博弈原理下无线电频谱管理系统研究

第1章 引言

1.1 认知无线电研究概述
无线通信，因其与生俱来的移动性，在信息社会被广泛使用。应对各种不同的应用需求，多种无线通信网络，如GSM、GPS、3G、对讲机、WiFi、Wimax、WLAN 、微波通信网、卫星通信网等等不断涌现，与之对应，多种无线通信技术迅猛发展，CDMA、OFDM、UWB、MIMO、LTE等等不断发展。各种无线通信网络极大满足了社会大众及特定领域的通信需求，而频谱资源日趋紧张也成为了一种必然结果。后顾现行频谱分配方式，可以发现，绝大多数的无线频谱资源是基于静态分配方式的，即无线频谱被特定的运营实体购买，然后被其独享使用，这种静态固定的频谱，显然保护了该使用群体的通信质量，而随之出现的问题是，频谱的浪费很严重。
美国联邦通信委员会（FCC）在2002年的频谱研究报告中指出，在时间空间上的统计结果表明，实际无线频谱资源利用率只有15%到85%，相当多频段并没有被充分使用。可见，这一方式的频谱利用率较低，不符合无线通信日益发展的需要。可用频谱资源有限，实际频谱利用率低下，而继续不断涌现的无线通信需求和不断革命性创新的无线通信技术，又需要以无线频谱为基础。即任何一种无线通信技术本质上需要以占用频谱为基础，如果种种通信网络只能受限在特定频谱段，可以想见的是，总有一天，频谱的分配枯竭，频谱分配机构再也拿不出频谱段应对新的通信网络。这样的现实背景下，认知无线电(Cognitive Radio，CR)因为其能够智能的为授权用户与非授权用户间共享频谱资源，为解决当今频谱资源普遍匮乏难题应运而生。
上世纪的 1999 年，率先提出软件无线电革命化构想的瑞典皇家工学院 JosephMitola 博士，又一次延伸了软件无线电的通信理念，即频谱也可以智能使用，也就是如今被学术界和产业界普遍接受的认知无线电【1，2】。认知无线电自从这一概念概念提出来后，在学术界和产业界引起了强烈反响，因为这为解决频谱资源短缺提供了最直接的方法，困扰无线频谱日趋枯竭的状况，终于迎来了根本性的改善机会，无线通信又具有了再次蓬勃发展的崭新局面。认知无线电作为一种智能通信技术，它的根本特征是，通信终端节点通过感知其所处位置环境的频谱状况，即频谱感知，以之为基础执行频谱分析和频谱预估，形成频谱决策，通信终端于是将自己通信的频段调整到这一可用频段。不难发现，认知无线电使用的频谱，不是被频谱分配机构指定独占的，而是它伺机接入授权用户暂时不用的频谱。
认知无线电通信终端自身没有固定的频谱资源，它实现通信使用的是其它用户正在浪费的通信机会。在某一时间某一地点，某一频谱授权给某一特定授权用户群体，要么被使用，要么被浪费，这是频谱固定分配的现状，认知无线电存在的基础就是，某一频谱被正在被使用就退避；如果没被使用，就在时刻准备如果授权用户重新出现就立即退出这一前提下，机会式的暂时使用该频谱。认知无线电最基本的特征是频谱感知，需要准确、及时获取所处环境的无线频谱状况。只有准确频谱感知，才能找到真正可用的频谱机会，如果使用不是空闲的频谱，结果就是干扰了合法用户的通信。这种情况下的错误的感知——漏警，一来认知用户使用正在使用的频谱，自身通信失败，二来妨碍了合法用户正常使用，显然是需要被严格限制的。另一方面，如果没有准确感知，认知无线电节点可能就漏掉了原本可以使用的频谱机会，这种错误的频谱感知，漏警也是认知节点所不期望的。另外，频谱感知还需要及时更新所处环境的频谱状态结果，因为认知节点所处环境，其频谱可能会不断变化，此时可用，并不意味着彼时可用。只有及时准确的频谱感知，认知无线电才能有理由存在。认知无线电系统通过学习，不断感知所处外界环境的频谱变化，并通过自适应调整后台，使通信参数达到对环境变化的适应【3】。
这样，认知无线电能够通过频谱感知技术感知周边的环境并与之交互，并随着环境的改变，在避免对其他系统产生干扰的前提下，通过实时的改变诸如发射功率、工作频率等一系列的设置参数，以此来合理的租用空闲频谱。在授权用户空闲的前提下，具有认知功能的无线通信设备通过对所处周围无线环境的感知，自适应调整通信的工作参数，“伺机”接入授权用户暂时不使用的授权频段，动态、智能地使用频谱资源，在授权用户重新出现或信道条件恶化的情况下，及时退出这种认知无线电网络（Cognitive Radio Networks，CRN）一方面提高了频谱的使用效率，另一方面增强了系统的抗干扰能力。体系结构上，认知无线电的网络主要包括分布式和中心式两种。
分布式认知无线电网络没有固定的网络基础设施，网络扩展性强。而中心式认知无线电网络具有相对稳定的工作模式，能对网络中的认知用户进行有效的管理，简化了认知终端的复杂性，减小了认知用户的成本。基于蜂窝小区的CRN，包括一个认知基站和附属的若干认知节点，组成上与授权蜂窝（Primary Radio Networks，PRN）完全相同。不同之处在于，PRN使用固定频谱进行通信，而CRN动态使用所处环境PRN暂时空闲的频谱或免授权频谱。正在制定的无线区域网标准IEEE 802.22采用基于基站的体系结构。

    1.2 认知无线电关键技术 ....................10-14
    1.3 国内外研究现状 ....................14-16
    1.4 论文的主要贡献及总体安排 ....................16-17
第2章 基于博弈论的频谱共享和功率控制模型 ....................17-26
    2.1 博弈论 ....................17-20
    2.2 频谱共享 ....................20-23
        2.2.1 频谱共享技术分类 ....................20-21
        2.2.2 频谱共享的原则 ....................21-23
    2.3 基于博弈论的频谱共享模型 ....................23-24
    2.4 功率控制博弈 ....................24-26
第3章 基于博弈论的频谱共享算法研究 ....................26-35
    3.1 COURNOT 模型分析 ....................26
    3.2 系统模型 ....................26-28
    3.3 频谱共享的非合作博弈模型 ....................28-31
    3.4 最优化频谱共享模型 ....................31-32
    3.5 非合作博弈与最优化模型的仿真分析 ....................32-34
    3.6 本章小结 ....................34-35
第4章 基于非合作博弈的功率控制算法研究 ....................35-45
    4.1 系统模型 ....................35-36
    4.2 非合作博弈功率控制模型 ....................36
    4.3 干扰分析 ....................36-37
    4.4 效用函数 ....................37-38
    4.5 效用函数的证明 ....................38-40
    4.6 仿真分析 ....................40-45

总结

在频谱资源日益匮乏的今天，认知无线电技术是以灵活的方式选择使用主系统的频谱实现通信的新技术，所以有效的对频谱资源进行合理的分配和管理成为关键。论文以博弈论为基础，对无线认知网资源管理对策中的频谱共享和功率控制进行了初步的探索。CRN 基站通过数据融合，形成本 CRN 的待分配频谱和功率决策。有通信需求的认知用户，通过本 CRN 的控制信道向基站预约信道，CRN 基站响应这一预约请求，分配该认知用户可用频谱及其功率要求，认知用户根据这一响应调整传输参数，进行通信业务的传输。认知蜂窝通过专有信道传送大量的来自认知终端的信息，并通过中心控制单元进行实时的处理。为了保证系统性能, 需要考虑信道传播特性、路径损耗、共信道干扰、信噪比(SNR) 以及误比特率(BER) 等性能参数。
对基于感知的异构网络频谱资源管理展开研究，对 CRN 蜂窝间伪授权许可运用合作博弈论，建立多用户合作博弈模型，博弈者为认知基站，博弈目标是认知蜂窝间分配 PRN 若干伪授权用户的使用许可，博弈策略为发生传输失败事件引入处罚因子，效用函数为认知用户吞吐率、时延、差错率三者的混合经验函数。认知用户“伺机”接入授权用户暂时不用的法定频谱，在授权用户需要使用其法定频谱时，认知用户必须立刻完成频谱移动，使用对授权用户不干扰的频段。