基于合约的认知无线电网络协作频谱共享策略研究

摘要

随着无线通信技术的快速发展，现有的固定频谱分配策略造成可用频谱资源严重短缺，同时已分配的频谱资源又存在利用率低的问题。协作频谱共享技术因具有中继协作和动态频谱接入的特点，能够更好地应对无线通信中频谱资源利用率低的难点，因此已成为该领域的研究热点。由于在协作频谱共享过程中主用户和次用户间存在着资源交易，即主用户的频谱资源和次用户进行协作通信的功率资源之间的交易，传统的数学分析工具难以对资源交易的过程进行详细的研究。为了更好地刻画和分析主用户和次用户之间的资源交换问题，本文引入经济学中的合约理论，将主、次用户双方的协作过程映射为劳动市场模型，其中主用户和次用户分别作为劳动市场中的雇佣者和被雇佣者，采用合约理论即通过合约的设计确定雇佣双方的权利和义务。本文基于合约理论分别研究了认知无线电网络中单个主、次用户和多个主、次用户场景的协作频谱共享问题，主要工作如下:
　　(1)提出一种基于信道统计信息的Overlay-Underlay混合接入模式协作频谱共享模型。模型中单个主用户和单个次用户进行协作通信，依据信道状态协作模式可以采用相应的Overlay或Underlay协作频谱共享模式;基于该模式，首先构建了以主用户效用最大化为目标的最优合约设计问题，并以保证次用户能够获得非负效用为约束条件，然后采用遗传算法对该优化问题进行了求解。仿真结果表明，针对所提出的Overlay-Underlay混合接入模式协作频谱共享模型，采用最优合约设计可以很好地调动主、次用户双方合作的积极性，从而提高主用户的频谱利用率并降低能量消耗，同时也为次用户提供了更多使用授权频谱传输信息的机会。
　　(2)将提出的Overlay-Underlay混合接入模式协作频谱共享模型推广到多个主用户和多个次用户场景。由于在该场景中多个主用户和次用户随机分布，各主用户与各次用户之间的相对位置和信道状态都不同。因此，每一个主用户对不同的次用户都有着不同的偏好，并且希望选择能够带来最大收益的次用户作为中继;同时每一个次用户也对不同主用户有着不同的偏好，并且希望获得更多的频谱使用时间。基于该场景，本文在完全信息和不完全信息场景下，仍以主用户总效用最大化为目标，构建最优合约设计的优化问题。在完全信息场景下，由于信道的统计信息完全公开，采用匈牙利算法对主、次用户间的中继选择问题进行求解，得到理想条件下的最优合约设计结果;在不完全信息场景下，采用广义延迟接受算法动态地进行合约设计，最终实现稳定的市场均衡，从而获得最优合约设计。仿真结果表明，通过提出的混合接入模式协作频谱共享策略，在多主用户和多次用户场景中，不完全信息场景下主用户的平均效用显著提高，接近完全信息场景下的理想值，同时次用户也获得了与完全信息场景下相近的平均传输速率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究的主要内容

1．3．1 混合接入模式协作频谱共享模型

1．3．2 多用户混合接入模式协作频谱共享策略

1．4 论文结构安排

2 协作通信与合约理论相关知识

2．1 认知无线电技术

2．2 协作通信技术

2．3 合约理论及在通信中的应用

2．3．1 合约理论常用模型

2．3．2 合约理论在协作频谱共享中的应用

2．4 本章小结

3 混合接入模式协作频谱共享模型

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 协作频谱共享的合约问题

3．3．1 主用户效用函数

3．3．2 次用户效用函数

3．3．3 合约优化问题

3．4 遗传算法

3．4．1 遗传算法基本介绍

3．4．2 遗传算法主要运算过程

3．5 仿真结果及分析

3．6 本章小结

4 多用户混合接入模式协作频谱共享策略

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 多用户协作频谱共享的合约问题

4．3．1 主用户效用函数

4．3．2 次用户效用函数

4．3．3 合约设计及优化问题

4．4．1 合约问题优化

4．4．2 匈牙利算法

4．5 不完全信息场景下的合约问题

4．5．1 双边匹配市场模型

4．5．2 广义延迟接受算法

4．6 仿真结果及分析

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢