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参考文献 ...................................................................................................................... 20 附录 .............................................................................................................................. 22 附录1 多个认知用户的仿真程序 ..................................................................... 22
附录2 多个授权用户的仿真程序..................................................................... 33
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第1章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
随着无线通信技术在日常生活中的广泛应用，特别是近年无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个人局域网.技术的不断发展，越来越多的人使用这些技术以无线的方式接入互联网。这些通信网络技术大多使用非授权的频段来工作，随着无线电用户和无线电新业务不断增加，虽然无线频谱拥有很大的带宽，但是频谱资源匮乏问题仍然变得日益严重，频谱资源分配已经趋于饱和状态。为了有效提高频谱的利用率，认知无线电技术提供了一种有效解决有限的频谱资源紧缺的方法，它可以充分利用没用或者只有很少的通信业务的已授权频段，共享授权频谱资源。未授权的无线电用户（即认知用户）通过对周围无线环境的感
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知，自适应的改变自身的通信参数，在保证他的通信不会影响到其他已授权用户（即主用户）通信的条件下，借用已授权用户的频谱资源，达到共享频谱的目的。 本设计基于博弈论，进一步的研究分析认知无线电中的关键技术频谱共享问题。
1.2 国内外研究现状
在认知无线电网络中，认知用户“借用的”主用户的频谱是动态变化的,所以如何灵活、公平的把空闲的频谱分配给认知用户显得尤为重要。目前，频谱分配模型主要有俩个研究方向：一个是考虑用户公平性的博弈论、拍卖竞价频谱分配模型；另一个是从避免系统干扰角度考虑的图论着色频谱分配模型。
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在国外，2005年Kloeck等人利用定价拍卖原理来研究认知无线电频谱共享机制，为了反映用户的动态性而建立了一个系统模型，将频谱的定价、分配和计费合为一体，有效地解决了频谱共享问题；2005年Clemens等人利用博弈论模型进行分析分布式动态频谱共享算法，把无线电用户之间的相互行为建模为一个有两个参与者的重复博弈，通过遗传算法求得频谱共享方案，在重复博弈中取得最佳的系统性能；2006年Chen等人基于图论着色理论，结合本地议价算法实现了一种称为本地议价和预分配的频谱分配方案，目的是想要避免WRAN小区内或小区间的干扰，此方案可以保证用户间的竞争公平性，减小系统复杂性，并且满足用户对频谱带宽的需求；2007年Etkin等人进行研究了非合作博弈论模型，分别实现了一次博弈和重复博弈模型，并在重复博弈中利用惩罚策略可以取得公平高效的工作点；2007年Niyato等人通过建立博弈论古诺模型，进行研究了在授权频段对多个次用户和一个主用户间的频谱共享的问题，提出了动态博弈算法和静态博弈算法，具有较好的稳定性和公平性；2008年Niyato等人还在伯川德博弈模型中分别建立了合作博弈、市场均衡、竞争，对多个主用户和一个次用户之间的频谱共享问题进行分析研究，指出在竞争博弈中存在效率低的问题，合作博弈能够实现高效率的频谱共享。
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在国内，2005年Cao等人在基于定价拍卖的模型，采用公平的业务保证机制提出了本地议价算法，与原来的最优化方法基于拓扑相比，可以达到相近的系2005年Wang和Liu利用图着色模型提统性能的同时降低了50%的系统复杂度；
出了分布式贪婪算法、分布式随机算法、分布式公平算法三种频谱共享算法，分别可以在保持一定频谱利用率、取得最高频谱利用率的同时，提高公平性、降低通信开销和系统复杂性；2006年Peng和Zheng等人采用图着色理论进行建模并提出了分布式频谱共享算法，仿真表明分布式算法能够达到和集中式算法相同的性能，同时降低了系统复杂性；2007年Tian等人通过建立博弈论模型研究分析认知无线电中频谱共享算法，对多个次用户之间在授权频段的频谱共享问题，提出了一种加权比例公平算法，实现了频谱共享的公平性、高效性；2007年Guo等人基于图论着色原理建立了合作式频谱共享模型，并对以上三种算法进行改进提出了一种快速信道调整算法，能够在保证公平性和吞吐量性能的前提下明显减小通信开销；2008年Qin将博弈论模型应用于分析认知无线电频谱共享，建立了伯川德博弈论模型，实现了静态和动态的博弈算法，提高频谱利用率。
1.3 本文的内容
本文共分6章，第1章是绪论，介绍研究的研究目的意义，认知无线电的国内外研究现状。最后1章为结论，第2章至第5章为本文的重点，主要内容包括:
第2章介绍认知无线电，及其关键技术，并对关键技术中的频谱共享技术进行了介绍。
第3章博弈论基本原理及应用，介绍了博弈论的概念，以及纳什均衡，描述 了常见的博弈模型。
第4章多个认知用户间的频谱共享策略，这是本论文的重点。主要探讨了多 个认知用户共享一个授权用户频谱出现的博弈问题，本文采用古诺博弈模型来解 决。
第5章多个授权用户和认知用户的频谱共享策略，这也是本论文的重点。主 要研究了如何结合超模博弈来研究多个认知用户和多个授权用户的频谱共享策略的问题。
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第2章 认知无线电技术
2.1 认知无线电的概念
认知无线电的概念最初是由Joseph Mitola博士在软件无线电技术基础上提出来的，美国联邦通信委员会(FCC)则定义任何具有自适应频谱感知能力的无线电为认知无线电，即“认知无线电是指能够与工作环境进行交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电设备，但对认知无线电设备而言，不一定必须具有软件或者现场可编程的要求。”
认知无线电中把频谱分为授权频谱和非授权频谱。授权频谱是指那些被通信运营商支付一定费用所拥有的频段，非授权频谱是指可提供给任何用户免费使用的频段。拥有授权频谱的用户称为主用户；不拥有任何频谱，而通过认知无线电技术对空闲频段进行择机利用或共享的用户称为次用户或认知用户。
2.2 认知无线电的关键技术
认知无线电系统具有信息获取、学习、决策和调整的能力，能够充分利用时域、频域和空域上的空闲频谱，使用户有能力择机利用或共享频谱资源。认知无线电系统应该具有频谱感知(检测)、频谱管理、频谱共享和频谱移动性四个关键技术。
（1）频谱感知(检测)技术，频谱检测主要功能是检测可用的频谱空洞以及主用户的活跃状态信息。认知用户的优先级低于主用户，认知用户除了要检测出授权频段的空闲频谱，还需要能够检测出授权用户的出现。这就要求认知用户能够对频谱实时连续地侦听，提高频谱检测可靠性，可靠检测概率要求达到99.9%。 （2）频谱管理，频谱管理主要包括频谱分析、频谱决策。空闲的频谱包括授权频谱和非授权频谱，根据时变的无线通信环境、和工作频带信息(工作频率、占用带宽)的变化，通过频谱检测侦听到的空闲的频谱具有不同的特征，认知用户在频谱感知的基础上对频谱进行频谱分析，最后根据用户的需求在所有可用信道中决策出最佳信道进行传输。
（3）频谱共享，频谱共享主要解决多个用户之间协同接入某段空闲频带的问题，它包括主用户和认知用户之间、认知用户之间协同接入的共享问题。通过频谱共享实现对频谱资源的再利用，有效解决频谱利用率低和频谱稀缺的问题。频谱共享本质上是一种多目标优化问题，包括频谱分配和频谱接入两个方面，频谱分配不仅仅取决于感知到的频谱空洞的特性，还要考虑接入是否公平和有效、干扰是否最小等一系列因素。近年来许多学者在频谱共享方面进行了多方面的研究工作，但仍存在许多没有解决的问题。
（4）频谱切换，认知无线电系统中的认知用户动态地选择最佳频段进行通信，当信道条件变差或检测到授权用户要求使用当前次用户占用的通信频段时，认知
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用户需要切换到其它就需要设计有效的频谱切换算法，满足认知用户的通信需求。
2.3 认知无线电频谱共享常见模型
频谱共享技术是认知无线电的关键技术之一，认知用户通过择机使用主用户的授权频谱，对不可再生的频谱资源实现再利用，能够有效解决频谱稀缺和利用率低下的问题。本章将介绍认知无线电常用频谱共享模型。常见认知无线电频谱共享模型如下： （1）干扰温度模型
干扰温度模型是2003 年FCC 引入，用来量化和管理干扰。采用该模型，工作在授权频段的认知无线电设备可以根据感知当前环境中所检测到的干扰，相应调整发射机的发射参数，保证对主用户的干扰不超过干扰温度门限。在干扰温度模型中，干扰温度门限是受到发射功率和带宽的限制的。 （2）图论着色模型
图论着色模型经过移动蜂窝时代的使用和发展，已经成为一个相对成熟的频谱分配模型。该模型将认知无线用户抽象成拓扑图，图中的每一个顶点对应一个用户，若两个顶点间有连线，表示相应点对应的两个用户间存在冲突或者干扰。实际的网络环境是纷繁复杂的，用户的分布是随机的，而且可能用户的位置也随着时间发生变化，因此拓扑图也是不断变化的。这种变化可以通过系统周期性检测获得，并通过交互实时信息来更新每个用户的信息。 （3）基于拍卖的竞价模型
近年来，诸如拍卖等基于微观经济的无线资源分配机制被广泛关注，一些论文的研究表明这种竞价模型能够有效分配认知无线电网络的可用信道和功率。在该模型中，认知无线电用户是竞价者，中心控制节点是拍卖人。在一次拍卖中，每个投标者为了满足自身需求，或者大化网络的收益，相继给频谱资源一个合理的价格，终以合理的价格成功竞标。 （4）博弈论模型
博弈论作为一种用于决策分析的数学方法，在经济学、生物学等学科中有着广泛的应用，主要研究个体竞争中的优化策略。同时在无线通信中为分析动态资源管理的问题提供了新思路。本文就是利用博弈论思想来分配认知无线电网络中的频谱资源。该模型适用于分布式认知无线电系统中，各用户自私竞争频谱，并根据获得的信息独立地做出反应。效用函数是博弈论的主要要素之一，在用博弈论分析问题时，需要选择具有物理意义的、使博弈算法具有均衡收敛的函数作为效用函数，例如分析认知无线电的频谱分配问题时，需要考虑可用的频谱带宽、信道数、授权用户的位置、信道质量等等。
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