华北电力大学本科毕业设计（论文）
华北电力大学
题目：认知网络下的频谱资源管理
英文题目：Research On Spectrum Management Technology In Cognitive
Nectwork
院系：电气与电子工程学院
专业班级：通信1203班
姓名：张靖
指导老师：樊冰
华北电力大学本科毕业设计（论文）
摘要
随着通信行业的迅速发展，频谱的资源正在不断减少。研究者们发现频谱的资源是有限的而且频谱的利用率也很低下。既然频谱的有限性无法改变，那么就只能想办法来提高频谱的利用率。因而，研究者提出认知无线技术。将认知无线电作为下一代的通信技术，它可以有效的利用时间和其他因素上的空闲频谱，解决频谱紧张的问题。所谓认知无线电技术就是未授权次用户用户拥有了认知能力，对周围的环境可以自我感知，从而当授权的主用户没用利用其频谱时，在不干扰主用户的正常感知下，对主用户的频谱进行利用，提高频谱利用率的方式。在本文中，我们 将介绍几个解决频谱分配的技术。本文主要来介绍图论。 首先研究了CR用户的几个不同模型，主要有博弈论模型，拍卖模型和图论着色模型。本文将主要对图论着色模型进行介绍。文章接着对图论模型的算法进行了介绍，之后并对这些算法的优缺点进行分析，从用户公平性，和系统总开销等方面进行分析。之后对图论模型用数学矩阵来进行建模，在兼顾总效益的情况下，引入权重系数，介绍了一种基于公平性的新算法，该算法提高了认知用户频谱分配的公平性。最后对新算法以及之前所介绍的算法进行仿真，从而得出结论，改进的新算法在公平性和总效益两个方面都要优于之前的算法。
关键词：认知无线网络；频谱效益；公平性；权重系数。
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Abstract
With the rapid development of communication the amount of spectrum resources become fewer and fewer. Rsearchers find that the limition of spectrum resource.Since we can not increase the amount of spectrum ，so we only to find some ways to promot the utilization of spectrum resources.And we proposed a technology named cognitive radio network. We think it as next generation telecommunication technology. It could effectivity use their free time and other facers on the spectrum to slove the problem of spectrum shortage.The so-called cognitive radio technology is that unauthorized user has the ability that could perceive its ambient environment.when the authorized users do not use his own spectrum ,the unauthorized users will use the spectrum resources to promote the improvement of spectrum utilization on the premise that the behavior would not affect authorized users. In this article,we will describe several technologies to slove the problem of spectrum allocation.And we will mainly describe the guaph theory.
At first,we studied several different models of CR users,game theoretic model,auction model and graph coloring model.this article will mainly focus on the graph coloring model.Then the graph model coloring model are introduced.,and the article will analize the advantages and disadvantages of these algorithms from the user fairness and system overhead .The graph model will modeled by mathematical modeling matrix.In the satisfaction of total benefits, the article introduce of weight coefficient.This paper introduces a new algorithm based on fairness, the algorithm improves the fairness of spectrum allocation in cognitive users. At last the new algorithm and the algorithm presented before will make some simulation. Draw a conclusion, the new algorithm is better than the previous algorithm in two aspects of fairness and total benefits.
Keywords:cognitive radio network；spectral efficiency；fairness；weighting factor.
II
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目录
摘要…………………………………………………………………………………………ⅰ ABSTRACT……………………………………………………………………………………ⅱ 目录…………………………………………………………………………………………ⅲ
第一章 绪论…………………………………………………………………………4 1.1选题背景和意义 …………………………………………………………….4 1.2提高频谱利用的有效方法……………………………………………………5 1.3认知无线网概述和国内外现状………………………………………………5 1.4论文结构安排………………………………………………………………9 第二章 认知无线电的关键技术………………………………………………………10 2.1认知无线电模型…………………………………………………………10 2.2谱分配基本技术…………………………………………………………11 2.3认知无线网频谱分配模型介绍…………………………………………12 2.3.1博弈论模型………………………………………………………12 2.3.2 拍卖模型…………………………………………………………12 2.3.4 图论着色模型……………………………………………………13 2.4本章总结…………………………………………………………………13 第三章 图论着色算法…………………………………………………………………13 3.1图论模型………………………………………………………………………14 3.1.1图论模型的数学介绍………………………………………………………15 3.2经典图论频谱分配算法………………………………………………………16 3.2.1着色列表算法……………………………………………………………16 3.2.1.1着色贪婪算法………………………………………………………16 3.2.1.2 着色公平算法………………………………………………………17 3.3CMSB准则算法…………………………………………………………………19 3.4改进型算法研究………………………………………………………………20 3.5本章小结………………………………………… ……………………………23 第四章 性能分析及仿真……………………………………………………………………23 4.1参数设置………………………………………………………………………23 4.2关于算法效益的仿真…………………………………………………………14 4.3关于算法公平性的仿真………………………………………………………26 4.4本章总结………………………………………………………………………28 第五章 总结………………………………………………………………………………29 感谢…………………………………………………………………………………………30 参考文献……………………………………………………………………………………31
III
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第一章 绪论
1.1 选题背景和意义
无线通信技术开始于1895年，经过100多年的发展，它在不断的满足人们的发展要求。其通信标准经历了4个标准。
第一代（1st Generation）网络是蜂窝移动网。第二代（2nd Generation）通信系统主要的特点是以数字化为核心的技术。代表性的有时分多址TDMA和码分多址CDMA。由2.5G（General Packet Radio Service）过渡到第三代（3rd Generation）移动通信系统。以及由3.9G过渡到4G（4th Generation）的移移动通信标准。
随着通信网的发展，当前的无线通信技术飞速发展，无线服务的方向发展越来越多元化，例如高清视频，高清图片等方向。因此目前的频谱管理方式需要进行改变。
无线频谱资源是一种十分宝贵，十分有限的资源，它并不属于可再生资源。因此，人们必须更加珍惜，并吝啬的去使用它。随着通信行业的快速发展，人们对通信的要求越来越高，对网络的实时性，有效性和可靠性也有了很大的要求。因此，这种爆发的现象无疑加大了对频谱资源的需求，也造成了频谱资源的捉肘见襟。让频谱资源的使用陷入尴尬的现状。
与此同时，长期存在的异构网也需要网络资源的分配，因此加剧了频谱资源利用的矛盾，网络频谱资源分配面临重大的考验。从而诞生的认知网会成为一种解决该问题的有效手段。
为了进一步提高业务数据的传输速率,提高频谱资源利用率成为决定性的存在。然而近期调查发现,由于采用固定频谱分配策略（Fixed Spectrum Allocation，FAS）无限频谱资源由政府机构负责分配和授权使。虽然这种固定频谱分配方法简单且易行，但是频谱利用率低下。导致大量的频谱在时空领域没有被充分利用,频谱上依旧有着相当一部分没有被利用，存在着“白洞”。这种现象使得频谱使用率低下，造成了不必要的浪分。例如在某些地方，虽然政府为其分配了30MHz~3Ghz的频谱，但是在这频谱中，其开发率仅有13.1%。目前频谱被分成了两个部分:批注频段和不批准频段。我们所熟知的广播电视台就是作为被批准了的频段而存在着。
因此，频谱资源在分配和利用时的不平衡现象致使目前的频谱资源变的十分紧张。因此，如果可以提高频谱的分配效率和性能，那将会有效的解决频谱资源紧张的问题。
1.2提高频谱利用效率的方法
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