基于博弈论的认知无线电频谱访问研究

摘要

认知无线电是近年新提出的一种无线通信的技术，它利用未授权通信用户的频谱感知能力，动态的自适应的使用空闲频谱资源，从而提高整个频谱的利用率。认知无线电用户可以感知外部环境，从环境中学习，并且根据环境的变化动态地调整其内部参数，比如工作频率、发射功率、调制方式等，以便在授权用户空闲时利用其频谱，并且在授权用户需要频谱时，及时的让出以避免对授权用户的干扰。 认知无线电的关键问题之一就是频谱访问技术。它是未授权用户在频谱感知得到的信息的基础上，智能的选择频段访问，并且在合适的时候进行通信。频谱访问技术是改善认知无线电频谱利用率的最关键的因素。 博弈论是应用数学的一个分支，它是研究市场竞争中，个体之间为了最大化自己的收益而进行相互竞争与合作的理论。在通信领域，由于广泛的存在着通信用户之间对有限的通信资源的竞争，因此可以有效的利用博弈论的模型和理论来解决这些问题。尤其是分布式的自主通信系统，其通信行为可以很好的用博弈论来建模和分析。 本文旨在讨论具有广泛应用背景的分布式认知无线电系统，在这种分布式的环境下，运用博弈论的来解决自主的认知无线电用户的频谱访问问题。具体而言，本文的主要工作有： 1.本文研究分析了分布式的通信系统模型，并用博弈论对其进行建模。我们将通信中的用户看成是自主的agent，它们可以自主的完成频谱感知、频谱分配、行为决策、信号发送等通信任务，多个智能化的agent构成了竞争使用无线频谱资源的网络，并且在博弈论的框架下完成一系列的通信任务。博弈的结果就是各个用户合理有效的分配到频谱资源。 2.我们将通信的重要性能指标一时间也做为频谱资源的一部分，从而将频谱的概念扩展到二维空间。基于这个二维空间下的博弈模型，我们提出了分布式Leaming-Bargajning博弈学习算法。各个用户在二维空间中根据该算法自主的决定通信的频谱和时间。对每个用户而言，它们的行为从时间和频谱的角度都是自己的效用尽量最大化；而对整个系统而言，所有用户的行为构成一个高效有序的通信过程。这种分布式的算法可以灵活应用到多种环境下，而不用增加一个中心控制器，此外，通过时间复杂度的分析，我们进一步证明了分布式博弈算法相对与集中式算法性能上的优越。 3.我们考虑了认知无线电通信中一种普遍出现的情况，即正在通信的用户和新到的用户之间对频谱资源的竞争。我们用Chain-store博弈建模，用市场竞争中的垄断企业和新兴企业来描述通信资源竞争中的两类用户。此外，我们引入一种共有信号机制来协调通信用户之间的行为，使之达到比Nash均衡性能更优的相关均衡。 本论文用博弈论的方法，提出了基于agent的认知无线电频谱访问框架，并在此框架下用相关的理论方法研究了频谱访问中的若干关键问题。本文是作者在中国科学技术大学攻读硕士期间的主要工作之总结，这些工作着眼于用理论的方法建模和分析实际问题，从模型和算法的层面对无线通信问题进行研究，对于认知无线电理论和应用基础方面的研究具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1认知无线电概述

1.1.1认知无线电基本概念

1.1.2认知无线电的认知循环

1.1.3认知无线电的关键技术

1.1.4认知无线电的应用

1.2认知无线电中的频谱访问问题

1.2.1频谱访问模型

1.2.2频谱访问的关键问题

1.3基于博弈论的频谱访问研究

1.3.1频谱访问问题的研究现状

1.3.2博弈论概述

1.3.3博弈论在频谱访问中的应用

1.4本文的主要研究内容和创新之处

1.5本文的组织结构和章节安排

1.6本章小结

第2章认知无线电频谱访问的博弈模型

2.1博弈论基本概念与模型

2.1.1博弈的基本要素

2.1.2 Nash均衡

2.1.3博弈学习理论

2.1.4相关均衡

2.2频谱访问问题的博弈模型框架

2.2.1分布式的认知无线电模型

2.2.2基于agent的认知无线电博弈模型

2.3本章小结

第3章二维频谱空间博弈学习模型及算法

3.1频谱的预分配问题

3.2场景描述和基本模型

3.2.1场景描述

3.2.2二维空间博弈模型

3.3 Learning-Bargaining分配算法

3.3.1博弈分配机制

3.3.2分布式博弈算法

3.3.3时间复杂度分析

3.4实验结果

3.4.1博弈学习收敛性实验

3.4.2算法性能对比实验

3.4.3时间效用函数对比实验

3.5本章小结

第4章基于连锁店博弈的频谱访问模型及算法

4.1引言

4.2信道分配的连锁店博弈模型

4.2.1场景描述

4.2.2连锁店博弈模型

4.3非合作博弈与Nash均衡

4.3.1纯策略均衡

4.3.2混合策略均衡

4.4协作算法与相关均衡

4.4.1协作算法

4.4.2信道分配博弈的相关均衡

4.4.3声誉效应和进一步讨论

4.5实验结果

4.5.1均衡结果比较

4.5.2算法的信道利用率比较

4.5.3算法的通信时间比较

4.6本章小结

第5章总结与展望

5.1本文的总结

5.2未来工作的展望

致谢

在读期间发表的学术论文与参加的科研项目

作者简历

索引