認(rèn)知無線電系統(tǒng)中聯(lián)合頻譜分配算法研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和無線用戶數(shù)量的逐漸增長，用戶對頻譜的需要量越來越大，頻譜資源緊張成為目前無線電管理中一個嚴(yán)峻的問題。目前，認(rèn)知無線電靜態(tài)頻譜分配技術(shù)缺乏靈活性，導(dǎo)致頻譜利用率低、引發(fā)頻譜浪費(fèi)。動態(tài)頻譜分配技術(shù)是在保證授權(quán)用戶正常通信的前提下，分析周圍無線環(huán)境，對空閑頻譜進(jìn)行二次利用，從而更加有效地使用有限的頻譜資源，緩解了無線通信需求與頻譜資源之間的矛盾。因此動態(tài)頻譜分配技術(shù)在無線通信領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景，已成為認(rèn)知無線

2、電系統(tǒng)中研究熱點(diǎn)。本文主要以圖論和博弈相關(guān)理論為基礎(chǔ)，利用最優(yōu)化方法研究認(rèn)知無線電中頻譜分配問題，具體研究內(nèi)容如下：
　　本文分別對認(rèn)知無線電中圖論和博弈論的頻譜分配算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，充分考慮了系統(tǒng)公平、瓶頸認(rèn)知用戶效用和用戶間的決策干擾對聯(lián)合頻譜分配性能的影響。本文主要圍繞聯(lián)合分配算法步驟、分配性能的分析和仿真來展開。此外，為了降低認(rèn)知用戶彼此的競爭和減少對授權(quán)用戶的影響，本文還用可靠性理論描述一個信道是否能夠被認(rèn)知用

3、戶所使用以及被連續(xù)使用一段時間的概率，進(jìn)而提出空域、時域和頻域三維聯(lián)合頻譜分配算法，從時域、頻域和空域進(jìn)行分析。
　　本文在圖論和博弈論相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，提出了四種頻譜分配算法，并分析了算法的有效性。本文提出的具體四個創(chuàng)新點(diǎn)分別是：
　　在圖論的基礎(chǔ)上，針對目前僅適用協(xié)作式最大化最小帶寬標(biāo)準(zhǔn)的并行算法，存在的認(rèn)知用戶公平性低，瓶頸用戶效用不高的問題，本文提出了縱向聯(lián)合并行的頻譜分配算法。計(jì)算子圖標(biāo)號時采用協(xié)作式最大化最小帶寬

4、和協(xié)作式最大化比例公平兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)，分析了不同的比例因子對系統(tǒng)公平的影響。根據(jù)最佳的比例因子取值，部分信道運(yùn)用協(xié)作式最大化最小帶寬標(biāo)準(zhǔn)分配，在分配這些信道的同時，再對剩余的信道運(yùn)用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配，并計(jì)算各個認(rèn)知用戶使用頻譜的標(biāo)號。仿真結(jié)果表明縱向聯(lián)合并行算法的系統(tǒng)公平比已有的并行算法有了明顯的改善，瓶頸認(rèn)知用戶信道容量也得到了較大程度的提高?？v向聯(lián)合并行算法兼顧了系統(tǒng)公平和瓶頸認(rèn)知用戶效用的同時，又有效控制了通信開銷

5、。
　　在博弈論的基礎(chǔ)上，本文提出了新的非合作博弈的頻譜分配算法，克服了用戶間決策的干擾影響。在實(shí)際的認(rèn)知無線電通信中，多用戶需要共享頻譜，認(rèn)知用戶之間不進(jìn)行相互協(xié)作。本文提出新的非合作博弈的頻譜分配算法，研究了多個認(rèn)知用戶彼此方案關(guān)系，最大化自身的吞吐量。仿真結(jié)果表明，新的非合作博弈的頻譜分配可以使認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶共享信道，在滿足干擾功率約束條件下，認(rèn)知用戶之間進(jìn)行博弈從而實(shí)現(xiàn)合理的功率分配。新的非合作博弈的頻譜分配算法的穩(wěn)定

6、認(rèn)知用戶速率大于傳統(tǒng)的非合作博弈算法和下墊式共享的算法，仿真驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。
　　從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，本文提出了基于圖論和博弈論的頻譜分配算法。其克服了圖論算法不符合實(shí)際頻譜效用的問題，也克服了博弈論算法從頻譜共享池中獲取頻譜的比較困難的問題。本文首先應(yīng)用圖論算法進(jìn)行快速的預(yù)分配頻譜，該算法同時為再次分配保證了公平性，然后用博弈論思想優(yōu)化初次分配的信道，完成認(rèn)知用戶之間的頻譜再次分配，基于圖論和博弈論的頻譜分配算法充分利用

7、了圖論和博弈論的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明基于博弈論和圖論的頻譜分配算法可以使頻譜資源被充分利用，在傳輸功率的約束下，每個認(rèn)知用戶優(yōu)化自身的效用(速率)，合理的分配發(fā)送功率，基于圖論和博弈論的頻譜分配算法相比于單一博弈算法，在使用的信道上可以被分配更多的發(fā)送功率，同時效用也得到了提高，聯(lián)合算法的總效用大于單一博弈論算法的總效用，通過仿真驗(yàn)證了基于圖論和博弈論的頻譜分配算法的有效性。
　　此外，從空域、時域和頻域三個方面，本文提出了空域、時

8、域和頻域三維聯(lián)合頻譜分配算法。采用可靠性理論描述一個信道是否能夠被認(rèn)知用戶所使用及被連續(xù)使用一段時間的概率，降低了認(rèn)知用戶彼此的競爭并減少對授權(quán)用戶的影響，從而保證認(rèn)知無線電系統(tǒng)正常通信。仿真結(jié)果表明，當(dāng)主用戶數(shù)固定時，隨著認(rèn)知用戶的增加，空域、時域和頻域三維聯(lián)合算法的傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的總吞吐量優(yōu)于貪婪算法和二維算法，當(dāng)認(rèn)知用戶數(shù)固定時，隨著主用戶的增加，系統(tǒng)可傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)總吞吐量的趨勢隨著該算法空閑的主用戶數(shù)量的增多而提高，空域、