（电路与系统专业论文）基于博弈论的航空自组网频谱共享算法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着无线通信技术、网络技术及相关通信业务的迅猛发展，原本有限的无线 电频谱资源f 1 益匮乏，另外现在主流的独占式的频谱分配方式，极大地降低了频 谱的利用率，加剧了频谱资源的紧张状况。认知无线电频谱共享技术能实现频谱 资源的再利用，有效地提高频谱利用率。 未来的航空通信网络是一个天基网、地基网和空基网全球一体化的异构网系 统，白组网是空基网主流的组网方式。然而，急剧增长的航空通信业务需求使现 有的航空白组网面临通信容量饱和，信道资源不足的问题，严重阻碍了航空通信 网的发展，如何优化航空自组网频谱资源的利用已是刻不容缓。 本文在深入研究博弈论的基础上，将博弈理论应用到航空白组网中来优化其 频谱资源的利用。针对航空白组网中多个主用户和一个次用户共享频谱的情况， 提出了基于古诺博弈模型的频谱共享算法；针对航空自组网中多个主用户和一个 次用户共享频谱，且每个丰用户拥有两种不同波段频谱的情况，提出了一种基于 古诺和伯川i 德模型的混合博弈频谱共享算法。 仿真结果表明本文提出的两种算法都能较好的解决航空自组网的频谱共享问 题。基于古诺博弈模型的频谱共享算法的仿真结果表明：在只考虑主用户的支付 的情况下，不论信道质量与频谱的可替代性参数如何，采用古诺博弈的频谱共享 模型具有绝对的优势。在考虑社会效益的情况下，在低信噪比时，采用伯川i 德博 弈的频谱共享模型略占优；而在高信噪比时，随着频谱可替代性参数的增大，古 诺博弈的频谱共享模型优势愈加明显。基于古诺和伯川德模型的混合博弈频谱共 享算法的仿真结果表明：采用混合博弈的频谱共享算法综合了古诺和伯川德博弈 模型的优点，随着两波段频谱可替代性参数的增大，主用户的支付也增大且均大 于单独采用两种博弈模型的频谱共享算法所获得的支付。 关键词：频谱共享，, f nj i l 德模型，古诺模型，纳什均衡，混合博弈 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 y , n e t w o r k t e c h n o l o g ya n dr e l a t e dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，t h es c a r c i t yo ft h e r a d i os p e c t r u m r e s o u r c e sw h i c hi s o r i g i n a l l y l i m i t e di n c r e a s e s b e s i d e s ，t h ee x c l u s i v es p e c t r u m a l l o c a t i o nm o d er e c e n t l yg r e a t l yr e d u c e st h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n de x a c e r b a t e st h e t e n s i o no ft h es p e c t r u mr e s o u r c e s c o g n i t i v er a d i os p e c t r u ms h a r i n gt e c h n o l o g i e sc a n a c h i e v et h er e u s eo fs p e c t r u mr e s o u r c e s ， a n di m p r o v et h es p e c t r u m u t i l i z a t i o n e f f e c t i v e l y a v i a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k m a d eo ft h es a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k ， i sg o i n gt ob eah e t e r o g e n e o u ss y s t e m ，w h i c hi s t h el a n d b a s e dn e t w o r ka n dt h es p a c e - b a s e d n e t w o r k ，t h em a i nn e t w o r k i n gm o d eo fs p a c e b a s e dn e t w o r ki sa dh o c h o w e v e r , t h e s h a r p l vi n c r e a s i n gd e m a n do fa v i a t i o nc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s r e s u l ti ns a t u r a t i o no f c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n ds h o r t a g eo fc h a n n e lr e s o u r c e s ，a n dg r e a t l yb l o c kt h e d e v e l o p m e n to fa v i a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h e r e f o r e ，h o w t oo p t i m i z et h e u t i l i z a t i o no fs p e c t r u mi sb r o o kn od e l a y i nt h i sp a p e r ，w ea p p l i e dg a m et h e o r yi n t oa v i a t i o na dh o cn e t w o r k t oo p t i m i z et h e u t i l i z a t i o no fs p e c t r u mb a s e d0 1 1t h o r o u g hs t u d yo fg a m et h e o r y a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n t h a tm o r et h a no n ep r i m a r yu s e r sa n das e c o n d a r yu s e rs h a r es p e c t r u mi n a v i a t i o na d h o cn e t w o r k ，w ep r o p o s eas p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o u m o tg a m e m o d e l a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o nt h a tm o r et h a n o n em a i nu s e r sa n das e c o n d a r yu s e rs h a r e s p e c t r u mi na v i a t i o na dh o cn e t w o r k ，a n da tt h es a m et i m e ，e a c hp r i m a r y u s e rh a st w o d i f f e r e n ts p e c t r u mb a n d s ，w ep r o p o s em i x e dg a m es p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h mb a s e d o n c o u r n o ta n db e r t r a n dm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt w oa l g o r i t h m sp r o p o s e dc a ns o l v et h ep r o b l e mo f s d e c t r u ms h a r i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h m b a s e do n c o u r n o tg a m em o d e ls h o wt h a t ：i nt h ec o n d i t i o nt h a tw eo n l yt a k et h ep a y o f fo ft h e p r i m a r y u s e ri n t oa c c o u n t ，n om a t t e rh o wt h ec h a n n e lq u a l i t ya n ds p e c t r u m s u b s t i t u t a b i l i t yp a r a m e t e ra r e ，t h eu s eo fs p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o u r n o t g a m em o d e lh a sa b s o l u t ea d v a n t a g e h o w e v e r , i f w et a k es o c i a lb e n e f i t si n t oa c c o u n t ， t h er e s u i t sw i l lb ea sf o l l o w s ：a tl o ws i g n a lt on o i s er a t i o ，s p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h m b a s e do nbe r t r a n dg a m em o d e li ss l i g h t l yd o m i n a n t b u ta th i g hs i g n a lt on o i s er a t i o ， w i t ht h ei n c r e a s i n go fs p e c t r u ms u b s t i t u t a b i l i t yp a r a m e t e r s ，t h es p e c t r u ms h a r i n g i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a l g o r i t h mb a s e do nc o u r n o tg a m em o d e lt a k e sm o r ea n dm o r ea d v a n t a g e a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fm i x e dg a m es p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o u r n o ta n d b e r t r a n dm o d e ls h o wt h a t ：t h em i x e ds p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h mc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so ft h ec o u m o ta n db e r t r a n dg a m em o d e l ，s ow i t ht h ei n c r e a s i n go f s p e c t r u ms u b s t i t u t a b i l i t yp a r a m e t e r sb e t w e e nt h et w ob a n d s ，t h ep a y o f fo fp r i m a r yu s e r s a l s oi n c r e a s ea n da r eg r e a t e rt h a nt h ep a y o f fo ft h es i n g l eg a m em o d e lb a s e ds p e c t r u m s h a r i n ga l g o r i t h m k e y w o r d s ：s p e c t r u ms h a r i n g ；b e r t r a n dm o d e l ；c o u m o tm o d e l ；n a s he q u i l i b r i u m ； m i x e dg a m e i i i 重庆人学硕+ 学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 无线电频谱是人类宝贵的自然资源，而随着无线通信技术与网络技术迅猛发 展，原本有限的无线电频谱资源同趋紧张。一方面，随着移动通信、卫星通信、 数字集群通信等无线通信技术的快速发展及其相关业务的不断丰富，使得可分配 的频谱资源日益匮乏；另一方面，随着无线网络技术的发展，特别是无线局域网 的发展，越来越多的人占用非授权频段以无线的方式接入互联网的行为，迫使非 授权频段的可用频率资源紧缺的态势日益激烈；再者，当前的绝大多数的频谱分 配方式是一种独占式的分配，所谓独占式分配就是指一旦某段频谱分配给某用户， 那么该用户就享有这段频谱的绝对使用权，即使用户暂时没有使用该频，其他用 户也不能使用该频段。可见这样的频谱分配方式极大地降低了频谱的利用率，同 时也加剧了无电线频谱资源的匮乏态势。研究事实表明：在任意时刻，人们所用 频谱在所有可用频谱中所占比例仅为2 6 ，即使是在频率需求非常紧张的数百 m h z 2 g h z 无线频带中，也同样存在着大量的空闲频谱；此外，美国加州大学 b e r k e l e y 分校对频谱利用情况的实测结果【2 j 表明：3 g h z 4 g h z 频段频谱的利用率 很低，4 g h z 5 g h z 频段几乎全部空闲，而3 g h z 以下频段也未被充分利用，其 中授权频谱资源的利用率尤其低。如此看来，并不是没有可用的频率资源来部署 下一代无线服务，而且从某种意义上说可用的频率资源还十分充沛。因此研究的 重心应该放在如何提高频谱的利用率，让频谱资源得到有效的利用的问题上来。 现在两种主流的提高频谱利用率方法【3j 是：第一，在现有通信网络的基础上采用更 加先进的调制编码技术和多天线技术等来提高频谱的利用效率；第二，由于原有 频谱分配方式是独占式的，所以研究新的频谱共享技术也是一种有效途径；因此 对不可再生的频谱资源再利用的频谱共享技术引起了人们的广泛关注。 当前炙手可热的频谱共享技术是认知无线电( c r ，c o g n i t i v er a d i o ) 技术。认知 无线电技术的最大特点是它能感知周围的频谱环境，自动搜寻周围的空闲频谱， 并加以利用，从而实现不可再生频谱资源的再利用，为解决如何在有限频谱资源 条件下提高频谱使用率这一无线通信难题开辟了一条新的途径 4 。 1 2 课题的研究意义及来源 认知无线电用户分为主用户和次用户。主用) e 1 ( p r i m a r y u s e r ，p u ) ：又称为授权 用户( 以后本文统称主用户) ，是指对授权频段拥有优先使用权的用户。在传统的固定 频谱分配管理方式下，大部分用户独占特定的频段，他们都属于授权用户。次用 重庆人学硕+ 学位论文1 绪论 户( s e c o n d a r y u s e r ，s u ) ：又称为认知用户或者感知用户( 以后统称此用户) ，是指没有 任何频段的使用权，需要相机利用空闲的频段完成信息传输的用户。 认知无线电的频谱共享分为三种情况：第一，多个主用户同时为一个次用户 提供频谱；第二，一个主用户为多个次用户提供频谱；第三，多个主用户为多个 次用户提供频谱。不同的情况所面临的问题也不同。第一种情况中主要考虑相互 竞争的主用户在允许性能下降的范围内，如何最大化自身的收益或者如何最大化 社会效益；第二种情况主要考虑在主用户允许性能下降的范围内，竞争的次用户 如何获得最大收益或者如何公平性地分享主用户的频谱；第三种情况相对而言非 常复杂，不仅需要考虑主、次用户各自的相互竞争，还要考虑公平性等问题。因 此，认知无线电的频谱共享技术中尚需要解决的问题还很多。 目前，国内外的研究者已经提出一些认知无线电频谱共享算法，它们主要分为 三类，一是借助图论的知识来解决频谱共享问题；二是借助经济学中的拍卖理论 来解决频谱共享问题；三是借助博弈理论来解决频谱共享问题。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理论【5j ，它可 用于解决任何关于策略选择的问题，而频谱共享技术需要考虑在主用户、次用户 它们各自或者它们之间的相互作用的情况下的策略问题，所以博弈论为主、次用 户的决策问题提供了理论依据；与此同时，纳什均衡的存在也使寻找稳态最优解 成为了可能。因此，用博弈论来解决认知无线电总的频谱共享问题是可行且有效 的新方法。如何利用博弈论对频谱共享问题进行分析，怎样构建基于博弈论的频 谱共享问题模型以及提出相关具体算法都是至关重要的，具有重要的研究意义。 本文依托国家自然科学基金项目“跨洋民用航空宽带移动通信组网及关键技 术研究”( 6 1 1 7 1 0 8 9 f 0 1 0 2 0 1 ) 。本文拟解决航空白组网中的频谱共享问题，缓解信 道资源不足所造成的压力。 航空移动通信是指飞行中的信息传输与交换，它可分为空中交通管理( a t m ) 通信和商用民航乘客通信( a p c ) 6 】。空中交通管理包括空中交通服务( a t s ) 、航 务管理通信( a o c ) 、航空行政通信( a a c ) ，目前主要使用双边带幅度调制( d s b a m ) 的模拟通信技术，其频谱利用率很低，通信容量已经趋于饱和【6 。7j 。 商用民航通信为乘客提供与地面之间的语音、数据和多媒体业务。根据信号 的传输方式它可分为两大类，一种方法是建立地基网，飞机通过地面基站接入网 络，该方法具有通信带宽较宽，使用成本较低的优势，但不能支撑跨洋飞行。另 一种方法是采用卫星通信网络接入，该方法具有通信稳定可靠，切换次数少的优 势；但是使用成本高，时延长，而卫星信道带宽有限，当用户量较大时，必然面 临信道资源不足，用户体验下降的问题j 。 为了解决现有空中交通管理通信容量同趋饱和的问题，2 0 0 4 年f a a n a s a ( 美 重庆大学硕+ 学位论文 1 绪论 国联邦航空管理局国家航空航天局) 与e u r o c o n t r o l ( 欧洲空中交通管制组织，即欧洲空管) 合作启动了f c s ( f u t u r ec o m m u n i c a t i o n ss t u d y ) 项目，研究2 0 1 5 年到2 0 3 0 年段的空 中交通管理的通信容量方案2 1 。2 0 0 6 年s a k h a e e 等人提出了航空白组网，通过 飞机白组网减小卫星链路的因特网负荷以及实时业务的传输时延，并提出了一种 最佳路径的转发策略 1 3 ，但这种由同向飞行的飞机构成的自组网的最佳链路的负 荷1 般都比较大，该策略仅适用于小规模网络，同时也没有考虑网络的q o s 问题。 为了同时满足商用民航乘客通信不断增长的需求，2 0 0 7 年，e u r o c o n t r o l 提出 “n e w s k y ”计划，探索将各种不同的通信系统( 天基网、地基网、空基网) 整合成一 个全球的异构网络的可行性 14 1 。2 0 0 9 年1 0 月德国宇航中心( d l r ) 公布了一份 n e w s k y 计划研究报告，其中分析总结了已有的研究成果【l 孓1 7j ，并提出了有待研 究的关键问题，其中航空m e s h 网部分主要包括网络连通性问题、路由协议设计的 问题 17 1 。石丛军等在没有考虑航线的情况下，根据贝努利试验和泊松定理对飞机 组网的可行性进行了研究，得出在1 0 0 0 k m 1 0 0 0 k m 的区域内，节点数为5 、1 0 、 1 5 、2 0 时，能够组网的概率分别为5 3 7 6 、8 7 2 9 、9 7 0 5 、9 9 3 7 【l 驯； 总的来说，国内外对航空移动通信网络的研究尚处于起步阶段，对构建全球 的天地空一体化异构网络的可行性与构建航空白组网的可行性进行了粗略研究， 随着航空通信业务和巨大需求，航空白组网面临的频谱资源紧缺问题，至今还没 有提出完善具体可行的方案。 本文拟将基于博弈论的频谱共享技术引入到航空自组网中来解决其频谱共享 问题，优化航空自组网中频谱资源的利用。未来的航空通信网是天地空三网联合 的异构网，这是一个必然的趋势，所以解决航空白组网中的频谱资源问题就具有 非常重要的战略意义，航空白组网作为航空通信网中重要一环，解决其频谱共享 问题，优化频谱资源的配置刻不容缓。 1 3 国内外研究现状 由于认知无线电网络中的频谱共享种类繁多，在特定类别情况下的频谱共享 方法也具有多样性，同时认知无线电用户对带宽的需求的灵活性与其位置的移动 性都迫切需要灵活有效的频谱共享算法。为此，针对特定类别下的频谱共享问题， 国内外学者进行了大量的研究工作，提出了一些新颖的频谱共享算法。一些研究 成果已经得到了公认，为认知无线电技术的发展奠定了一定的基础。当然认知无 线电的频谱共享技术还不完善，还有很多有待解决的问题，这就需要大量研究人 员不懈努力去完善。下面简要介绍频谱共享技术的研究现状。 在国外，基于图论着色理论，结合本地议价算法，c h e n 等人提出了一种称为 预分配和本地议价( p r e a l l o c a t i o na n dl o c a lb a r g a i n i n g ) 的动态频谱分配方案，该方案的 重庆人学硕+ 学位论文 1 绪论 目的是要避免w r a n 小区内或小区间的干扰，此方案保证了用户问的公平性，减 小了系统复杂性并且还能满足用户对频谱带宽的需求【l 圳。 基于微观经济学中的拍卖原理，k l o e c k 等人建立了一个频谱共享系统模型， 该系统模型将频谱的定价、分配和计费( p r i c i n g ，a l l o c a t i o na n db i l l i n g ) 合为一体，并根 据不同的网络效用需求来确定各自的目标函数，反映了用户的动态性，有效地解 决了频谱共享问题【2 。 借助博弈论模型，c l e m e n s 等人对分布式动态频谱共享算法进行了分析，将无 线电用户之间的相互作用建模为一个有两个参与人的重复博弈，然后通过遗传算 法来求得参与人的战略( 频谱共享方案) ，该算法具有较好的系统性能【2 l _ ；e t k i n 等 人对非合作博弈论模型进行了研究，分别实现了一次博弈和重复博弈模型，并且 在重复博弈中通过惩罚策略可以取得公平高效的工作点 2 2 1 ；n i y a t o 等人通过建立 博弈论古诺( c o u m o t ) 模型，在授权频段对一个主用户和多个次用户间的频谱共享问 题进行了研究，给出了静态博弈算法和动态博弈算法，该算法具有较好的公平性 和稳定性 2 3 ；针对一个次用户和多个主用户之间的频谱共享问题，n i y a t o 等人提 出基于伯川德( b e r t r a n d ) 博弈的频谱共享模犁，该模型考虑了主用户之问的差异性， 详细推导了该模型均衡，给出了该模型的动态分布式算法，该文还指出了竞争博 弈中存在的效率低问题，认为可以通过合作博弈来实现高效率的频谱共享【2 4 j ； 在国内，借助图论着色理论，p e n g 和z h e n g 等人对认知无线电频谱共享问题 进行建模并提出了分布式频谱共享算法，仿真结果表明分布式算法和集中式算法 有相同的性能并降低了系统复杂性 2 5 - 2 6 1 ；w a n g 和l i u 采用图论着色模型提出了分 布式贪婪算法( d i s t r i b u t e dg r e e d ya l g o r i t h m ，d g a ) 、分布式公平算法( d i s t r i b u t e df a i r a l g o r i t h m ，d f a ) 、分布式随机算法( d i s t r i b u t e dr a n d o m i z e da l g o r i t h m ，d r a ) 等三种频谱 共享算法，这三种算法分别可以取得最高频谱利用率、保持一定频谱利用率的同 时提高公平性、降低系统复杂性和通信开销的优势 27 ；g u o 等人建立了基于图论 着色原理的合作式频谱共享模型，：并对w a n g 和l i u 提出的三种算法进行了改进， 提出了一种快速信道调整算法( f a s tc h a n n e l a d j u s t m e n t a l g o r i t h m ，f c a a ) ，该算法在保 证吞吐量和公平性性能的前提下还明显减小了开销【2 8 | 。 借助拍卖理论，x i n b i n gw 等提出了一种基于拍卖的频谱共享算法，该算法严 格地证明了纳什均衡的存在性，并根据用户投标频谱的大小比例来分配频谱，具 有较好的公平性 2 9 1 。c a o 等人在基于拍卖的模型下提出了本地议价算法，该算法 采用公平的业务保证机制，与原来的基于拓扑的最优化方法相比，可以达到相近 的系统性能，同时又降低了5 0 的系统复杂度【3 。 针对多个次用户向一个主用户竞争频谱的情况，黄丽亚等人提出了改进的 c o u r n o t 博弈的频谱共享模型，该模型综合考虑主用户的收益受到次用户请求带宽 4 重庆人学硕+ 学位论文 1 绪论 的影响，以及每个次用户的收益受到其他次用户请求带宽的影响【3 1 1 。t i a n 等人建 立了博弈论模型来分析认知无线电中频谱共享算法，研究了在授权频段多个次用 户之问的频谱共享问题 3 2 - 3 3 】，提出了一种加权比例公平算法( w e i g h t e d p r o p o r t i o n a lf a i r a l g o r i t h m ) ，同时实现了频谱共享的高效性和公平性。通过分析了博弈论模型应用于 认知无线电频谱共享的可行性，q i n 等人利用伯川德( b e r t r a n d ) 博弈论模型，引入频 谱的差异性，提出了改进的博弈模型，该文分析了博弈论模型应用于认知无线电 频谱共享的可行性，且给出了静态和动态的博弈算法，改善了频谱利用率p 4 l 。 总之，国内外学者从未间断过对认知无线电中频谱分配问题的研究，理论框 架与算法不断完善，为更加合理有效地利用频谱资源作出了贡献，也为认知无线 电的长足发展奠定了基础。 1 4 论文主要内容和章节安排 以认知无线电中的频谱共享技术作为研究对象，以在微观经济学中广泛应用 的博弈论作为理论基石，在总结和借鉴前人研究成果的基础上，结合航空自组网 的实际情况，对基于博弈论的频谱共享技术开展研究，拟提出适合在航空自组网 中应用的频谱共享方法。 深入分析认知无线电的特点，结合航空自组网的实际情况，考虑网络中现有 的多架飞机与新接入飞机的频谱共享问题，把网络中现有的能正常实现航空通信 的飞机抽象为认知无线电中的主用户( p r i m a r yu s e r ) ，把网络中新接入的飞机视为 一个整体，抽象为认知无线电中的次用户( s e c o n d a r y u s e r ) ，然后提出了种基于古 诺( c o u m o t ) 博弈的频谱共享模型。首先依次推导了基于古诺与伯川德( b e r t r a n d ) 博弈的频谱共享模型的静态纳什均衡，求得其纳什均衡解，然后给出了动态博弈 获取纳什均衡解的分布式算法，进而分别分析了只考虑主用户收益与只考虑社会 效益这两种情况中，信道质量与频谱的可替代性对两种博弈模型的影响，并给出 了它们各自的适用范围，最后通过仿真结果验证了本模型的可行性。 现有的频谱共享方法都只采用单一的伯川德或古诺博弈模型，没有考虑同时 采用两种博弈模型。当然还是针对多个主用户给一个次用户提供频谱的情况，本 文提出了基于伯川i 德和古诺混合博弈频谱共享模型。首先根据主用户对不同波段 频谱不同需求确定采用伯川1 德或古诺博弈模型，求得其相应的需求或逆需求函数， 然后考虑不同波段频谱之间的可替代性得到本文的混合博弈模型中的需求函数和 逆需求函数，接着推导混合博弈模型的纳什均衡，给出了非完全信息动态博弈的 分布式算法和i m a t l a b 仿真结果，最后简要分析了动态博弈的稳定性。 论文结构如下： 第一章：简单介绍认知无线电频谱共享技术产生的背景、研究意义和课题来 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 源，还叙述了航空网络的研究现状并说明了其中急需解决的问题，阐述了把频谱 共享技术引入到航空白组网中的必要性，并对认知无线电相关技术的国内外研究 现状进行了分析和总结。 第二章：首先对认知无线电的关键技术和特点进行简要阐述，然后具体叙述 了认知无线电频谱共享技术的分类及频谱共享的原则，最后详细阐述了基于拍卖 和博弈理论的频谱共享模型，为后文提出频谱共享算法奠定基础。 第三章：详细阐述了博弈论。首先叙述了博弈论的定义和基本元素，然后阐 述了不同分类方法下博弈的分类，重点分析了非合作博弈的纳什均衡解，还探讨 了纳什均衡的存在性，简略介绍了合作博弈和重复博弈，给出了与本文所提算法 密切相关博弈论模型，描述了它们的特点和应用背景，最后分析了将博弈论应用 到航空自组网频谱共享中的可行性，为后面提出基于博弈论的航空白组网频谱共 享算法做好铺垫。 第四章：本章是论文的重点，结合航空白组网络的特点，构建了航空自组网 频谱共享的系统模型，并分析了航空白组网构建的可行性，然后提出了基于古诺 博弈的频谱共享模型，然后依次推导了基于古诺与伯川德博弈的频谱共享模型的 静态纳什均衡，求得其纳什均衡解，然后给出了动态博弈获取纳什均衡解的分布 式算法，进而分别分析了只考虑主用户收益与只考虑社会效益这两种情况中，信 道质量与频谱的可替代性对两种博弈模型的影响，并给出了它们的各自的适用范 围，最后分析了这两种算法的稳定性。 第五章：本章针对现有的频谱共享方法都只采用单一的伯川i 德或古诺博弈模 型，没有考虑同时采用两种博弈模型，为了结合两种模型的各自的优点，本文尝 试性的提出了基于伯川i 德和古诺混合博弈频谱共享模型。首先也是结合实际情况， 分析该模型的可行性，构建了频谱共享的系统模型，然后详细推到了该模型的静 态纳什均衡，给出了该模型的动态分布式算法，分析了几种参数对用户收益的影 响，最后简要分析了该动态分布式算法的稳定性。 第六章，总结全文，叙述了本文的主要贡献和下一步的研究方向。 重庆大学硕士学位论文 2 认知无线电频谱共享技术 2 认知无线电频谱共享技术 认知无线电的核心思想是：网络中认知用户是能感知周围的频谱环境的变化， 能够洞察或捕获周围频谱环境中的空闲频谱，并随着环境变化而自适应地调整其 内部参数以避免对其它系统造成干扰。认知无线电的主要目的就是让认知用户能 够抓住用户频谱空闲的空档实现机会式的频谱接入，因此，认知无线电网络就要 求其巾的认知用户具备认知能力和可重新配置能力。认知无线电网络用户要具备 这两种能力就需要有频谱感知( 检测) 、频谱管理、频谱共享以及频谱移动性这四 个关键技术 3 1 。本文主要研究其中的频谱共享技术，所以下面重点介绍与频谱共享 相关的知识。 2 1 频谱共享技术的分类 频谱共享的分类与频谱共享所研究的内容密切相关。由于频谱共享的主要研 究内容涉及频谱的共享方式、网络结构和控制方式，所以频谱共享的分类可从以 上三个方面入手，如图2 1 所示。 频谱共享的研究方向 填充式下垫式合作式非合作式 图2 1 频谱共享的分类 f i g u r e2 1c l a s s i f i c a t i o no fs p e c t r u ms h a r i n g 从网络结构上来划分，频谱共享可分为集中式和分布式两种。集中式频谱共享 的最大特点是：它有一个中心节点，该节点具有控制作用，主要负责管理和控制 频谱的分配和接入过程。网络中的每一个节点都将它们的感知参数传送给该中心 控制节点，然后中心控制节点汇总所有参数信息后建立相应的频谱分配图。而在 分布式频谱共享结构中，节点之间都是相互平等的，它们基于本地自身的观测决 定频谱的分配和接入。这两种接入方式均有自己各自的特点，比如，集中式的频 7 l 弋 接 式 构 、啼纳黼 络八 网式，中集 重庆火学硕+ 学位论文2 认知无线电频谱共享技术 谱共享要求网络中的中心控制节点具有较大的处理的能力和存储空问，所以在选 择频谱共享的方式时需具体考虑当前的实际情况。 从接入方式上来划分，频谱共享可分为填充式( o v e r l a y ) 和l 下挚式( u n d e r l a y ) 两种。 填充式频谱共享要求次用户能择机利用主用户的空闲频谱进行通信，从而尽量减 少对主用户造成的干扰，更或者不对主用户造成干扰；下挚式频谱共享是基于扩 频技术的，它要求认知无线电用户把传输功率扩展到整个频带上。采用下垫式频 谱共享方式有利有弊，优点是单位频段上的传输功率很小，缺点是需要更好的扩 频技术。所以当用户知道全部系统的信息时，采用填充式的频谱共享方式更为合 理，因为它具有更低的传输中断概率；而在用户没有完全获取系统信息或只知道 部分系统信息的情况下，明智的选择是采用下垫式的频谱共享方案。 从用户行为上来划分，频谱共享可分为合作式和竞争式两种。在合作式频谱共 享中各节点需要与周围其他节点进行信息交互，同时仍需考虑节点间相互通信对 其它节点带来的干扰，进而经过分析协商得出决策。该方式主要强调的是系统整 体有效性，重视的是集体效益，但为了共享周围用户的感知参数而进行的频繁交 换的协作信息造成了较大的额外开销。竞争式共享又称为非合作式共享，这种共 享方式中，由于节点的自私性使得它们进行战略选择的时候都是以自身利益最大 化为前提的。这两种共享方式均有各自的优缺点，如果从整个系统的利益出发， 最合适的共享方式为合作式；如果很注重系统的复杂性和开销问题，则可以选择 非合作式的频谱共享方式。 2 2 频谱共享的原则 虽然认知无线电的频谱共享技术与其它通信网络中的频谱共享具有一定的共 同性，特别是航空自组网的自身特点决定了起频谱共享必须满足一些特定的原则。 不同的通信系统共享频谱的目标不一样，那么他遵循的原则也不一样。通常认知 无线电具体的频谱共享原则能提高通信系统质量、确保公平性、确保灵活性和实 时性等35 1 。 2 2 1 提高通信系统质量 频谱共享技术的核心目的是合理有效地共享主用户的空闲频谱空间，改善整个 系统性能以得到或使整个系统性能无限逼近最优状态。针对不同的应用场景，就 有不同的目标。例如在航空自组网的多个主用户一个次用户的场景中，可能需要 在主用户允许性能下降的范围内，以最大化社会效益( 整个系统通信质量包括主用户 和次用户) 为目标；在一个主用户和多个次用户的应用场景中，每个次用户都以自 身的利益( 通信质量) 出发，相互竞争以追求自身通信质量最大化为目标或者次用 户之间相互合作协商，以整体的利益为出发点，那么它们就是以保证其总的通信 重庆大学硕十学位论文 2 认知无线电频谱共享技术 质量为目标等。 2 2 2 确保公平性 在实际应用环境中，不同次用户或主用户的信道质量等参数会有差异，随之所 获得的频谱或共享频谱的大小也不尽相同。值得注意的是这里所谓的公平不是平 均分配，而是指经过频谱共享这个过程后，所有次用户或主用户都可以获得或共 享一定大小的频谱，并且信道质量等参数较好的次用户或主用户可以分享到较大 带宽的频段或获得更大的收益。 2 2 3 确保灵活性和实时性 认知无线电能够感知周围频谱环境，捕获空闲频谱资源，进而择机占用主用户 频谱进行通信。值得注意的是，这里强调的是择机和占用两个词，择机就代表认 知用户要反映灵敏、快速，对外界频谱环境的变化迅速做出反应，进而取得空闲 频谱的使用权；占用就意味着，这本来不属于它的东西，那么在主用户需要的时 候要能迅速的把频谱归还给主用户，然后自己要重新投入到感知和捕获空闲频谱 的过程中去，所以这就决定了必须具备灵活性和实时性。 2 3 频谱共享的常用模型 近年来，国内外学者密切关注认知无线电的频谱共享问题，不少学者提出了认 知无线电中频谱共享问题的分析模型，这些模型大多是以经典的数学理论以及微 观经济学理论等为理论依据的，f 面介绍两种以拍卖理论为依据的频谱共享模型 和以博弈论为理论依据的频谱共享模型。 2 3 1 基于拍卖的频谱共享模型 以微观经济学中拍卖理论为依据，制定的频谱资源共享机制在近年来受到了广 泛的关注 3 6 。 在基于拍卖的频谱共享模型中，集中式的网络结构是现在最为常用的形式。 该网络结构一般含有中心控制节点和一般节点组成。中心控制节点一般是a p ( a c c e s sp o i n t ) 或者基站( b a s es t a t i o n ) 。其中拍卖人是由中心控制节点充当的，投 标者是由该网络中的认知用户充当。在拍卖中，投标者根据自身的需求来对频谱 资源进行评估和投标，所以不同的需求和评估原则可能导致投标者对该频谱的评 估的差异，认知用户可以对频谱的价格进行投标，也可以对频谱的数量进行投标； 拍卖者根据一定的规则来确定胜利者，胜利者可以使多个，也可以是一个，不同 的规则来决定了不同的拍卖胜利者。值得注意的是基于拍卖的频谱共享模型中的 认知用户都是“自私的”、“理性的”，所谓理性就是说它们都是以自己的利益最大化 为目标的。 拍卖者决定胜利者的规则在很大程度上是由拍卖方式决定的，最为常见的四种 重庆人学硕十学位论文 2 认知无线电频谱共享技术 拍卖方式为一级密封价格报价拍卖( f i r s tp r i c es e a l e db i da u c t i o n s ) 、二级密封价格报 价拍卖( s e c o n dp r i c es e a l e db i da u c t i o n s ) 、荷兰式减价拍卖( d u t c hd e s c e n d i n ga u c t i o n s ) 和英国式升价拍卖( e n g l i s ha s c e n d i n ga u c t i o n s ) 。 一级密封价格报价拍卖 在一级密封价格拍卖报价中，每一个报价者被要求同时地并且独立地在一个 信封罩秘密地写出其报价；通常假定允许的最小报价为零，或者接近零的数日。 报出最高报价的报价者赢得物品。在有多个报价者报出最高价格时，选择其中某 个报价者作为获得物品的赢家。在任何情况下，获得物品的赢家都必须支出等于 其报价的价格，其他的报价者不需要支出任何价格。 二级密封价格报价拍卖 二级密封价格拍卖与一级密封价格拍卖法唯一不同的是，二级价格拍卖是将 拍卖品卖给出价最高的买主，同时要求支出第二高价格的报价。 荷兰式减价拍卖 在荷兰式拍卖中，拍卖人从一个高价开始，然后逐渐降低价格。当某个报价 者喊出“我买( m i n e ) ”时，他以当前价格获得物品，拍卖就结束；这个报价者于是 就以这一价格赢得物品。 英国式升价拍卖 在英国式拍卖中，拍卖人从一个极低的价格开始，然后逐渐提高价格。在当 前价格上对此物品感兴趣的报价者被要求举手。当只剩下一个报价者时，拍卖就 结束了，并且这个报价者就以那个价格获得物品。 2 3 2 基于博弈论的频谱共享模型 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【5 】，将它引入认知无线电系统中，可以分析和解决认知无线电中各 用户竞争频谱的分布式行为问题 3 丌。 在一个博弈中，必须包含参与人，战略和支付函数这三个基本要素。 在认知无线电频谱共享模型中参与人一般都是认知用户。也就是说参与人可 以是主用户，也可以是次用户。研究博弈论有个前提，就是假设博弈论的参与人 都是理性的，所以主用户或次用户都是理性的，所谓“理性”就是指它们是以追求自 己的利益最大化为目标的。博弈的参与人是独立进行决策，并且他们的决策受到 其它博弈参与人决策的影响。 在认知无线电频谱共享模型中战略有多种。战略可以是主用户对自己共享出 去的单位频谱的出价；可以是主用户决定共享出去频谱的大小；可以是主用户发 射信号的功率大小；可以是次用户对主用户共享出来的单位频谱的估价；也可以 是次用户需求的频谱大小等。参与人的采取什么样的战略是根据自己的具体情况 1 0 重庆人学硕十学位论文2 认知无线电频谱共享技术 而定，博弈参与人的战略组合是多种多样。这里就存在这样一个问题，也是博弈 中至关重要的问题，即博弈参与人的这些战略组合是否是一个稳定的战略组合? 一般把这个稳定的战略组合叫做纳什均衡。 在认知无线电频谱共享模型中：支付函数也是多种等多样的。支付函数可以是 主用户共享频谱所获得的收益与其共享这段频谱所带来的损失之差；支付函数可 以是次用户获得主用户共享的频谱所获得收益与为了获得该段频谱的损失之差。 当然这里的收益和损失都可以是金钱，也可以是数据传输速率等性能的提升和下 降。 基于博弈论频谱共享模型的性能在很大程度上取决于支付函数( 目标函数) 的 选择，支付函数描述了用户在采用某个特定战略( 选择特定信道) 而获得的性能收 益。支付函数不是唯一的，它随着目标和应用场景不同而不同。但支付函数的选 择不能太过随意，需要选择对某个特定的应用场景具有物理意义的函数，而且该 函数需能确保频谱共享算法具有均衡收敛性。 前面简要介绍了两种频谱共享模型，基于拍卖的频谱共享模型适合于主、次用 户间为租用关系的系统，所以它的应用具有相当的局限性；而基于博弈论的频谱 共享模型可以很好地解决这个问题，因为它能反映认知实时的交互过程。 现今对基于博弈论的频谱共享模型的研究处于起步阶段，还未形成系统的理论 体系，同时由于博弈模型的应用条件严苛，所以所用的博弈模型有限，这使得博 弈模型