基于博弈论的认知无线电网络频谱接入算法研究

发布时间：2017-10-16 15:09

  本文关键词：基于博弈论的认知无线电网络频谱接入算法研究

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【摘要】：认知无线电(Cognitive Radio,CR)由于其对空闲频谱资源有“二次利用”的特性,能够帮助次用户在不干扰主用户通信质量的前提下动态地使用某一段或者多段空闲频谱资源,实现了次用户与主用户之间对未占用的频谱空洞的共享,解决了对不可再生频谱资源再利用的问题以及频谱利用率低下的问题。因此,CR技术被称为是新一代无线通信发展最重要的技术之一。认知无线电中的频谱接入技术作为CR中的核心技术,为次用户合理高效地在多变环境中使用空闲频谱资源,并伺机地使用在某段时间上、空间上和频率上出现的空闲频谱资源进行数据信息传输提供了可行方案。而CR系统中次用户之间相互竞争并伺机地接入到主用户系统的某段空闲频谱的选择过程可以看成一个频谱租借市场。在这个过程中,就存在次用户之间对租借空闲频谱的博弈过程、主用户之间对出租空闲频谱的博弈过程以及主次用户联合的博弈过程。因此,可以用微观经济学理论中的博弈论方法为租借空闲频谱的博弈过程找到纳什均衡点,也即是频谱接入的最优策略点。本文详细阐述了频谱接入技术具体研究的两大领域,即MAC协议和频谱分配技术。首先,对MAC协议做了详细的分析,并根据频谱接入方式的不同,将MAC协议进行具体的分类,并着重分析了每个MAC协议的利与弊;其次,详细分析了频谱分配技术,并对其进行了分类;最后,对按照不同性质分类的频谱分配技术通过经典数学模型或者微观经济学理论模型等进行了分析研究,并给出了具体的解决方法主要包括以下四个点:基于图论的图着色模型,基于干扰温度模型,基于拍卖竞价模型和基于博弈论模型。此外,本文重点阐述了采用博弈论模型来研究CR中的频谱接入问题、给出了基于博弈论模型的CR中频谱接入的一般模型、构建了适合于CR中频谱接入的系统模型,并设计了两种基于双寡头博弈模型的CR频谱接入算法,即古诺博弈模型和斯坦科尔伯格博弈模型。将频谱接入这种抽象的问题更加形象、直观的表示为次用户为最大化自己的效益在租借频谱时的博弈过程,及主用户为了最大化自己的收益,合理地决定频谱出售价格的行为。最后,使用Matlab7.1对所设计的算法进行了验证。分别从纳什均衡、博弈过程和收敛性、次用户租借频谱总量以及次用户收益四方面分析次用户合理地调整频谱带宽租借的行为。仿真结果显示,该方案充分利用了空闲频谱资源及同时最大化了次用户和主用户的效用。此外,在相同信噪比的情况下,与古诺模型相比,斯坦科尔伯格博弈模型能够追求更多的租借频谱数量,最终使得次用户的频谱租借总量大于后者,提高了频谱利用率,却增加了频谱租借价格,使得前者的收益低于后者。
【关键词】：认知无线电 频谱接入 博弈论
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 研究意义11-12
• 1.3 全文内容安排12-14
• 第2章 认知无线电频谱接入技术14-35
• 2.1 MAC协议14
• 2.2 MAC协议分类14-23
• 2.2.1 基于时槽分配的CR MAC14-16
• 2.2.2 基于控制信道接入的CR MAC16-21
• 2.2.2.1 基于专用控制信道竞争接入的CR MAC16-18
• 2.2.2.2 基于公共跳变序列竞争接入的CR MAC18-20
• 2.2.2.3 基于缺省跳变序列竞争接入的CR MAC20
• 2.2.2.4 基于时段拆分竞争接入的CR MAC20-21
• 2.2.3 基于混合接入方式的CR MAC21-23
• 2.3 频谱分配23-34
• 2.3.1 基于图论的图着色模型24-25
• 2.3.2 基于拍卖竞价模型25
• 2.3.3 基于干扰温度模型25-26
• 2.3.4 基于博弈论模型26-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 基于博弈论的频谱接入算法研究35-45
• 3.1 引言35-36
• 3.2 一般模型36-37
• 3.3 系统模型37-38
• 3.4 算法描述38-40
• 3.4.1 古诺模型38-40
• 3.4.2 斯坦科尔伯格模型40
• 3.5 博弈算法分析40-44
• 3.5.1 古诺模型算法分析40-42
• 3.5.2 斯坦科尔伯格模型算法分析42-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 仿真分析45-56
• 4.1 仿真实验与性能分析45-54
• 4.1.1 纳什均衡45-46
• 4.1.2 古诺博弈模型仿真46-49
• 4.1.3 斯坦科尔伯格博弈模型仿真49-53
• 4.1.4 两种博弈模型算法比较53-54
• 4.2 本章小结54-56
• 第5章 总结与展望56-57
• 参考文献57-62
• 致谢62-63
• 附录 攻读硕士学位期间所发表的学术论文63

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本文编号：1043354