基于博弈论的认知无线网络频谱共享关键技术

发布时间：2020-03-25 04:24

【摘要】：近年来,随着移动数据通信的飞速发展,对无线频谱资源的需求急剧增长,频谱资源紧张和频谱利用率低的矛盾在现有频谱授权机制下不断凸显。认知无线电作为一种可以有效利用频谱资源的无线技术,通过检测空闲频谱资源,在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用,能够有效降低频谱和带宽限制对无线通信发展的束缚,缓解目前频谱资源紧张和频谱利用率低的矛盾。认知无线网络节点拥有观察、学习和决策能力,这种灵活性对频谱共享技术提出了新的挑战。博弈论作为分析节点间行为的有效工具,在认知无线网络的建模和分析中具有多层次的优势。本论文围绕认知无线网络频谱共享关键技术研究展开,主要针对认知无线网络应用场景中存在的问题,建立博弈模型,利用博弈论及最优化理论分析节点的博弈策略,提出了新的频谱共享算法和机制设计方案,并通过计算机仿真的数值结果对所提出的算法和机制的性能进行了分析比较,为实现灵活高效的频谱共享提供了有力的理论支持。主要创新点如下:第一,论文研究了非理想频谱感知条件下认知无线网络频谱共享中提高频谱利用率和保证授权用户服务质量之间的关系,分析了价格机制对认知用户行为策略的影响,提出了一种联合优化频谱检测阈值和功率分配的分布式算法,利用并行更新实现快速收敛,通过构造N-I函数证明该算法收敛于纳什均衡,引入的价格机制降低了系统中的干扰,提升了系统容量。第二,论文研究了认知无线网络频谱共享中认知用户能量有限的问题,在保证宏蜂窝授权用户服务质量的条件下,以能量效率为出发点进行建模,利用非线性分式规划方法对认知用户的行为策略进行分析,通过对原优化目标的等效变换,提出了一种基于双层迭代的能效资源分配算法,仿真表明,该算法具有良好的收敛性,能显著提高小小区场景下的能量效率。第三,论文研究了认知无线网络频谱共享中多中继节点场景下的中继选择和功率分配的传输机制设计问题,对干扰有偿条件下源节点和中继节点的行为策略进行了分析,基于斯坦克尔伯格博弈模型,提出了一种分布式的中继选择和功率分配机制,并利用梯度迭代方法对斯坦克尔伯格博弈的均衡解进行了分析,确定源节点与中继节点可达到的最大收益。数值仿真结果显示该机制的收敛性对中继节点数目不敏感,在大规模分布式场景中能保持很好的性能。第四,论文研究了认知无线网络动态频谱租赁中快速高效分配信道的机制设计问题,引入预算约束和资源完整性要求,力求在实际系统中具有更好的适用性。基于多物品拍卖理论,设计了一种具有真值占优特征的改进的单一价格拍卖机制,该机制可以对多个信道资源进行快速有效的分配,激励相容性设计提高了系统对抗恶意出价节点的鲁棒性,同时较低的实现复杂度和信息交互大大降低了系统中的信令开销,为认知无线网络的分布式实现提供了一种可行的途径。
【图文】：

频谱,频谱分配

无线电频谱作为无线通信不可或缺的载体，其稀有性和珍贵性是显而易见逡逑的。现阶段世界各国的频谱管理主要依据固定频谱分配政策，即频谱被划分为多逡逑个不重叠的频段，称为授权频段，图１－１所示为我国现阶段的频谱分配情况。随逡逑着第五代移动通信系统（Ｔｈｅ邋Ｆｉｆｔｈ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，５Ｇ）逡逑在全球迅猛发展，新的无线业务和应用场景不断涌现，对无线频谱资源的需求急逡逑剧增长，不过从图１－１中可以看出，适宜无线通信的可用频谱资源几乎己经分配逡逑完毕，能够给予新业务、新系统的频谱资源很少。另一方面，与频谱资源紧张相逡逑对应的授权频谱的使用现状却不容乐观。根据美国联邦通信委员会（Ｆｅｄｅｒａｌ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ邋Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，邋ＦＣＣ）的调查报告显示，在固定频谱分配政策下，逡逑授权频段在不同地理位置和时间内的利用率仅在１５％至８５％之间［１］。许多国内外逡逑文献研究也都充分说明了频谱资源利用率不足这一现状［２，３］。频谱资源的有限性逡逑和低利用率成为固定频谱分配政策下难以调和的矛盾。近年来，各国在不断探索逡逑频谱共享等新型管理模式

模型图,认知无线电,模型,频谱资源

无线电频谱作为无线通信不可或缺的载体，其稀有性和珍贵性是显而易见逡逑的。现阶段世界各国的频谱管理主要依据固定频谱分配政策，即频谱被划分为多逡逑个不重叠的频段，称为授权频段，图１－１所示为我国现阶段的频谱分配情况。随逡逑着第五代移动通信系统（Ｔｈｅ邋Ｆｉｆｔｈ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，５Ｇ）逡逑在全球迅猛发展，新的无线业务和应用场景不断涌现，对无线频谱资源的需求急逡逑剧增长，不过从图１－１中可以看出，适宜无线通信的可用频谱资源几乎己经分配逡逑完毕，能够给予新业务、新系统的频谱资源很少。另一方面，，与频谱资源紧张相逡逑对应的授权频谱的使用现状却不容乐观。根据美国联邦通信委员会（Ｆｅｄｅｒａｌ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ邋Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，邋ＦＣＣ）的调查报告显示，在固定频谱分配政策下，逡逑授权频段在不同地理位置和时间内的利用率仅在１５％至８５％之间［１］。许多国内外逡逑文献研究也都充分说明了频谱资源利用率不足这一现状［２，３］。频谱资源的有限性逡逑和低利用率成为固定频谱分配政策下难以调和的矛盾。近年来，各国在不断探索逡逑频谱共享等新型管理模式
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN925;O225

【参考文献】