基于拍卖机制的认知无线电网络频谱资源管理

摘要

频谱感知、频谱决策、频谱共享和频谱搬移是认知无线电技术的四个基本功能，其中频谱决策和频谱共享也被统称为频谱管理。次级用户首先利用频谱感知挖掘可用频谱资源，再利用频谱管理合理分配频谱资源，最后利用频谱搬移避免对初级用户的传输产生有害影响。然而，认知无线电技术在实际部署过程中面临着如何才能激励初级用户开放授权频段的使用和如何在次级用户之间合理分配频谱资源来提升频谱利用效率这两点主要的挑战，第一点被称为激励问题，第二点被称为分配问题。为了解决上述问题，研究人员将微观经济学中拍卖机制的概念和模型引入到认知无线电网络的频谱资源管理研究中，让次级用户有偿使用初级用户的授权频段，从而进一步提升认知无线电网络的性能和实用性。已有的拍卖研究对频谱资源的假设往往较为简单，并没有充分考虑用户在频谱资源供需上的差异性。此外，如何在非集中式网络环境下实现频谱资源分配，以及如何在分配过程中兼顾多种频谱资源，也是基于拍卖机制的频谱资源管理研究领域中的重点问题。本文针对上述内容，对认知无线电网络中基于拍卖机制的频谱资源管理技术进行了深入详细的研究，主要内容包括:
　　1.研究了针对多属性信道的组合拍卖算法。认识到已有拍卖研究对频谱资源同质性的假设无法充分体现买卖双方在频谱资源供给/需求上的多样性，本文提出了利用属性值来体现频谱资源差异性的组合拍卖算法，具体而言:
　　1)利用“带宽、起始时间、结束时间”三个属性来描述单个信道，充分体现出初级用户/次级用户在频谱供给/频谱需求上的差异性;
　　2）基于Sigmoid函数，构建基于信道属性值的估值函数，用来估算次级用户对具有特定属性的信道的偏好;
　　3）允许次级用户投标包含多个信道的信道组合，设计了针对单信道-单次级用户场景下的组合拍卖算法，并证明拍卖算法实现了个人理性、预算均衡、买家用户诚实性和卖家用户弱诚实性;
　　4）将拍卖算法扩展到单信道-多次级用户场景中，允许多个时-频域需求不重叠的次级用户共享同一个信道或信道组合，设计了针对该场景的多轮组合拍卖机制，并实现了相同的经济学性质。
　　2.研究了分布式认知无线电网络中的带宽分配算法。考虑到实际环境中的网络更偏向于分布式结构，而优化问题的复杂性又使得部署或寻找合适的中心节点来执行集中式拍卖算法变得十分困难，本文提出了一种针对分布式网络环境的带宽拍卖机制，具体而言:
　　1）针对分布式网络环境特性，将整个认知无线电网络划分为若干个以单个初级用户为中心的次级网络;
　　2）每个次级网络内，初级用户通过不断调节单位带宽价格来控制网络内的带宽供需，并最终达到网络内带宽资源的供需平衡;
　　3）证明了当价格调节因子足够小时，所有次级网络最终均能达到供需平衡，并且完成带宽资源的最优分配;
　　4）将算法扩展到考虑用户QoS需求的场景，提升了算法的应用性。用户的QoS需求主要体现为带宽供给量/带宽需求量的限制。
　　3.研究了信道-功率联合资源分配算法。考虑到传统的频谱拍卖只研究了针对信道或者功率的单一资源分配，而次级用户往往同时对两种资源都有要求，本文提出了在分配过程中兼顾传输信道和传输功率的联合资源拍卖算法，具体而言:
　　1）当不考虑对初级用户的干扰时，将联合资源分配视为单边拍卖问题，并在模型中考虑了完全和不完全两种次级用户的需求类型;
　　2）设计了针对无初级用户干扰场景的拍卖算法，并证明拍卖算法实现了个人理性、预算均衡和用户诚实性;
　　3）将算法扩展到初级用户干扰受限的场景，此时联合资源分配被视为双边拍卖问题，并考虑了次级用户单信道和多信道两种需求类型;
　　4）分别设计了针对单信道和多信道两种需求类型的双边拍卖算法，并实现了相同的经济学性质。

目录

声明

致谢

摘要

缩略语

1 引言

1．1 认知无线电技术

1．1．1 认知无线电技术的提出

1．1．2 研究现状

1．2 频谱资源管理及其研究意义

1．3 论文主要工作和章节安排

2 拍卖机制概述

2．1 拍卖机制的原理

2．1．1 拍卖机制的基本概念和性质

2．1．2 拍卖机制的分类

2．1．3 拍卖资源的分类

2．2 拍卖机制的研究与应用现状

2．2．1 VCG拍卖

2．2．2 Myerson拍卖

2．2．3 McAfee拍卖

2．2．4 组合拍卖机制

2．3 本章小结

3 基于组合拍卖机制的多属性信道分配算法研究

3．1 引言

3．2 网络模型与研究问题

3．3 单信道-单次级用户场景下的信道拍卖算法设计

3．3．1 基于属性值的估值函数设计

3．3．2 算法概述

3．3．3 算法设计方法

3．3．4 算法经济性能分析

3．4 单信道-多次级用户场景下的信道拍卖算法设计

3．4．1 单信道-多次级用户场景下的估值函数设计

3．4．2 赢家决策

3．4．3 价格出清

3．4．4 算法经济性能分析

3．5 算法仿真与性能分析

3．5．1 单信道-单次级用户场景拍卖算法

3．5．2 单信道-多次级用户场景拍卖算法

3．6 本章小结

4 分布式认知无线电网络中的带宽分配算法研究

4．1 引言

4．2 基于多轮拍卖机制的带宽分配算法设计

4．2．1 网络模型与研究问题

4．2．2 算法设计方案

4．2．3 算法理论分析

4．3 考虑用户QoS需求时的分配算法扩展

4．3．1 网络模型和研究问题

4．3．2 算法设计方案

4．3．3 算法仿真与性能分析

4．4 本章小结

5 信道-功率联合资源分配算法研究

5．1 引言

5．2 无初级用户干扰场景下的联合资源分配算法设计

5．2．1 网络模型与研究问题

5．2．2 算法设计方案

5．2．3 算法经济性能分析

5．2．4 算法仿真与性能分析

5．3 初级用户干扰受限条件下的联合资源分配算法设计

5．3．1 网络模型和研究问题

5．3．2 次级用户单信道需求场景下的拍卖机制设计

5．3．3 次级用户多信道需求场景下的拍卖机制设计

5．3．4 算法仿真与性能分析

5．4 本章小结

6 结论

6．1 论文的研究总结

6．2 下一步研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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