认知分布式天线系统的频谱拍卖算法研究

摘要

近年来，无线通信技术的发展对频谱的需求及传输速率的要求越来越高。认知无线电通过将授权用户（主用户）的频带分配给未授权用户（次用户）使用，能有效提高频谱利用率，另外分布式天线系统通过将各天线单元分散放置，可减小传输功率，提供更高的传输速率。而认知分布式天线系统将认知无线电应用到分布式天线系统中，能解决传统认知无线电中次用户对主用户的干扰问题，保证次用户自身通信性能，同时还能提高分布式天线系统中的频谱利用率。
　　在认知分布式天线系统中如何进行频谱资源的分配是需要解决的问题，由于拍卖理论的公平性及有效性，利用拍卖理论进行频谱分配将能保证频谱资源在认知分布式天线系统中的次用户之间公平及合理分配，因此本文主要在认知分布式天线系统中进行频谱拍卖的研究，将认知无线电中主用户的频带以拍卖的方式分配给分布式天线下的次用户，并且进行基于博弈论的波束成形及功率分配的研究增加次用户赢得频带的机会，控制对主用户的干扰，提高系统性能。本文的研究成果概括如下：
　　针对认知分布式天线系统下频谱资源分配的问题，本文构建了认知分布式天线系统频谱拍卖模型，在该系统模型中次用户通过竞拍方式赢得主用户的频带，从而实现分布式天线系统下的次用户的通信服务。首先次用户根据出价函数对频带进行出价，之后我们建立了最大化频谱拍卖收益的目标函数。由于该优化问题是NP难的，因此利用拉格朗日松弛算法求解，得到频带分配的近似最优解。仿真结果证明了本文所提出的拉格朗日松弛算法在频谱拍卖中的有效性。
　　另外考虑到次用户因为出价低而未能赢得频带的情况，并且为使次用户使用频谱通信时能得到更好的效益，同时控制对主用户的干扰问题，本文对次用户进行基于博弈论的波束成形及功率分配研究，使次用户在下一轮竞拍中提高出价，更有机会赢得频带，本文构建了最大化次用户效用的目标函数，并利用博弈论进行分析，在数学角度验证了纳什均衡的存在之后，提出基于博弈论的功率分配及公平机制的波束成形矢量。仿真结果表明，通过优化之后频谱拍卖能得到更高的收益，并且次用户的效益达到最大化。

目录

第一章 绪论

§1.1 研究背景

§1.2 国内外研究现状

§1.3 研究目的及意义

§1.4本文主要研究内容及章节安排

第二章 相关技术简介

§2.1认知无线电简介

§2.2认知分布式天线技术简介

§2.3博弈理论简介

§2.4拍卖理论及频谱拍卖

§2.5本章小结

第三章 认知分布式天线系统的频谱拍卖算法研究

§3.1认知分布式天线系统模型

§3.2频谱拍卖系统模型

§3.3频谱拍卖优化问题

§3.4拉格朗日松弛算法

§3.5仿真结果与分析

§3.6本章小结

第四章 基于频谱拍卖的联合波束成形及功率分配算法

§4.1系统模型

§4.2优化问题分析

§4.3博弈论模型

§4.4联合波束成形及功率分配算法

§4.5仿真结果与分析

§4.6本章小结

第五章 总结与展望

§5.1工作总结

§5.2未来展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果