究的意义1 1 2国内外研究现状2 1 2 1 代表性研究成果2 1 2 2 标准化研究进展4 1 3 论文的内容安排5 第二章认知无线电简介7 2 1 认知无线电的定义7 2 2认知无线电的主要功能。8 2 3 认知无线电频谱检测技术。9 2 3 1常用频谱检测方法。9 2 3 2 双门限检测法。1 1 2 3 3 仿真结果与分析。1 l 2 4 认知无线电频谱分配技术1 3 2 4 1 频谱分配技术的分类1 3 2 4 2 频谱分配的要求。1 4 2 4 3 频谱分配的基本模型。1 5 2 5 本章小结。1 6 第三章博弈论简介1 8 3 1 博弈论的基本概念1 8 3 2 博弈论的产生及发展。1 8 3 3 博弈论的分类。1 9 3 4 常用博弈模型介绍2 0 3 5本章小结。2 1 第四章频谱分配系统模型和算法。2 2 4 1 弓l 言：1 2 4 2利用博弈论分析认知无线电。2 2 4 3基于博弈论的认知无线电频谱分配系统模型2 4 4 3 1 系统模型。2 4 4 3 2 基本方法。2 5 4 4 静态博弈算法：古诺模型分配算法2 7 4 4 1 经典的古诺模型及纳什均衡解2 7 4 4 2 古诺模型算法。2 9 4 5 动态博弈算法：斯坦科尔伯格模型算法。3 1 4 5 1 经典的斯坦科尔伯格模型及纳什均衡解3 1 i v 北京邮电大学硕士学位论文 4 5 2 斯坦科尔伯格模型算法3 2 4 6 本章小节3 3 第五章算法求解及仿真3 4 5 1算法求解3 4 5 1 1 古诺模型算法求解3 4 5 1 2 斯坦科尔伯格模型算法求解3 5 5 1 3 静态频谱分配算法求解3 6 5 2m a t l a b 平台下算法仿真。3 6 5 2 1 古诺模型算法。3 6 5 2 2 斯坦科尔伯格模型算法4 0 5 3 d 、l 者4 5 第六章总结与展望4 7 6 1 总结4 7 6 2 展望。4 8 参考文献4 9 致谢5 ：! 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 v 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近年来，随着人们对无线通信业务的需求不断增加，各种无线通信技术得到 了前所未有的发展，无线通信信息传输速率也已提高到几十兆甚至上百兆比特每 秒。在此过程中，无线频谱资源被划分给各种不同的通信技术使用，这种固定的 频谱划分方式使得剩余的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技术，如链路自适应技术、多天线 技术【1 】等努力提高频谱利用率的同时，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。有研究结果表明，造成频谱短缺的主要原 因不是固有的频谱资源不足，而是现有的频谱管理与分配制度不合理1 2 j 。目前无 线通信网普遍采用固定频谱分配制度，将频谱分成2 个部分：授权频段和非授权 频段。大部分频谱资源被用作授权频段，如电视广播频段等。这些频段只有拥有 授权的用户才能使用。这种固定频谱分配制度管理简单易行，但整体频谱利用率 低下。 美国联邦通信委员会( f 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 ) 频谱策略 任务工作报告【3 l 给出的时间和空间上的统计结果显示，由频谱管理机构为不同的 授权系统和业务分配的长期固定的频谱资源的利用率各不相同，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的频段并没有得到充 分利用，并且频谱利用率在不同的时间和空间也不相同。可用的频谱资源有限， 同时大量的频段频谱利用率低下，使得寻找能够与现有的通信系统共存的通信实 体成为迫切需要。 认知无线电( c r c o g n i t i v er a d i o ) 【4 】正是在这样的背景下应运而生的，它的出 现为实现频谱动态管理、提高频谱利用率从而解决频谱资源不足的问题开创了崭 新的局面。 。 1 1 2 课题研究的意义 在保证不对授权用户造成破坏性干扰的前提下，实现“见缝插针 式的机会 频谱接入，需要满足两个条件：一是能够准确的检测出空闲频段，获得授权用户 北京邮电大学硕士学位论文 频谱利用的准确信息；二是灵活有效的频谱共享策略，使得非授权用户和授权用 户之间在确保干扰在可以忍受的前提下，可以合理高效地利用频谱。因此，认识 无线电的频谱分配问题是认知无线电技术发展必须解决的关键问题之一。 目前，国内外的研究者虽已提出一些认知无线电频谱分配模型，并且基于这 些模型提出了相关算法，但由于认知用户的智能性以及认知网络的动态特性，迫 切需要提出更多与之相适应的频谱分配模型和算法。博弈论是微观经济学中已广 泛应用的理论，它为相互影响的认知用户和授权用户的决策选择问题提供了数学 依据，纳什均衡的存在也使得寻找最终的问题最优解成为了可能。因此，将博弈 论引入认知无线电技术的研究是解决认知无线电频谱分配问题的新途径。如何利 用博弈论对认知无线电行为进行分析，构建基于博弈论的频谱分配系统模型以及 提出基于模型的具体算法都是具有重要意义的研究课题，必将对认知无线电技术 的发展起到极大的推动作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 代表性研究成果 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、认知无线电频谱分 配技术、认知无线电功率控制技术等等。典型的系统有： 1 、频谱池：基于频谱池的频谱共享策略【5 】是集中式网络的典型代表，其基本 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。基于频谱池共享策略的 动态频谱分配实际上是一个受限的信道分配问题，它以最大化信道利用率为主要 目标，同时考虑最小化干扰水平和频谱接入的公平性。 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 6 1 。在c o r v u s 系统中，各非授权用户基于本地频谱侦听，以合作的 方式完成授权用户检测和频谱分配的工作。这种合作的方法极大地增强了系统识 别和规避授权用户的能力。在c o r v u s 系统中，若干非授权用户( 次用户) 构 成一个次用p 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 7 l 测试其物理 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型8 1 。 2 北京邮电大学硕士学位论文 3 、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 9 j 。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 是频谱管理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 m n e t 使用集中的、区域 网络电平代理机制，目标是在显著改善频谱利用率的同时降低系统的复杂性和灵 活性。基站向指定的无线接入网络管理器( r a n 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 的频谱利用率己 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。最近的研究主要集中在频谱定价和频谱代理的分配i l o j 。 4 、d r i 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口服 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1 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【1 2 l 。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【1 3 l 。时间动态频谱分配是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是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。 5 、n a u t i l u s ：该工程重点研究分布式的合作频谱分配1 1 4 j ，提出了开放频谱 a dh 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【1 5 1 。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，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，从而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【1 6 1 。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 e 网络，提出基于规 则的设备中心频谱管理算法【1 7 】，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。 6 、o c r a n e t w o r k ：该网络是基于o f d m 的认知无线电网络1 1 剐。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 3 北京邮电大学硕士学位论文 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 2 标准化研究进展 随着c r 技术的发展，各标准化组织和行业联盟纷纷开展相关研究，并着手制 定c r 的标准和协议。目前涉及c r 标准制订的组织和行业联盟主要有美国电气电子 工程师学会( i e e e ) 、国际电信联盟( 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 ， i t u ) 、软件无线电论坛( s d r f ) 和无线世界研究论坛( w w r f ) 1 9 j 等。 l 、i e e e 相关标准 i e e e 对于c r 技术的标准化推进工作比较积极，目前正在制订的与c r 相关的标 准主要包括：i e e e 8 0 2 2 2 、i e e e 8 0 2 1 6 h 、i e e e p l 9 0 0 、i e e e 8 0 2 1 1 h 以及 i e e e 8 0 2 1l y 等。 ( i ) i e e e 8 0 2 2 2 1 2 0 l ：2 0 0 4 年1 0 月成立的i e e e 8 0 2 2 2 2 5 作组是第一个世界范 围的基于c r 技术的空中接口标准化组织，其目标是利用技术将分配给电视广播 f u h f 频带用作宽带接入，组建无线区域网络( w r a n ，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 ) 。现有的i e e e 8 0 2 2 2 标准提案对空中接口进行了规范，包括物理层与 媒体接入控制层。目前e t r i 、s a m s u n g 、飞利浦、摩托罗拉以及华为等多家公司 都加入了i e e e 8 0 2 2 2 工作组的标准化制定过程，并通过审议和合并提案提出了物 理和m a c 层的初步技术草案。 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 6 h 2 1 】：随着8 0 2 1 6 系列规范的不断制订和完善，频谱资源问 题成为制约技术发展的关键问题，为此，2 0 0 4 年1 2 月，专门成立了致力于解决共 存问题的8 0 2 1 6 h 工作组，目标是利用c r 技术使系列标准可以在免授权频段获得 应用，并降低对其他基于i e e e 8 0 2 1 6 免授权频段服务用户的干扰。目i e e e 8 0 2 1 6 h 标准主要e h l i c 圮n s e e x e m p tt a s kg r o u p $ 0 定。 ( 3 ) i e e e l 9 0 0 1 2 2 1 ：i e e e 8 0 2 2 2 和8 0 2 1 6 h 都只是c r 的简单应用，为了进一步 研究c r ，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c r 技术的发展及与其他 无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。i e e e l 9 0 0 目前包i e e e l 9 0 0 1 、 i e e e l 9 0 0 2 、i e e e l 9 0 0 3 、和i e e e l 9 0 0 4 这4 个工作组。其中，i e e e l 9 0 0 1 工作 组的任务是解释和定义有关下一代无线电系统和频谱管理的术语和概念，提供对 4 北京邮电大学硕士学位论文 技术的准确定义和对关键技术的解释；i e e e l 9 0 0 2 - e _ 作组为干扰和共存分析提供 操作规程建议；i e e e l 9 0 0 3 工作组为软件无线电的软件模块提供一致性评估的操 作规程建议；i e e e l 9 0 0 4 t 作组的任务是为动态频谱接入的无线系统提供实际应 用、可靠性验证和性能评估。 ( 4 ) i e e e 8 0 2 1 l h 冽：i e e e 8 0 2 1 l h 修改了i e e e 8 0 2 1 l a p h y 层标准，增强了 5 g h z 频段的网络管理、频谱控制和传输功率管理功能，提高了信道能量测量和 报告、多个管理域的信道覆盖、动态信道选择和传输功率控制机制等。其中一个 关键内容一动态频谱选择实际上属于c r 的范畴。 ( 5 ) i e e e 8 0 2 1 1 y t 2 4 j ：i e e e 8 0 2 1 1 v 的目标是开发新的无线局域网标准，以 工作在f c c 向公众应用开放的原来用于卫星服务网络的3 6 5 g h z 一3 7 g h z 频段， 同时计划提出一种标准的机制用于避免与该频段内的其他用户形成干扰。目前己 定义了传输初始化的过程，频谱感知方法，检测到信道忙时重传的机制等内容。 2 、丌u r ：盯u 关于c r 的研究工作目前仍隶属于i t u rw p 8 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c r 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c r 单独作为一个研究课题进行研究，这说明i t l i 已经充分认识到c r 技术在未来通信发展中的重要意义。 3 、s d i 谭：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c r 工作组与特殊兴趣组，专门开展有关c r 技术的研究。鉴于s d r f 的特殊任务，目前主要致力于开展c r 平台的分析和多模式调整功能的研究。 4 、w w r f ：目前w w r f 也密切关注c r 技术的发展，其第六工作组从可重配 置的网络无线资源管理的角度，提出c r 实现可重配置网络的技术，并讨论了当 前技术的可实现性。 1 3 论文的内容安排 本文主要基于博弈论对认知无线电中的频谱分配问题进行研究，提出认知无 线电频谱分配系统模型，并基于该模型将博弈论中的古诺博弈模型和斯坦科尔伯 格博弈模型引入到本文的认知无线电研究中，设计了适用于认知无线电频谱分配 的古诺模型算法和斯坦科尔伯格模型算法，最后对这两种模型算法进行仿真。 全文的内容安排如下： 第二章对认知无线电的定义进行介绍，阐述其主要功能，并详细介绍认知无 线电常用频谱检测频谱方法，提出性能更优越的双门限检测方法并对其进行仿 真，最后详细介绍了认知无线电频谱分配技术及其分类、频谱分配的原则和频谱 5 北京邮电大学硕士学位论文 分配的基本模型。 第三章对博弈论进行简单介绍，阐述博弈论的基本概念和发展历程，介绍博 弈论的分类和基本的博弈论模型。 第四章是全文的重点，构建了基于博弈论的认知无线电频谱分配系统模型， 给出了频谱分配的基本方法，并基于该系统模型将博弈论中的古诺博弈模型和斯 坦科尔伯格博弈模型引入到认知无线电研究中，设计了适用于认知无线电频谱分 配的古诺模型算法和斯坦科尔伯格模型算法。 第五章对古诺模型算法、斯坦科尔伯格模型算法和静态频谱分配算法进行数 学求解和仿真，并对仿真结果进行分析。 第六章对全文进行总结，并对认知无线电中频谱分配技术未来研究方向进行 展望。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章认知无线电简介 2 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 、国际电信联盟、j o h nn 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j o s e p hm i t o l a 博士在软件无线电概念的基础上提出 的，j o s e p hm i t o l a 博士认为认知无线电是一种能够感知周围的通信环境，然后通 过一种称作“无线电知识表示语言( 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 ， 砌娘u ”的语言自适应地调整通信参数来提高个人无线电业务的灵活性的无线通 信技术。随后，j o s e p hm i t o l a 博士在其博士论文【2 5 】中又指出现有的数字无线电适 应性很强，但是缺乏计算智能。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，并使用无线电知识表示语言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 博士提出基于机器学习和模式推理的认知循环模 型来展开认知无线电的研究。他认为认知无线电当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。 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【冽：“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，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极大干扰的 情况下接入空闲频谱。因此认知无线电也被称为机会频谱接入无线电。认知无线 电具有两个主要特征1 2 7 1 ，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，避免对主用户的干扰，识别出频谱空洞，从而选择最佳 的可接入频谱和适当的通信参数。重新配置的能力是指认知无线电能够根据无线 环境动态的配置参数，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。因为大多数频谱己经分配出去，认知无线电技术最重要的挑战是在 不影响授权用户的条件下接入频谱，它的最终目标是通过认知能力和重新配置能 7 北京邮电大学硕士学位论文 力来获得最佳的可用空闲频谱。 s i m o nh a y k i n 教授在文献 2 8 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 则将认知无线电定义为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【冽的无线电或系统。 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 ，s d r ) 不是c r 实现的必 然条件，也不是s d r 的发展，它们之间是重叠关系【删。 2 2 认知无线电的主要功能 认知无线电技术包括频谱检测、频谱管理和分配以及频谱切换等多方面的 内容，其核心思想可以简单概括为使认知无线电设备具有发现“频谱空洞 并合 理利用的能力。它允许次用户使用主用户暂时未使用的频谱，一旦主用户需要时 再归还给主用户使用。 认知无线电技术为次用户提供了择机使用空闲频谱的能力。动态频谱接入 技术使得次用户能够工作在最佳的可用频段上。具体来说，认知无线电的主要功 能如下： ( 1 ) 频谱检测 频谱检测的目的是侦听所有时间、频率、空间上的频谱，以检测出当前可 用的空闲频谱。为了尽量减少对授权用户造成的干扰，次用户在利用空闲频谱进 行通信的过程中，需要能够快速检测到授权用户的再次出现，并迅速腾出频谱， 以供授权用户使用。这就需要认知无线电能够实时连续地侦听频谱，以提高检测 的可靠性。检测频谱空洞的最有效方式是检测在用户通信范围内的正在接收数据 的主用户。频谱检测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、循环平稳特征检测等方法，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。实际上，对认知 无线电来说很难找到直接的检测授权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用户本地观察的主用户发射机的检测。频谱检测 主要是物理层技术，是频谱分配和频谱切换的基础。 ( 2 ) 频谱分配 8 北京邮电大学硕士学位论文 频谱分配是指在认知用户检测到可用频谱后，认知用户之间通过合理公平 的方式共享频谱资源。频谱分配主要包括频谱分析和频谱选择两个步骤。频谱分 析是指c r 用户对已检测到的频谱进行参数和特征评估，对频谱进行筛选和分类。 频谱选择是指用户根据频谱分析的结果，依据频谱选择算法，从业务特点、q o s 要求、公平性、信道特点等多方面考虑，选择满足要求的频谱。频谱分配以频谱 检测为基础，同时为上层业务提供保障，是提高频谱利用率的关键。 ( 3 ) 频谱切换 授权用户的频谱利用状态是随时间、地点不断变化的，当c r 用户正在使用 的频谱上重新出现授权用户时，为了保证授权用户的通信质量，c r 用户要立刻 切换到新的频谱上去，这就是频谱切换。当c r 改变自身工作频率的时候，要求 网络不同层的协议必须很快适应新的工作频率的信道参数。要实现网络状态变换 尽可能快的、平滑的运行，确保在频谱切换中最大限度地降低c r 用户的业务性 能损失，这对频谱切换策略及算法提出了挑战。频谱切换策略及算法的好坏直接 关系着c r 用户的q o s 能否得到保证。 2 3 认知无线电频谱检测技术 认知无线电设备是通过检测频谱，利用空闲频段来进行通信的。因此非授 权用户要进行通信的首要条件就是检测出授权用户的空闲频段( 频谱空穴的检 测) ，也就是必须具备信号的检测功能。 通常对于特定的频段，如果接收到的这个频段的信号经过滤波器滤波后只 含噪声，那么就认为这个频段未被占用；反之，这个信号就含有噪声和未知通信 信号。这是一个二元的信号检测问题，可以建立一个假设检验的模型。有日。和风 两个假设： z o ) ；p o ) 日。 ( 2 一1 ) i s o ) + ，l o ) h 1 x o ) 是非授权用户接收到的信号，s o ) 是授权用户的发射的信号，甩o ) 表示理想 高斯白噪声。日。表示在某个频带内没有授权用户存在；日，表示在某段频段内存 在一定数量的授权用户。根据假设模型，一般有三种方案：匹配滤波器检测、能 量检测和循环性平稳特征检测f 3 1 】。 2 3 1 常用频谱检测方法 匹配滤波器检测：所谓匹配滤波器是指输出信噪比最大最佳线性滤波器。 9 北京邮电大学硕士学位论文 这种滤波器在数字通信信号和雷达信号的检测中具有特别重要的意义。匹配滤 波器的冲激响应便是信q s ( t ) 的镜像信号s ( - t ) 在时间上再平移t o ，即如式( 2 2 ) 所示： o ) = k s 纯- t ) ( 2 - - 2 ) 匹配滤波器的输出信号是输入信号的自相关函数的k 倍。当非授权用户已经 获得了授权用户信号的先验知识后，在加性高斯白噪声信道中，最佳的检测装置 就是匹配滤波器。匹配滤波器法在加性高斯白噪声信道中是一种最优的频谱感知 方法，但它的缺点是为了获得匹配滤波器而必须具备授权用户信号的先验知识， 并且计算量也比较大。因此如果先验知识不准确，那么匹配滤波器的性能就会大 大下降。 能量检测：如果接收者无法知道关于授权用户信号的先验知识，那么最佳的 检测装置就是能量检测装置。能量检测法是一种比较简单的信号检测方法，属于 信号的非相干检测，直接对时域信号采样值求模，然后取其平方；或利用f f r 转 换到频域，然后对频域信号求模平方也可得到。它的另外一个优点是无需知道授 权用户信号的任何先验知识。虽然能量检测法简单且不需要任何的先验知识，但 它固有的缺陷限制了它的使用