无线电理论下的博弈论频谱利用率静态框架描述

第1章绪论

1.1研究背景及意义
认知无线电以灵活、智能及可重新配置参数为显著特征，通过检测无线通信环境中的频谱"空洞"，依靠机器学习和遗传算法，有目的地自适应的改变某些操作参数（如发射功率、调制方式及载波频率等），以适应复杂多变的无线通信环境。为防止其给授权用户带来不必要的千扰，要求认知无线电必须具备动态频谱切换功能，能够自适应的利用空闲频谱。它能够以更为灵活的方式管理和使用频谱，从根本上解决目前因固定频谱分配策略而导致的低效频谱利用率的问题。
随着IT行业的不断发展，无线通信设备日新月异，从手机、自动抄表设备到蓝牙、WIMAX,每一种新型的无线通信设备都提供了强大的功能，给用户带来了极大的便利，但是稀缺的频谱资源以及固有的频谱分配模式是其前进的最大阻力。为了不影响诸如电信广播业务等授权用户的正常工作，频谱管理机构给他们分配了一些特殊的频段——授权频段，以完成指定的业务需求。
由于这些特殊的部门并不是每天24小时不停的占用频谱，但是当其频谱空闲的时候却不允许其他的用户使用，而是白白的浪费掉了，且业务单一的授权频段比业务复杂的非授权频段要大许多。于是大量的频谱落入了极少数人手中却不加以珍惜，固定的频谱分配策略已成为无线电及其产品发展的最大障碍。美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communication Commission)的实际测试表明，如图1-2所示，已分配频谱的利用率只有15%~85%不等[4]。因此，研究高效、快捷及智能的频谱。
早期的无线频谱分配都是静态的，通信系统只能在固定的专属频段上工作，使用固定的调制、解调及信道协议等。不能够实现自适应的跳频转换和动态的改变发射机参数。固定频谱分配方式不仅限制了接入频谱的用户数量，降低了频谱利用效率，而且其落后的固定信道通信模式给其他用户造成了极大的干扰和噪声。为了实现多种通信标准共存，出现了采用可编程软件的自适应无线电技术，如软件定义无线电（SDR, Software Define Radio)技术[5]。这种技术解决了信道单一的缺陷，允许用户在几个不同的频段之间切换，提高了系统的吞吐量。但其信道的选择是固定的，不能实现智能的自适应选频。而一些最新技术，如多天线技术、调制解调技术以及链路自适应技术等，这些技术虽然在一定程度上缓解了无线频谱短缺的现状，提高了频谱利用率，但本身受限于香浓定理，效果不是很  
理想。 无线电频谱资源具有许多独特的性质。随着科技的进步，现已可以利用极高频(h-300GHz)进行通信，相信不久的将来，还可以利用更高的频带通信；频谱资源作为一种永久性资源，具有不减少不消亡的特点，如果不能充分利用有  
限频谱，则会造成资源浪费[6]。
频谱资源的短缺与较低的频谱利用率形成鲜明的对比，为了使频谱资源得到更充分的利用，认知无线电技术应运而生，并得到了广泛研究和发展。认知无线电必须具备发现"频谱空洞"的能力，且具有极高的测量精度。认知无线电用户在使用频谱"空洞"进行通信的过程中时刻的检测主用户是否有重新接入的可能，从而确保不对其产生干扰[12]。为了精确监测频谱，发现频谱"空洞"，认知无线电需要有高灵敏度的接收机来测定某区域的信号功率。如果其发现的频谱"空洞"正有用户以微弱的信号进行通信，那么认知无线电用户的"择机接入"将会干扰到正在正常通信的授权用户，这就是所谓的"隐藏终端"。
而如果其检测到某区域有用户正在通信，而此时该频谱却是空闲的，那么就会造成频谱的极大浪费。认知无线电必须能够自适应的完成频谱分配。传统的频谱分配是按照某种固定的频谱分配表将频谱分配给指定的用户，用户很难根据自身的需求来及时的调整频谱，且固定频谱分配策略导致了大量用户得不到足够的可用频谱。这种分配方式较为简单，系统的开销低，但是灵活性不足，使用场合比较有限，另外其频谱利用率也较低。动态频谱分配可以使用户按照自身需求及时的调整频谱，以满足不同时刻用户对频谱的不同需求。在这种方式下，频谱利用率得到显著的提高，但其对用户的实时性接入和撤离频谱要求较高，算法也较复杂。

    1.2 认知无线电技术概述 ..................16-20
        1.2.1 认知无线电基本概念 ..................16-18
        1.2.2 认知无线电的主要功能 ..................18-19
        1.2.3 认知无线电技术特征 ..................19-20
    1.3 认知无线电的系统模型 ..................20-21
    1.4 本文的主要内容及结构安排 ..................21-23
第2章 认知无线电技术研究 ..................23-32
    2.1 频谱检测技术 ..................23-27
    2.2 频谱分配技术 ..................27-29
        2.2.1 频谱分配技术原则 ..................27-28
        2.2.2 频谱分配技术分类 ..................28-29
    2.3 频谱管理技术 ..................29-32
        2.3.1 频谱管理的必要性 ..................29
        2.3.2 频谱管理概念 ..................29-31
        2.3.3 频谱管理的现状 ..................31-32
第3章 博弈论的基本原理及应用 ..................32-38
    3.1 博弈论概述 ..................32-33
    3.2 非合作博弈论 ..................33-36
        3.2.1 非合作博弃论的基本概念 ..................33
        3.2.2 非合作博弈论的分类 ..................33-34
        3.2.3 纳什均衡 ..................34-35
        3.2.4 子博弈精炼纳什均衡 ..................35
        3.2.5 贝叶斯纳什均衡 ..................35
        3.2.6 精炼贝叶斯纳什均衡 ..................35-36
    3.3 几种常用博弈模型简介 ..................36-38
第4章 频谱分配 ..................38-56
    4.1 频谱分配的博弈分析 ..................38-42
        4.1.1 博弈分析的数学描述 ..................38-39
        4.1.2 博弈分析的框架 ..................39-42
        4.1.3 频谱分配的传输模型 ..................42
    4.2 基于博弈论的频谱分配算法 ..................42-45
        4.2.1 频谱需求函数 ..................42-44
        4.2.2 次用户效用函数 ..................44
        4.2.3 主系统的成本函数 ..................44-45
        4.2.4 主系统的效用函数 ..................45
    4.3 分析及仿真 ..................45-54
    4.4 本章小结 ..................54-56

总结

由于频谱资源的匮乏和频谱需求的激增，认知无线电技术应运而生，成为解决此类问题的关键技术，而频谱分配更是其中的关键环节。随着认知无线电技术的发展和应用，多认知无线电用户之间相互竞争，共享频谱资源，不可避免的增加了无线环境中的干扰，不仅使得通信难度加大，通信成本也相应的大幅增长。基于此，本文对频谱分配问题做了详细的研究。本文在深入分析现有频谱分配模型的基础上，建立了基于价格机制的博弈论频谱分配系统框架，并引入频谱差异性概念，设计了认知无线电的静态博弈算法。本文的主要工作成果总结如下：
(1)在深入分析现有分配框架的基础上，提出了以sps为中心的中央控制式分配结构，不仅减小了主用户和次用户各自的算法复杂度，提高效率，同时也减少了主用户和次用户之间的通信，降低了通信成本和额外的开销。
(2)本文设计频谱分配框架时，考虑了主用户的先动优势和次用户的后动优势，平衡了二者的利益，使算法更加具有一般性。
(3)设计了基于价格机制的频谱分配静态博弈算法，算法中引入差异性概念，并提出价格因子函数以补偿主用户的额外开销。隨着分配频谱的增大，效用呈二次曲线，且在纳什均衡处求得正效用，从而验证了算法的正确性，提高了频谱利用率。