基于契约理论的协作频谱共享激励方法研究

发布时间：2020-05-21 08:41

【摘要】：协作频谱共享通过无线节点之间相互协作,可以有效地提高频谱利用率。然而,由于无线用户的移动性、无线信道的衰落效应及网络信息私有性等因素,导致了网络信息非对称问题。因此,本文致力于研究基于契约理论的协作频谱共享激励机制来解决上述问题。针对协作频谱共享中存在的双重信息非对称问题,提出了基于契约理论的协作频谱共享激励机制设计方法。考虑到中继节点自私性和双重信息非对称特点,在建立源节点与中继节点模型的基础上,在保证中继节点个人理性约束和激励相容约束的前提下,以获得源节点效用最大化,从而解决中继节点的私有能力信息和中继努力行为的双重信息非对称问题。实验结果表明,本方法提出的双重信息非对称场景下最优契约激励机制,在实现源节点和中继节点利益双赢的同时,保证协作频谱共享的实现。考虑到源节点与中继节点距离较远难以实现对其监督的问题,提出了基于中继监督的激励机制设计方法。在建立源节点和中继节点模型的基础上,通过引入一个监督节点,研究了基于信息监督和行为监督两种激励设计方法。基于信息监督的激励机制在获得中继节点能力信息的前提下,通过设计最优的激励契约,以解决中继节点努力行为非对称问题。基于行为监督的激励机制在获得中继努力行为的前提下,通过设计最优的激励契约,以解决私有能力信息非对称问题。实验结果表明,采用监督策略的最优契约设计可以更好的提高的频谱利用率。考虑到无线节点的动态特性导致主用户与次级用户间长期交易难以实现的问题,提出了基于契约理论的协作频谱共享动态激励机制设计方法。在建立主用户和次级用户模型的基础上,保证次级用户个人理性约束和激励相容约束前提下,提出两阶段协作频谱共享动态契约激励设计,以获得主用户效用最大化,从而解决次级用户私有能力信息的时变问题,避免主用户频繁选择中继节点而产生额外交易成本。实验结果表明,提出的动态契约激励机制能够有效地提高协作频谱共享性能,使主用户实现更高的效用。本文通过提出基于契约理论的协作频谱共享静态和动态激励机制,为提高无线频谱利用率,改善无线通信系统的性能,实现频谱资源共享提供了新思路。
【图文】：

分配现状,频段,美国,频谱资源

当今社会对频谱资源的应用需求不断增加。当前，世界上的大多数国静态频谱分配策略，这是一种通过政府中的频谱管理部门进行统一分模式。在这种模式下，频谱管理部门会根据不同通信系统的类型或通配不同的频段，并且它可以规定不同的单位在什么时间以什么样的方谱，因此我们可以将频谱资源分为授权频段和非授权频段两个部分。频谱资源都是经过授权的，故频谱图中授权频段所占比例较大，获得用户则拥有对该段频谱长期的专属的合法使用权，任何尝试接入该段都是违法的。非授权频段所占比例较小，这部分的频谱资源可以免费在一定的规范下众多通信系统可以竞争式的共享这部分频谱资源，如和工业频段。目前，全世界大部分国家都根据上述的静态频谱分配策可用频谱完全分配，美国 3kHz-300GHz 频段分配情况如图 1.1 所示0，由，当前可供新的业务、技术和系统使用的频谱资源尤为稀缺，想要找配的连续的大段的频谱是非常困难的，这使得有限的频谱资源变得越并且随着时间的变化，可供使用的频段变得越来越少[2-4]。

频谱,频谱利用,伯克利分校,加州大学

图 1.2 加州大学伯克利分校的频谱利用情况测量结果1999 年 Joseph Mitola 教授在发表的学术论文“Cognitive Radios: Mtware Radios More Personal”中称，认知无线电能够通过一种新的方式，使业务更为灵活,并且在 2000 年的博士论文答辩中，他详细介绍了自己在理论研究[17]。他认为,SDR(Software Definition Radio，软件无线电)是 CR实现的基础，而 CR 又是 SDR 的进一步发展。并且他对该技术的推理能能力不断地强调，他表明认知系统可以通过自学来对其周围的无线环境检测，并且可以自动地调整它自己的传输参数来适应无线环境的动态变化自认知无线电出世以来，大部分国家的频谱管理部门表明对此项技术非，同时也表示了明确的支持。FCC 认为这是一项可以进行动态频谱接入线通信技术，，它是一种不同于传统网络的新型网络，网络中存在两种用用户和认知用户。授权用户是有权使用频谱资源的通信用户，认知用户谱资源的通信用户。认知用户不断探测其周围环境中的无线信息，以便到空闲频谱资源(频谱空洞)，并且可以通过选择适合的频谱空洞以及调数来接入频谱当中，从而进行信息传输。这就是认知循环的过程，如图 1
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN925

【参考文献】