基于排隊論和博弈論的認知無線電動態(tài)頻譜接入機制研究.pdf

1、為了滿足日益增長的無線應(yīng)用需求，認知無線電網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network，CRN）被提出來用以克服傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配策略利用率低下的缺點，主要通過動態(tài)頻譜接入技術(shù)有效實現(xiàn)主要用戶（Primary User, PU）和次要用戶（Secondary User, SU）的頻譜共享。動態(tài)頻譜接入技術(shù)的應(yīng)用目前還面臨許多挑戰(zhàn)，不僅要考慮技術(shù)問題，還需要考慮有與其頻譜使用特點相匹配的新政策和經(jīng)濟模型。因此，本文從技術(shù)和經(jīng)濟兩個角

2、度開展對認知無線電動態(tài)頻譜接入機制的研究。
　　首先，針對SU傳輸被PU搶占后需要重新傳輸整個數(shù)據(jù)包的情況，本文利用排隊論提出了一種適用于多信道環(huán)境的自適應(yīng)頻譜決策算法，以降低SU數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時間。本文基于M/G/1中斷重傳排隊理論提出了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，并基于該模型為SU接入分別設(shè)計了基于概率的決策機制和基于感知的決策機制。在基于概率的決策機制下，通過設(shè)計合理的概率分配向量，將SU業(yè)務(wù)流量均衡的分配到各個信道，充分優(yōu)化

3、資源配置，最小化SU系統(tǒng)時間；在基于感知的決策機制下，通過改善SU信道感知順序，增加SU搜索到空閑信道的概率，減少排隊等待時間，從而降低系統(tǒng)時間。最后，在對這兩種機制下SU平均系統(tǒng)時間比較的基礎(chǔ)上，提出了自適應(yīng)頻譜決策算法。仿真結(jié)果表明，與隨機接入算法和基于感知的候選信道選擇算法相比，本文提出的自適應(yīng)算法能夠有效降低SU的平均系統(tǒng)時間。
　　其次，本文從經(jīng)濟角度出發(fā)，基于頻譜定價機制研究了SU的頻譜接入控制，以實現(xiàn)頻譜資源的合理利

4、用。本文將SU的頻譜接入過程視為一個非合作博弈過程，SU可以根據(jù)自身效用決定是否要接入頻譜。但是，如果每個SU都追求自身效用最大化，就會導(dǎo)致系統(tǒng)整體效用下降，而定價機制可以有效促使SU按照改善整體性能的方式采取行動。由于SU在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下掌握的系統(tǒng)信息不同，因此本文針對分布式CRN架構(gòu)和集中式CRN架構(gòu)分別建立了相應(yīng)的接入模型。在集中式CRN中，SU可以通過中央處理器獲知信道狀態(tài)信息以及排隊隊長信息，可以利用可視排隊模型進行分析；而

5、在分布式CRN中，SU無法獲知隊長信息，同時考慮到SU的頻譜決策機制可以分為基于概率和基于感知兩種機制，因此可分別利用信息不可視排隊模型和部分信息可視排隊模型進行分析。本文針對這些不同的分析模型，分別研究了SU追求個體利益最大化時的納什均衡接入策略和社會整體收益最大化時的社會最優(yōu)接入策略，并根據(jù)頻譜價格和SU接入概率之間的關(guān)系，提出了相應(yīng)的頻譜定價機制。實驗仿真結(jié)果驗證了本文的理論分析，同時表明與不考慮頻譜收費相比，本文提出的頻譜定價機

6、制能夠有效提高社會整體收益。另外仿真結(jié)果還顯示，提高SU的系統(tǒng)狀態(tài)信息掌握程度，有利于SU做出更理智的個體決策，從而促進社會整體收益的提高。
　　最后，考慮到實時業(yè)務(wù)或?qū)r延敏感的業(yè)務(wù)要滿足一定時延約束的情況，本文基于博弈論和排隊論研究了相應(yīng)的頻譜接入控制策略。對于時延敏感業(yè)務(wù)，SU即使選擇了接入信道，也有可能在等待過程中因為等待時間超過容忍限度而選擇放棄傳輸，從等待隊伍中退出。因此，本文基于具有止步和中途退出的可修排隊模型，利用