認知無線電中基于博弈相關理論的頻譜分配算法研究.pdf

1、隨著無線通信技術的飛速發(fā)展、無線用戶及無線電新業(yè)務的不斷增加，頻譜資源的分配已經趨于飽和，無線電頻譜資源似乎不能滿足當前無線電技術發(fā)展的需要。事實上，在長時間統(tǒng)計下發(fā)現，無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。認知無線電技術是通過智能的頻譜管理來解決頻譜資源“短缺”的有效方法，它能夠感知和利用授權用戶的可用頻譜，同時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理論為基礎，通

2、過最優(yōu)化方法、次梯度算法等來研究認知無線電中的頻譜共享和分配問題。
　　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刻只允許一個用戶接入；一是共享頻譜接入，用戶可以同時接入多條信道或載波。在認知無線電中，根據授權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，認知用戶伺機接入頻譜空穴，對授權用戶的干擾較?。辉谙聣|式頻譜接入

3、中，認知用戶共享授權用戶頻譜，受到授權用戶“干擾容限”的嚴格約束，但頻譜利用率較高。
　　本文分別對認知無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題進行了詳細的分析和研究，在充分考慮了Overlay接入與Underlay接入特點的前提下，主要圍繞著分配算法的設計以及算法的有效性和性能分析來展開；此外，文章還深入探討了授權用戶之間以及授權用戶和認知用戶之間的頻譜價格博弈問題，重點對競爭性均衡和納什協商情況下的價格博弈的特點

4、和性能進行了研究。
　　首先，針對認知無線電中頻譜分配的特點，對現有的主要頻譜分配算法和機制進行了闡述和分析，包括注水原理、基于圖論著色的頻譜分配機制以及基于博弈論的頻譜分配機制。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，并對算法的流程和特點進行了詳細的分析和比較。在博弈相關理論的基礎上，給出了認知用戶之間基于勢博弈的信道分配機制、授權用戶之間基于重復博弈以及拍賣理論的頻譜競

5、價機制。
　　其次，結合認知無線電干擾圖模型和極大獨立集的特點，針對CSGC算法和并行算法的不足，提出了并行算法的改進算法和基于最大加權獨立集的頻譜分配算法，在節(jié)省時間開銷的同時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，無法有效解決 Underlay接入時的頻譜分配問題，因此考慮引入博弈論進行分析。針對認知無線電中Overlay接入和Underlay接入的特點，分別提出了這兩種機制下的注水算法，并以此

6、來解決多用戶之間的頻譜分配問題。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授權用戶的情況下有效地實現認知用戶之間的載波和功率分配。
　　再次，通過博弈相關理論來研究認知無線電中共享頻譜接入下的頻譜分配。在Overlay接入時，提出了功率分配的迭代算法，并通過仿真驗證了迭代算法的收斂性與有效性。在Underlay接入時，由于干擾容限的約束，用戶之間的策略空間是相互耦合的。通過引入對偶原理和次梯度方法，可以將耦合

7、策略博弈分解為一個策略獨立的非合作博弈以及一個最優(yōu)化問題，進而提出了Underlay接入時的頻譜共享算法。
　　最后，本文通過均衡和協商理論來研究授權用戶之間以及授權用戶和認知用戶之間的價格博弈。根據認知用戶的效用函數以及Bertrand均衡理論提出了授權用戶信道競價的動態(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整參數有關。由于納什均衡解不是最優(yōu)解，本文在納什協商的基礎上提出了基于納什乘積的分布式算法