摘要
摘 要
随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。
本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。
本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。然后介绍了现有频谱分配模型以及基于图论着色的频谱分配算法，并分析了现有算法的优缺点。
针对现有算法的不足，本文提出了一种基于用户需求的频谱分配改进算法以及一种基于用户等待时间的频谱分配算法。文章详细的描述了两种算法的设计过程，给出了详细的算法步骤，并对算法性能做了定性的分析。仿真结果证明基于用户需求的频谱分配改进算法大幅度的降低了未满足的需求总量，更好的满足了用户的需求；基于用户等待时间的频谱分配算法在频谱资源比较紧张的时候，并在总效用损失不大的前提下，提高了系统的公平性，用户不会陷于长时间的等待。 关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
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Abstract
Abstract
With the rapidly
development
of wireless mobile communication
technology,anincreasingly severe problem of scarceness of wireless spectrum placed in front of us. But on theother hand, there are different levels of idle in Space and time.Therefore people proposed cognitive radio technology.Users in Cognitive radio networks can sense the wireless environment,and accesses the spectrum opportunistically, so the technology can improve spectrum efficiency and use spectrum in flexibility.
This paper mainly researches dynamic spectrum allocation algorithm in cognitive radio network. The flexible application of spectrum expects the cognitive radio system dynamically allocate the spectrum resource, at the same time, to help retreat and switch when primary users to present themselves. Therefore, the spectrum allocation becomes the key technology to use idle spectrum efficiently.
This paper first introduces cognitive radio briefly, including the concept, function and development, and then introduces the existing model of the spectrum allocation and the spectrum allocation algorithm based on graph coloring theory. After that, this paper analyzes the advantages and disadvantages of existing algorithms.
According to the disadvantages of the existing algorithms, this paper proposes a modified algorithm considering user demand and a spectrum allocation algorithm based on users waiting time. This paper describes the design process and algorithm steps of the two algorithms in detail,and has done a qualitative analysis for the performance of the two algorithms. Simulation results show that modified algorithm considering user demand can make total unsatisfied demand decrease greatly and satisfy the user demand better. Under the premise of little loss in total utility, spectrum allocation algorithm based on users waiting time can improve the system fairness and keep users will not fall into a long wait, when the Spectrum resources is short. Keyword: cognitive radio, spectrum allocation, graph coloring, user demand, fairness
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目录
目录
摘 要 ............................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II
1绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1认知无线电的概念 ............................................................................................ 1 1.2认知无线电的基本技术和功能 ........................................................................ 3
1.2.1 频谱感知能力 ......................................................................................... 3 1.2.2功能的可重配能力 .................................................................................. 4 1.3认知无线电的国内外相关研究 ........................................................................ 4
1.3.1认知无线电的标准化进程 ...................................................................... 4 1.3.2 国外的研究现状 ..................................................................................... 5 1.3.3 国内研究现状 ......................................................................................... 6
2认知无线电网络的频谱分配 ...................................................................................... 7
2.1 认知无线电网络的频谱共享模型 ................................................................... 7 2.2频谱分配技术划分 ............................................................................................ 8 2.3频谱分配原则 .................................................................................................. 10 2.4几种常见的频谱分配算法模型 ...................................................................... 11
2.4.1图论着色模型 ........................................................................................ 11 2.4.2干扰温度模型 ........................................................................................ 11 2.4.3拍卖竞价模型 ........................................................................................ 12
3基于图论着色的频谱分配算法 ................................................................................ 13
3.1基于图论着色的频谱分配算法的数学模型 .................................................. 13 3.2基于图论着色模型的现有部分算法 .............................................................. 14
3.2.1列表着色算法 ........................................................................................ 14 3.2.2敏感的图论着色（CSGC）算法 .......................................................... 18 3.2.3分布式局部议价频谱分配算法 ............................................................ 20 3.2.4基于图论的部分频谱分配算法 ............................................................ 21 3.3对现有基于图论着色模型算法的分析与总结 .............................................. 24
3.3.1以优化吞吐量为目标的频谱分配算法 ................................................ 25 3.3.2以优化公平性为目标的频谱分配算法 ................................................ 25 3.3.3以优化复杂度为目标的频谱分配算法 ................................................ 26
结论 ............................................................................................................................... 27
致谢 ............................................................................................................................... 28 参考文献 ....................................................................................................................... 29
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河北工程大学毕业设计论文
1绪论
随着无线通信技术的飞速发展，使得无线频谱成为越来越紧缺的资源，认知无线电Cognitive Radio,CR)就是在这样的一个背景下产生的。所谓认知无线电就是具有认知功能的SU(Secondary User，次用户)，并在不干扰PU (Primary User，主用户)的条件下，对已授权频段在频域、时域和空域中侦测出可被利用的频谱资源，并按照某种“伺机Copportunistic Way”方式进入在这些已授权的频段内，合理的使用这些“频谱空洞”。
现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。
1.1认知无线电的概念
无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。
认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。他认为：“认知无线电这个术语是指这么一个观点，即在无线资源和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为无线传输自动选择最好和最便宜的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延迟或提前某次传输。”
以Rieser为首的维吉尼亚技术中心认为CR不一定需要SDR的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制(MAC，MediaAccess Control)子层的演进过程建模，更适用于可快速部署的灾难
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河北工程大学毕业设计论文
通信系统。
而FCC在2003年5月召开的认知无线电研讨会上建议只要能够具有自适应频谱感知功能的任意一无线电就可称为是CR。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用CR技术实现开放频谱系统，即合法的授权用户具有高的优先权接入频谱，而具有CR功能的非授权用户可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入频谱。目前CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。
2005年著名学者SimonHaykin教授结合大家对认知无线电的认识和理解，从信号处理的角度在文献[4]重新定义了认知无线电。他认为认知无线电是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到任何时间任何地点高度可靠通信和频谱有效利用的目的。图1-1描述了SimonHaykin教授提出的认知模型。
总得来说，认知无线电就是具有认知和学习能力的无线系统，能实时、动态的检测到无线频谱空洞，并根据一定的策略算法，实时、自适应得改变自身工作参数，对频谱空洞加以有效利用的无线电。
图1-1认知环模型
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