認(rèn)知無(wú)線電中基于博弈相關(guān)理論的頻譜分配算法研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展、無(wú)線用戶及無(wú)線電新業(yè)務(wù)的不斷增加，頻譜資源的分配已經(jīng)趨于飽和，無(wú)線電頻譜資源似乎不能滿足當(dāng)前無(wú)線電技術(shù)發(fā)展的需要。事實(shí)上，在長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)下發(fā)現(xiàn)，無(wú)線頻譜資源的平均使用率很低；研究表明，頻譜資源的匱乏是由于不合理的分配引起的。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是通過(guò)智能的頻譜管理來(lái)解決頻譜資源“短缺”的有效方法，它能夠感知和利用授權(quán)用戶的可用頻譜，同時(shí)有效地限制和降低沖突發(fā)生的可能。
　　本文主要以圖論和博弈相關(guān)理論為基礎(chǔ)，通

2、過(guò)最優(yōu)化方法、次梯度算法等來(lái)研究認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜共享和分配問(wèn)題。
　　頻譜接入策略主要有以下兩種：一是正交頻譜接入，每條信道或載波某一時(shí)刻只允許一個(gè)用戶接入；一是共享頻譜接入，用戶可以同時(shí)接入多條信道或載波。在認(rèn)知無(wú)線電中，根據(jù)授權(quán)用戶的頻譜使用模式又可以分為以下兩種接入形式：填充式(Overlay)頻譜接入和下墊式(Underlay)頻譜接入。在填充式頻譜接入中，認(rèn)知用戶伺機(jī)接入頻譜空穴，對(duì)授權(quán)用戶的干擾較小；在下墊式頻譜接入

3、中，認(rèn)知用戶共享授權(quán)用戶頻譜，受到授權(quán)用戶“干擾容限”的嚴(yán)格約束，但頻譜利用率較高。
　　本文分別對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中正交頻譜接入及共享頻譜接入策略下的頻譜分配問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，在充分考慮了Overlay接入與Underlay接入特點(diǎn)的前提下，主要圍繞著分配算法的設(shè)計(jì)以及算法的有效性和性能分析來(lái)展開(kāi)；此外，文章還深入探討了授權(quán)用戶之間以及授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間的頻譜價(jià)格博弈問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性均衡和納什協(xié)商情況下的價(jià)格博弈的特點(diǎn)

4、和性能進(jìn)行了研究。
　　首先，針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中頻譜分配的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的主要頻譜分配算法和機(jī)制進(jìn)行了闡述和分析，包括注水原理、基于圖論著色的頻譜分配機(jī)制以及基于博弈論的頻譜分配機(jī)制。介紹了頻譜分配的圖論模型，給出了基于圖論的分布式列表著色算法、顏色敏感的圖著色算法以及并行算法等，并對(duì)算法的流程和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。在博弈相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，給出了認(rèn)知用戶之間基于勢(shì)博弈的信道分配機(jī)制、授權(quán)用戶之間基于重復(fù)博弈以及拍賣(mài)理論的頻譜競(jìng)

5、價(jià)機(jī)制。
　　其次，結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電干擾圖模型和極大獨(dú)立集的特點(diǎn)，針對(duì)CSGC算法和并行算法的不足，提出了并行算法的改進(jìn)算法和基于最大加權(quán)獨(dú)立集的頻譜分配算法，在節(jié)省時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)提高了用戶間分配的公平性?；趫D論的頻譜分配算法以“0/1”模型為基礎(chǔ)，無(wú)法有效解決 Underlay接入時(shí)的頻譜分配問(wèn)題，因此考慮引入博弈論進(jìn)行分析。針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中Overlay接入和Underlay接入的特點(diǎn)，分別提出了這兩種機(jī)制下的注水算法，并以此

6、來(lái)解決多用戶之間的頻譜分配問(wèn)題。理論與仿真分析表明，所提出的基于載波分劃的頻譜分配算法能夠在保護(hù)授權(quán)用戶的情況下有效地實(shí)現(xiàn)認(rèn)知用戶之間的載波和功率分配。
　　再次，通過(guò)博弈相關(guān)理論來(lái)研究認(rèn)知無(wú)線電中共享頻譜接入下的頻譜分配。在Overlay接入時(shí)，提出了功率分配的迭代算法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了迭代算法的收斂性與有效性。在Underlay接入時(shí)，由于干擾容限的約束，用戶之間的策略空間是相互耦合的。通過(guò)引入對(duì)偶原理和次梯度方法，可以將耦合

7、策略博弈分解為一個(gè)策略獨(dú)立的非合作博弈以及一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而提出了Underlay接入時(shí)的頻譜共享算法。
　　最后，本文通過(guò)均衡和協(xié)商理論來(lái)研究授權(quán)用戶之間以及授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間的價(jià)格博弈。根據(jù)認(rèn)知用戶的效用函數(shù)以及Bertrand均衡理論提出了授權(quán)用戶信道競(jìng)價(jià)的動(dòng)態(tài)Bertrand博弈算法，理論與仿真分析表明，穩(wěn)定的納什均衡解與速率調(diào)整參數(shù)有關(guān)。由于納什均衡解不是最優(yōu)解，本文在納什協(xié)商的基礎(chǔ)上提出了基于納什乘積的分布式算法