（信号与信息处理专业论文）认知无线电网络中基于博弈论的频谱共享算法研究.pdf

research on spectrum sharing algorithm for cognitive radio network based on game theory thesis submitted to nanjing university of posts and telecommunications for the degree of master of engineering by li kuankuan supervisor: prof. zhang dengyin february 2013 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；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； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ i 摘要摘要 近年来，随着无线通信和业务的快速发展，人们对频谱资源的需求越来越大。然而目前 通信行业中由于固定的频谱分配方式，常会导致频谱资源分配不均，甚至空闲浪费的情况， 频谱资源越来越紧张。有限的频谱资源和较低的频谱利用率决定了急需一种新的通信方式来 缓解上述问题，认知无线电作为一种新的频谱共享技术，它通过感知、学习外界环境，实时 改变系统参数，动态监测和有效利用空闲频谱，有效的改善了频谱利用率。其中频谱共享是 认知无线电技术的关键步骤之一，主要解决在检测到空闲频谱后，次用户之间如何最大化利 用空闲频谱的问题。 针对现有的频谱共享算法受信噪比和干扰增益的影响难以有效提高频谱利用率，本文提 出一种基于博弈论的功率控制方法，充分利用交互式注水和频分复用的特性实现优势互补， 达到降低认知小区间的同频干扰和提高频谱利用率的目的。 算法基于简化的两用户博弈模型， 依据干扰受限的认知无线环境中不同博弈场景下干扰增益与信噪比之间的关系，提出在低信 噪比和干扰增益弱的时候采用交互式注水法，在高信噪比和干扰增益强的时候采用频分复用 法。仿真结果表明，该方法有效提高了频谱利用率。 由于单次博弈带来的收益并非全局最优解，为了帮助认知用户走出囚徒困境，实现频谱 利用最大化，本文提出一种基于重复博弈的频谱共享算法，在算法中采用了博弈论中的触发 策略，以得到总收益的帕累托最优解，并分析了贴现因子、发射功率、噪声功率以及收敛指 数对频谱共享算法的影响，最后在随机信道下验证了该方法在抗干扰性方面要优于传统的多 次博弈算法，并且解决了频谱共享总收益最大化问题。 关键词关键词: 认知无线电认知无线电， 博弈论博弈论，频谱共享频谱共享， 交互式注水法交互式注水法，囚徒困境囚徒困境 ii abstract in recent years, with the rapid development of the wireless communication and business in the seamless, intelligent, broadband direction, spectrum resource which people demand is more and more big, we have to face the problem of the lack of spectrum resource. at present, fixed allocation for spectrum resource often bring up uneven distribution, and even a waste of the resource. the situation conflicts with the current shortage of spectrum resource. the limited available spectrum and low frequency spectrum utilization determines the need for a new means of communication. cognitive radio as a new spectrum sharing technology can effectively alleviate the above problem, sensing frequency domain, learning the external environment, and changing system parameters in real-time, it can automatically reuse the non-renewable resource. spectrum sharing technology is one of the key technology of cognitive radio, which is to solve the problem of spectrum using when monitoring the idle spectrum. according to the shortage that the existing spectrum sharing algorithms have been influenced by signal-to-noise ratio and interference gain, this thesis propose a power control algorithm based on game theory, take full advantage of the interactive water-filling method and frequency division multiplexing method, achieve lower cognitive inter-cell co-channel interference and improve spectrum utilization. the algorithm is based on a simplified two-user game model, under the different game scenes in interference-limited cognitive wireless environment, according to the channels interference gain and signal-to-noise ratio, proposed in low signal-to-noise ratio and weak interference gain using iterative water-filling method, when high signal-to-noise and interference gain using the frequency division multiplexing method. the simulation results show that the method is effective to improve the spectrum utilization. due to the benefits of single game is not a global optimal solution, in order to help the cognitive radio user out of the prisoners dilemma, maximize spectrum utilization, this thesis proposed a spectrum sharing algorithm based on repeated games, using the trigger strategy of game theory to get the pareto optimal solution, and analyze the influence of the discount factor, transmit power, noise power, as well as the convergence index on the algorithm. finally, in random channel, it verified that this method is superior to other multiple game algorithms on anti-interference, and solve the problem of the maximization of spectrum utilization. key words: cognitive radio, game theory, spectrum sharing, interactive water-filling, prisoners dilemma iii 目录 专用术语注释表 . 1 第一章 绪论 . 2 1.1 研究背景和意义 . 2 1.2 认知无线电关键技术与应用 . 4 1.3 频谱共享技术的国内外研究现状 . 5 1.4 论文主要内容及结构 . 6 第二章 认知无线电频谱共享技术 . 8 2.1 频谱共享的分类与原则 . 8 2.1.1 频谱共享技术的分类 . 8 2.1.2 频谱共享原则 . 9 2.2 频谱共享技术 . 10 2.2.1 基于博弈论的频谱共享 . 10 2.2.2 基于 ofdm 的频谱共享 . 13 2.2.3 基于交互式注水法的频谱共享. 15 2.3 本章小结 . 17 第三章 基于博弈论的协同功率控制算法 . 18 3.1 问题的提出 . 18 3.2 频谱共享博弈模型 . 19 3.3 频谱共享博弈分析 . 22 3.4 协同功率控制算法 . 26 3.4.1 基于环境的功率控制算法 . 26 3.4.2 算法性能仿真 . 27 3.5 本章小结 . 31 第四章 基于有限次重复博弈的频谱共享算法. 32 4.1 重复博弈 . 32 4.1.1 重复博弈的分类 . 32 4.1.2 重复博弈的影响因素 . 34 4.2 两用户重复博弈模型 . 36 4.2.1 阶段博弈的帕累托最优解 . 37 4.2.2 重复博弈模型 . 39 4.2.3 收敛性分析 . 42 4.3 基于有限次重复博弈模型的频谱共享算法. 44 4.3.1 基于有限次博弈的频谱共享算法. 44 4.3.2 算法性能仿真 . 45 4.4 本章小结 . 49 第五章 总结与展望 . 50 参考文献 . 52 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 . 54 附录 2 攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 55 致谢 . 56 南京邮电大学硕士研究生学位论文 专用术语注释表 1 专用术语注释表专用术语注释表 符号说明：符号说明： b(,) 功率分配矩阵 ci 用户 i 传输速率 h 信道干扰增益 贴现因子 缩略缩略词词说明：说明： cr cognitive radio 认知无线电 dr deadlock region 死锁区 fdm frequency division multiplex 频分复用法 ici inter-cell interference 小区间干扰 isi inter signal interference 符号间干扰 iwf interactive water-filling 交互式注水法 mcm multi-carrier modulation 多载波调制 ofdm orthogonal frequency division multiplexing 正交频分复用 pd prisoners dilemma 囚徒困境 pu primer user 主用户 su second user 次用户 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 2 第一章第一章 绪绪 论论 无线频谱资源利用率低是目前影响通信业务快速发展的主要因素，认知无线电技术被普 遍认为是解决该问题的最佳方案，它充分利用授权用户未使用的“频谱空洞”来实现通信或 者进行服务应用，有效地缓解了无线频谱资源紧张与日益增长的无线业务需求之间的矛盾。 其中,在认知用户检测到频谱空洞后，如何避免功率干扰，提高频谱利用率，实现频谱共享是 认知无线电技术的关键步骤之一，是一个值得研究的课题。 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 随着 21 世纪科学技术的蓬勃发展和社会的不断进步， 无线通信技术在工业、 商业、 科学、 民用等许多领域都得到了广泛的应用。 伴随无线通信所提供的业务量的增加， 如随 3g和uwb (ultra-wide band，uwb)等新技术不断涌现，人们对带宽的需求在不断增加，移动通信的数 据速率也在不断增加。根据香农信息理论1可知，在信道环境一定的情况下，提高数据传输 速率意味着对频谱资源的需求也相应增长，从而导致无线通信中的频谱资源变得日益紧张， 成为制约无线通信发展的瓶颈。 目前固定的频谱分配方式的弊端逐渐显露出来， 虽然使得各个国家的频谱管理变得简单， 但是频谱利用率很低。同时由于为特定的无线业务划分了固定的频谱范围，所以留给新的业 务、技术和系统的频谱非常少，甚至没有频谱可以分配。于是人们通过无线局域网、无线个 人网等非授权频段接入互联网，发现也已经饱和，与此同时一些授权频谱却出现空闲，比如 美国联邦通信委员会(federal communications commission, fcc)对美国的无线频段利用情况 进行大量研究后2，发现一些授权频段经常空闲状态，而非授权频段却非常拥挤。根据来自 美国国家无线电网络研究实验床项目(national radio network research test bed, nrnrt)的一 份测量报告表明， 3ghz 以下频段的平均频谱利用率仅有 5.2 %。 同时从 fcc 公布的数据中可 以看到，目前分配的固有频段利用率只有 15%85%不等，某些频段已处于超负荷工作状态， 如 gsm 和 wcdma 所处用户通信频段，而有些频段却未得到充分利用，比如说电视频段。 另外频谱利用率在不同的时间段或者空间段，差异也很明显，晚上的频谱利用率明显小于白 天的频谱利用率。因此，人们开始关注对不可再生的频谱资源的二次利用，希望能在固有资 源的基础上，更有效的提高频谱资源的利用率3，缓解无线资源短缺与业务需求膨胀的矛盾。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 3 提 高 频 谱 利 用 率 采用先进的技 术 频谱共享技术 先进的调制编码技 术 多天线技术 链路自适应技术 超宽带技术 认知无线电技术 图 1.1 提高频谱利用率的方式 为了改善频谱利用率，使频谱资源得到充足的利用，当前的研究方法主要分为两种，如 图 1.1 所示，一种是采用更先进的技术在现有的通信网络中，如智能信号处理技术、分集接 收技术、先进的调制编码技术、多天线技术等；另一种是研究新的频谱共享技术，如工作于 3ghz10ghz 的超宽带系统4和传统窄带共存技术，这些技术常用于固定频段共享和发送功 率受限的短距离通信，它们虽然提高了频谱利用率，但是也同时增加了干扰，限制了系统的 容量和灵活性。在这种情况下，认知无线电 (cognitive radio, cr)技术应运而生，有效的缓解 了上述矛盾，认知无线电技术依靠智能化信号处理技术，通过感知周围信道环境，然后依靠 自学习和决策算法，检测到空闲频谱，接着自适应的改变调制、编码、信令协议和带宽等系 统工作参数，机会式的接入空闲频谱，进行通信，同时实时的检测授权用户对空闲频谱的再 次接入，以免发生碰撞5-7。认知无线电技术实现了在频率、时间以及空间上的频谱再利用， 这样极大的提高了频谱利用率，在一定程度上缓解了频谱缺乏与业务增长之间的矛盾。 认知无线电的概念最初是 joseph mitola 博士在 1999 年其博士论文中提出的6， 并在 2000 年给出了较全面地认知无线电技术的研究步骤和方法，并给出了认知无线电的定义。他认为 认知无线电是由软件无线电发展而来的，它能够与工作环境进行交互，通过改变发射机参数 而适应信道环境变化的无线电设备，是软件无线电的特殊扩展。能够通过一种特殊的无线电 知识描述语言(radio knowledge representation language, rkrl)来提高特殊的无线通信业务 的灵活性,但对认知无线电设备来说,不一定必须具有软件和现场可编程的要求。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 4 在认知无线电中，把频谱分为授权频谱和非授权频谱。其中把被通信行业中的运营商所 拥有的频谱称为授权频谱，用户如果使用该频段，需要支付一定的费用，非授权频谱则是指 那些给用户免费使用的频段。根据对频谱的分类，我们对在认知无线电中的用户进行了区分， 称拥有授权频谱并支付费用的用户为主用户(primer user)，称没有任何频谱，而是通过认知无 线电技术机会式的接入授权空闲频谱的用户称为认知用户(cognitive radio user)， 认知用户的 出现有效的改善了频谱资源利用率低的问题。 1.2 认知无线电关键技术与应用认知无线电关键技术与应用 认知无线电作为一种智能的无线通信系统，通过频谱感知技术发现周围环境中的空闲频 段，然后调整其工作参数，如工作频点、发射功率、上层协议等，机会式的接入授权网络， 在与主用户共享频谱的同时，有效的提高了频谱利用率。所以认知无线电网络中的关键技术 是如何实现频谱的机会式接入，要实现该目标，认知用户应该具备以下两个特性：认知特性 和重新配置特性。 认知特性，指认知用户能够具有感知周围环境信息的能力，实时的与周围环境进行交互， 确定某一时间或空间上的空闲频谱，以及确定适合的通信方式，避免对其它用户的干扰。重 新配置特性，即认知用户随周围环境的变化动态调整参数，通过使用多种频谱接入技术，使 认知用户可以在多频段上发送和接收数据。这种重新配置能力，不需要改动任何硬件，就可 以实现配置参数。 根据认知用户的两大特性，整个认知过程应该包括频谱检测、频谱管理和频谱共享三大 关键技术8，具体如下： (1) 频谱检测 频谱检测是认知无线电实现的首要任务，主要目的是检测到周围环境中的空闲频谱9-10， 以及判断主用户是否再次接入，该阶段检测的结果将直接影响后续频谱共享的性能，同时为 了防止认知用户对主用户的干扰，当主用户再次接入时，认知用户应主动避让，这就需要认 知用户拥有连续实时检测频谱的能力，并且如何提高检测概率是该阶段要完成的主要任务。 (2) 频谱管理 频谱管理阶段主要在频谱检测的基础上，通过对空闲频谱的分析和决策，然后结合用户 或业务需求，选择出最佳信道，进行数据传输。频谱分析主要通过分析频谱空洞，估计频谱 特征参数。频谱决策则是根据用户对服务质量的需求，如数据速率、带宽、最大传输误差、 传输时延等，结合已有的频谱特征信息，判决最佳的传输信道。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 5 (3) 频谱共享 频谱共享，则要求在多认知用户环境下，按照一定的规则，实现频谱接入，如可以通过 竞争或合作的方式进行频谱接入，当前的主要研究包括频谱共享方式和策略的设计。 近年来，频谱共享技术引起了国内外许多研究机构和学者的兴趣，由于关注点和研究背 景的局限，仍然存在许多未解决的问题。本论文的重点即是频谱共享技术，将在第二章进行 详细说明。 认知无线电主要应用在蜂窝移动通信系统中，由于蜂窝移动通信系统使用固定频段，使 在白天通信繁忙阶段和夜晚空闲阶段的频谱利用率出现很大差别，空闲时频谱资源浪费，繁 忙时频谱拥挤，认知无线电技术很好的解决了该问题，并在蜂窝系统中实现了频谱共享。除 了蜂窝移动系统外，认知无线电应用场景广泛，在无线局域网(wireless local area network, wran)、 超宽带技术、 全球微波存取互通技术(worldwide interperability for microwave access, wimax)等都有研究。 1.3 频谱共享技术的国内外研究现状频谱共享技术的国内外研究现状 频谱共享技术是认知无线电网络中的关键技术之一，为此，国内外许多研究机构和学者 进行了大量的研究工作，其中一些研究成果如定价拍卖、功率控制和博弈策略的研究都已成 为公认的的主流研究方向，具体如下： cao 等人提出了基于定价拍卖模型的本地议价算法11，与原来基于拓扑的最优化方法相 比，系统性能相近，在实现最大化频谱收益的同时，降低了一半的系统复杂度。chen 等人12 在本地议价算法的基础上，结合图论中的着色理论，提出一种动态的频谱分配方案，该方案 实现了用户间的公平性，减小了系统复杂度，且满足用户对带宽的需求。qin 等人论证了博 弈模型应用于频谱共享的可行性，并在柏传德(bertrand)博弈模型中，引入了用户差异性，实 现了用户动态和静态博弈的结合，主用户的频谱总收益13。 功率控制问题也是当前频谱共享技术的研究热点，因为认知用户是机会式的接入空闲频 谱，必须保证对主用户的正常通信没有干扰，而认知用户的发射功率是造成干扰的主要因素， 因此，wenyu 在文献14中提出了交互式注水法(iwf, interactive water-filling)，应用在分布式 场景中，解决了频率选择性信道环境下的多用户功率控制问题，同时保证了用户在干扰环境 下速率的稳定。 popescu15 在 iwf 算法的基础上引入了干扰增益， 分类讨论了频谱完全重叠、 部分重叠以及不重叠三种情形下的用户收益，提高了用户的信道自适应性。laufer 在文献16 中建立了对称的囚徒困境模型，通过博弈论分析了交互式注水法的功率控制性能，并得到了 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 6 干扰增益和信噪比之间的关系。文献17扩展了 laufer 的囚徒困境模型，从用户竞争频谱空间 使用的角度，得到了满足扩展的非对称囚徒困境模型的条件，进一步提高了频谱利用率。文 献18证明了囚徒困境模型中用户收益存在纳什均衡解，而且是唯一解。文献19-21结合交互式 注水法，在 cdma 系统中，解决了全复用网络中的存在的上行远近效应问题。文献22在强干 扰环境下，分析了交互式注水法对信道容量的影响，并证明了交互式注水法得到的均衡解是 局部最优解。 考虑到 iwf 的发射功率随信道条件发生变化，功率利用率不高，jacobsen23利用频分复 用法(fdm, frequency division multiplex)进行无线数据传输，fdm 以最大发射功率发送信号， 以牺牲了频谱利用率为代价实现链路自适应。文献24利用 fdm 的链路自适应特性，给出一 种应用在蜂窝无线系统中的联合功率与速率控制迭代算法，实现了系统吞吐量，但算法复杂 度较高。 对于不同认知网络中的多用户频谱共享问题，由于用户间存在合作和竞争的关系，实现 干扰共存以及进行分布式功率控制尤为重要，这也是本文的研究重点。该问题可以看做一个 多用户博弈系统，考虑到其他用户对当前用户存在干扰的前提下，使每一个认知用户性能达 到最优化。文献25提出一种基于非合作博弈模型的功率控制算法，根据用户对服务质量的需 求以及系统的吞吐量来调节用户的发射功率，实现了对用户功率的有效控制。文献26结合无 限次囚徒困境博弈模型，讨论了两用户的频谱共享问题，并证明了当贴现因子趋近于 1 时， 用户就会一直选择合作，实现了阶段博弈在囚徒困境区中的帕累托最优解。文献27提出一种 基于合作的频谱共享算法，给出了严厉的触发策略，达到了总收益最大化的设计初衷，缺点 是没有考虑环境因素的影响。文献28提出一种考虑路损补偿的功率控制博弈模型，对于路损 不同的用户给出不同的成本函数，减少了路损对用户速率收益的影响，提高了频谱利用率。 综上所述，研究议价算法的比较多，但是仍然存在一些不足，如大多算法过多考虑算法 的有效性与公平性，而忽略了算法的复杂度；在多用户共享频谱问题，虽然解决了频谱利用 率低的问题，但是用户大多被动的接收某一策略或协议的要求29-33，如非合作功率控制算法、 交互式注水法、合作博弈模型都应经给用户设定了共享规则，而在分布式场景下，用户主动 的开展频谱共享并且自身进行功率控制的研究较少。 1.4 论文主要内容及结构论文主要内容及结构 本文利用博弈论模型，在干扰受限的环境下，讨论了小区边界的两用户频谱共享问题， 由于两个认知用户分别位于两个小区，用户之间是独立的，就有可能出现感知频谱重叠的现 象，即同频干扰，而干扰的主要因素是发射功率，所以需要功率控制算法来解决同频干扰问 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 7 题，传统的方法可以使用户在当前环境下处于自身利益最大化，缺点是频谱利用率低，并非 全局最优解，而且大多算法集中在分析频谱效率，亦或是分析算法的公平性，而收敛性涉及 较少，为了进一步提高频谱利用率，本文在两用户单次博弈和重复博弈上进行了研究，其主 要内容如下： (1) 针对现有的功率控制方法：交互式注水法和频分复用法的优缺点，提出一种综合交 互式注水法和频分复用法的的协同功率控制算法。该算法包括在低信噪比和干扰增益弱的时 候采用交互式注水法，同时在高信噪比和干扰增益强的时候采用频分复用法，并在囚徒困境 模型下，推导出了信噪比和干扰增益的关系，得到两种方法的切换门限，经仿真分析，该方 法可以有效的提高频谱利用率，并且自适应信道环境，实现了两用户的频谱共享。 (2) 基于重复博弈的频谱共享研究。由于认知用户在囚徒困境区，通过干扰博弈带来的 收益为纳什均衡解，为了进一步提高频谱利用率，使认知用户在个人收益和整体收益中做出 最佳选择，本文引入重复博弈模型，并对传统的重复博弈算法进行了改进，引入最小收敛因 子，使用户的抗干扰性得到提高，并且在惩罚策略下，得到了阶段博弈收益为帕累托最优解 的条件，并对算法的收敛性进行了分析，同时对用户采取的各种策略进行了对比，经仿真分 析，认知用户在改进的重复博弈模型下，可以主动的选择更好的频谱分配策略，使纳什均衡 趋向于帕累托最优，频谱共享得到了优化。 全文共分四章，各章内容安排如下： 第一章绪论，介绍了本课题的研究背景和相关关键技术与应用，以及目前关于频谱共享 的相关研究现状，然后给出了本文主要内容和结构安排。 第二章对现有的认知无线电频谱共享技术进行概述，重点介绍了频谱共享技术的分类方 法与原则，以及三种频谱共享技术。 第三章介绍了已有的两个频谱共享算法：交互式注水法和频分复用法，分析了两个算法 的优缺点，并对两者进行了结合，改善了信道自适应性，同时提高了频谱利用率。 第四章为了进一步提高频谱整体利用率，将重复博弈引入频谱共享，得到帕累托最优解 实现的条件，并分析重复博弈模型下算法的收敛性，用户可以选择更好的选择频谱接入策略， 实现了频谱共享的优化。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电频谱共享技术 8 第二章第二章 认知无线电频谱认知无线电频谱共享共享技术技术 频谱共享是认知无线电技术实现及其构建网络的关键技术之一，所要解决的主要问题是 如何优化资源(功率、频谱)，降低外界干扰，保证用户的通信质量。认知用户通过机会式接 入授权频谱，实现频谱资源的二次利用，有效的解决了频谱资源稀少和利用率低的问题。本 章将对共享技术分类、原则和频谱共享博弈模型进行概述。 2.1 频谱频谱共享的分类与原则共享的分类与原则 2.1.1 频谱共享技术的分类 频谱共享主要涉及到协议栈中用户共享方式和策略的设计，并且与网络结构有关，频谱 共享当前的研究包括三个方面：网络结构、频谱分配行为和作用域，如下图 2.1 所示。 频谱共享研究方向 频谱分配行为体系结构作用域 合作式非合作式集中式分布式网内网间 图 2.1 频谱共享分类 (1) 频谱分配行为 从分配行为上看，频谱共享分为合作式频谱共享和非合作式频谱共享。 合作式频谱共享需要考虑用户通信对其他用户的影响34，换句话说，各个用户之间要共 享每一个用户的干扰测量系数，所有的集中式共享均可以看做是合作式的，当然也存在分布 式的合作共享，该方式强调系统整体有效性，但是为了共享相邻用户的信道信息，需要频繁 的交互，因而需要公共的控制协议和通信链路，增加了系统额外的开销和复杂度。一个常用 的技术是通过在本地分簇共享干扰信息，结合集中式和分布式网络结构，提高频谱共享效率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电频谱共享技术 9 非合作式频谱共享，用户则只考虑自身的利益35-36，根据自身的信道环境和策略来进行 频谱管理，控制开销和能源消耗，缺点是频谱利用率低，并且会造成严重的不公平性。 (2) 体系结构 从体系结构上看，频谱共享分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。 集中式频谱共享是由中心实体控制频谱的分配和接入37，如融合中心和认知基站等，通 常情况下，检测过程是分布式的，网络中的每个用户将他们的测量数据传到中心实体，中心 实体建立频谱分配图。 分布式频谱共享结构，各个用户均基于本地的观测数据确定频谱分配和接入的策略34。 每个分布式节点都参与频谱分配，同时频谱接入由用户自身制定的策略决定。分布式结构在 实际应用上易于实现，本文的研究场景即是基于分布式的频谱共享结构，节省了集中式的应 用开销。 (3) 作用域 从作用域上可以将频谱共享分成网络内频谱共享和网络间频谱共享。频谱共享技术中大 量研究集中在网内频谱共享，即考虑在一个认知无线网络内，不影响主用户正常通信的前提 下，各个认知用户间的频谱分配；网络间频谱共享是指在多个认知无线网络环境中，各网络 之间的认知用户共享频谱。网络内频谱共享根据网络内的认知用户是否合作，可以分为合作 式网内频谱共享和非合作式网内频谱共享。非合作共享方式在性能上逊色合作方式，但是大 大降低了通信的开销费用。网络间频谱共享可以分为集中式网络间频谱共享和分布式网络间 频谱共享。目前集中式和分布式网络间频谱共享解决方案都要求有一个控制信道38，用来协 调外界干扰的影响，带来了额外的系统开销。 2.1.2 频谱共享原则 由于认知用户是选择机会式接入授权频谱，和其他通信网络中的主用户相比，频谱共享 应该满足一些特殊要求。具体的频谱共享原则有灵活性、提高系统吞吐量和公平性39。 首先，认知用户应该保证灵活性，因为认知用户占用的是主用户的授权频谱，当主用户 恢复对授权频谱的使用时，认知用户应在最短的时间内退出该频段，选择其它空闲频段进行 通信，同时可用频段的信息必须实时更新，因而要求认知无线电频谱共享算法能够灵活处理 频谱转换和实时性要求。 其次，频谱共享原则应该满足吞吐量的要求。频谱共享技术主要通过资源的合理分配和 再利用，使系统性能得到改善，这里具体指吞吐量的提高。当然，根据用户的需求和业务的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电频谱共享技术 10 变化