认知无线电系统中频谱共享博弈算法的研究

摘要

认知无线电是一种新型的智能无线通信技术，它能够感知周围环境的变化并随之自适应地调整系统的工作参数。它的关键技术有频谱感知、功率控制、动态频谱分配等，本文的研究就是针对认知无线电的频谱共享展开的。
　　博弈论是一种通过建立数学模型，来帮助决策者分析和选择决策的有效工具，而认知无线电作为一项可以感知可用频谱、实时自适应改变自身系统工作参数来适应无线通信的新兴技术，在很多方面都涉及到策略的选择，频谱的选择就是其中的一种策略。
　　本文基于博弈理论，研究了认知无线电的频谱共享技术，并对算法进行了改进，主要工作如下:
　　(1)研究了次用户系统博弈下基于价格的频谱共享问题。次用户在共享主用户频谱时需要向其支付一定的费用，价格是一个很重要的因素。根据主用户制定的频谱价格，各次用户之间以最大化各自收益为目标，进行频谱数量的博弈。已有算法中主用户的价格函数没有代表主用户意愿的因子。本文增加考虑主用户共享频谱的意愿，改进了价格函数，这里的“意愿”代表了主用户共享频谱的积极性。通过引入积极性因子，各次用户不仅有着不同的价格函数，而且还可以根据积极性因子自适应调整。此外本文还讨论了纳什均衡的存在性和稳定性。仿真结果表明，频谱共享不仅由次用户的信道特性决定，还可根据主用户的意愿自适应变化。
　　(2)提出了一种基于供需平衡的认知无线电频谱共享新算法。该算法根据供需平衡理论，建立了主用户和次用户之间频谱共享的供需模型，以确定主用户出售频谱的价格。考虑了主用户的频谱总带宽、次用户终端剩余电量以及主用户对不同次用户在频谱接入中的信任度对频谱共享的影响，设计了新的次用户效用函数和频谱共享算法。从理论和仿真两个方面证明了频谱博弈均衡解的存在性和唯一性。仿真结果表明，主用户以均衡价格共享频谱可获得最大收益，同时主用户对次用户的信任度以及次用户的剩余电量会直接影响次用户共享的频谱数量。
　　(3)在主用户和次用户共享同一频段的认知无线电系统中，研究了次用户功率速率的联合控制问题。针对已有的干扰温度模型在降低主用户受到的干扰方面的不足，本文加强了主用户在干扰控制中的主观能动性。在次用户相互博弈，调整发射功率和传输速率，降低次用户之间干扰的同时，主用户对受到次用户的干扰进行监测，在保证不超过干扰门限的同时，设计了干扰惩罚因子，对其干扰越大的次用户受到的惩罚越大，进一步合理地分配次用户的发射功率，减少对主用户的干扰。仿真结果表明，提出的干扰博弈方法能够降低次用户的发射功率，减小对主用户产生的干扰，提高了主用户的系统容量。同时，在次用户网络内，因为发射功率的降低，次用户彼此的干扰减小，接收信干比有了一定的改善。
　　(4)分析了认知无线电中的协作频谱共享问题。运用协作博弈中的纳什讨价还价(Nash Bargaining)方法，对次用户的效用函数进行了改进，以最大化所有次用户的收益乘积为目标，建立了认知无线电系统中频谱共享的协作博弈算法，同时引入了次用户优先级参数。本文证明了在协作博弈过程中，新的效用函数存在纳什协商解且该解唯一。仿真结果表明，改进的协作博弈算法可以通过参数的设置来体现次用户之间的优先权，次用户之间可以协作地进行博弈，使频谱共享更加公平有效。

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第一章 绪论

1.1 认知无线电技术概述

1.2 认知无线电频谱共享技术

1.3 博弈论及其在无线通信中的应用

1.4 本文的框架结构与内容概要

第二章 博弈论在认知无线电中的应用

2.1 博弈论的基本知识

2.2 博弈的分类

2.3 博弈的解——纳什均衡

2.4 常见的博弈方法和模型

2.5 应用博弈论分析问题

2.6 认知无线电系统中频谱共享的博弈分析

2.7 本章小结

第三章 基于价格的次用户博弈频谱共享算法

3.1 系统模型

3.2 博弈算法设计

3.3 仿真与分析

3.4 算法改进

3.5 本章小结

第四章 基于供需平衡的频谱共享算法

4.1 频谱共享模型

4.2 频谱分配新算法

4.3 频谱博弈均衡解的存在性和唯一性

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第五章 基于干扰管理的功率速率联合控制博弈算法

5.1 基于干扰的功率速率联合控制博弈模型

5.2 基于干扰的功率速率联合控制新算法

5.3 仿真与性能分析

5.4 本章小结

第六章 认知无线电系统中的协作频谱共享博弈算法

6.1 协作频谱共享

6.2 协作频谱共享新算法

6.3 稳定性分析

6.4 仿真结果及分析

6.5 本章小结

第七章 结束语

7.1 全文总结

7.2 未来的研究工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的项目