认知无线电中分布式感知用户学习策略研究

第一章绪论

1.1论文研究背景
1.1.1认知无线电技术的发展背景
以美国为例，美国联邦通信委员会2002年出版的报告[1]指出，已分配的授权频段的频谱利用率为15%到85?%不等。美国伯克利无线电研究中心测得的频谱利用图也指出，已经分配的3GHz以下的频谱资源中多达70%未被充分利用[2]。由此可以看出，频谱资源的紧张是由不合理的频谱管理政策造成的，这种基于固定频谱分配的策略极大地浪费了频谱的效率。有限的可用频谱和低的频谱资源利用率使得开发一种新的优化使用频谱的无线通信方式变得十分必要[3]。为了解决上述矛盾，一种智能频谱共享技术一一认知无线电（CognitiveRadio,CR)就应运而生了，它自提出就引起了业界的极大关注。认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是由Joseph Mitola博士在软件无线电概念的基础上提出的[4]。
1999年Mitola在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言（Radio Knowledge Rendering Language, RKRL)来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感兴趣的跨学科的认知无线电的概念。著名通信理论专家Simon Hakin在2005年2月的JSAC inCommunications上发表了关于认知无线电的综述性文章"www.sblunwen.com Cognitive radio:brain-empowered wireless communications" [5]，掀开了国际性的认知无线电技术研究的序幕。随后Berkdey、 Virginia. Stevens等大学的研究所和软件无线电(Software Defined Radio, SDR)论坛等研究组织纷纷展开研究，Rutgers大学的Winlab实验室还进行了认知无线电平台的开发。
美国联邦通信委员会（FCC)2002年发布的频谱政策特别工作组（SpectrumPolicy Task Force, SPTF)报告，对频谱资源的使用政策具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组，并于2003年5月在华盛顿成立。在2004年3月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，这标志着认知无线电技术正式起歩。一些标准化组织也先后开始着手制定一系列标准已支持并推动认知无线电的发展。第一个制定认知无线电标准的组织是IEEE 802.22工作组，也叫做"无线区域网（Wireless Regional Area Network, WRAN )工作组。该组织成立于2004年10月，致力于开发通过认知无线电二次利用分配给电视广播的VHFAJHF频带。IEEE 802. 22是认知无线电的物理层（PHY)与媒体访问控制(MAC)层的标准[6]。此外，IEEE 802. 16工作组也在着手制定h版本标准以确保WiMAX的非授权系统与授权系统之间实现共存，即利用认知无线电技术使得IEEE 802. 16系列标准可以在非授权频段上获得应用。
2005年，IEEE又成立了 1900工作组，致力于开发下一代无线电和高级频谱管理协议，以实现认知无线电技术的发展和与其它无线通信系统的和谐共存。在认知无线电系统中，存在两类用户：主用户（授权用户，PrimaryUsenPU)和次用户（非授权用户，Secondly User, SU)。次用户通过对目标频段进行连续的监测，检测出未被主用户使用的频段，从而可以机会式的接入这些空闲频谱，而一旦主用户重新使用该频段，次用户必须在规定的时间内退出该频段，以避免对授权用户产生干扰。一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能：
(1)对无线环境的感知分析，包括无线电环境中干扰温度的估计和频谱空洞的检测。
(2)信道状态信息及其容量预测，主要有信道状态信息的估计、信道容量的预测。
(3)功率控制和动态频谱管理。
1.1.2认知无线电中的关键技术与应用认知无线电是一个具有感知功能的智能无线通信系统，能够对周围的环境进行学习，并随着环境变化自适应地调整其内部参数如工作频率、发射功率、调制方式等以有效地利用空闲频谱，同时避免对其他系统造成干扰。因此，认知无线电网络主要关注的是机会式频谱的接入，要实现这一目标需要具备的两个特性是认知能力和可重新配置能力。

    1.2 论文的主要工作和结构 ..................18-20
第二章 认知无线电的系统架构、频谱接入模型以及关键理论工作 ..........20-30
    2.1 频谱分配 ..................20-23
    2.2 功率控制 ..................23-24
    2.3 频谱感知 ..................24-27
        2.3.1 单用户感知 ..................24
        2.3.2 合作式感知 ..................24-27
    2.4 认知无线电动态频谱接入模型 ..................27-29
    2.5 本章小结 ..................29-30
第三章多用户学习过程中的探索与利用的折中 ..................30-46
    3.1 研究现状与感知能力受限 ..................30-33
        3.1.1 感知能力受限 ..................30-31
        3.1.2 部分可观察接入研究现状与模型 ..................31-33
    3.2 单用户学习过程中探索和利用的折中分析 ..................33-36
    3.3 多用户学习过程中的探索与利用的折中 ..................36-45
        3.3.1 基于混合策略的信道选择策略 ..................36-37
        3.3.2 多用户学习过程中的探索和利用的折中 ...............37-39
        3.3.3 分布式多用户学习算法 ..................39-40
        3.3.4 仿真结果 ..................40-45
    3.4 本章小结 ..................45-46
第四章基于演化动态性的多用户学习策略 ..................46-60
    4.1 多用户竞争与博弈中的学习 ..................46-51
        4.1.1 多用户竞争与博弈 ..................46-48
        4.1.2 博弈中的学习 ..................48-49
        4.1.3 随机博弈学习 ..................49-51
    4.2 基于演化动态性的多用户学习策略 ..................51-54
        4.2.1 多用户信道选择的博弈分析 ..................51-52
        4.2.2 基于演化动态性的多用户学习策略 ..................52-54
    4.3 算法性能比较 ..................54-59
    4.4 本章小结 ..................59-60

总结

认知无线电能有效的解决授权频谱利用率低和频段资源稀缺等问题。它的一个重要特征就是，认知无线网络中的用户是智能的，能够观察和学习从而优化各自的性能。认知用户通过对环境的感知，与网络中其它用户的交互来动态的调整通信参数。本文主要是针对认知无线电中用户感知能力受限的情况下，如何有效的学习环境的参数以及与其它用户共享空闲频谱进行研究。主要包括：
1、研究了认知无线电中频谱共享的潜在问题以及非集中式非合作频谱接入的基本原理；
2、分析了单用户信道感知和频谱接入被建模成Multi-Armed Bandit (MAB)问题时探索和利用（Exploration and Exploitation)的折中，在此基础上将探索和利用的折中扩展到多用户学习中；
3、在多用户学习过程中，提出基于混合策略的信道选择机制，有效的缓解次用户间的大量碰撞，从而提高频谱利用效率；
4、分析了演化博穽（Evolutionary Game)的基本原理，分析其在认知无线电网络中的应用；
5、提出了基于演化动态性的多用户学习策略，此策略能使用户公平有效的共享空闲频谱，在仿真分析中，同时可以看出其对用户选择策略的扰动具有很好的恢复性能。
本论文对认知无线电中多用户学习策略的研究作了一些初步的探讨和研究，并得出了一些有意义的研究成果，如多用户动态学习中的探索和利用的折中，基于演化动态性的学习方法等。