非合作無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)可以提高頻譜使用效率，近年來(lái)在學(xué)術(shù)界及工業(yè)界受到越來(lái)越多的關(guān)注與研究。頻譜共享是無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究的核心內(nèi)容，主要解決授權(quán)頻段內(nèi)主用戶與無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中次用戶間以及各次用戶之間的頻譜獲取與使用的問(wèn)題。本文研究非合作場(chǎng)景下的頻譜共享，主要解決理性用戶之間在缺少合作意愿的情況下如何獨(dú)立決策實(shí)現(xiàn)高效頻譜共享。我們從頻譜共享過(guò)程中的三個(gè)方面展開(kāi)研究，分別對(duì)應(yīng)頻譜獲取、信道劃分與分配以及對(duì)構(gòu)建信道的接入。對(duì)于頻譜獲取問(wèn)

2、題我們主要考慮基于頻譜交易的模式下，當(dāng)用戶預(yù)算受限時(shí)如何使更多用戶獲得頻譜；在獲得頻譜資源后，我們主要研究各個(gè)次用戶如何將其劃分成不同帶寬的信道并進(jìn)行分配；最后針對(duì)用戶構(gòu)建的異構(gòu)信道研究如何實(shí)現(xiàn)高效接入問(wèn)題。論文的主要工作和創(chuàng)新成果包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)預(yù)算受限下次用戶的頻譜交易模型與算法。頻譜交易是次用戶獲取頻譜資源的重要方式，然而現(xiàn)有工作中很少考慮次用戶預(yù)算對(duì)頻譜交易的影響。由于頻譜資源非常昂貴，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中次用戶可能

3、由于預(yù)算有限而無(wú)力承擔(dān)頻譜交易費(fèi)用，最終導(dǎo)致無(wú)法獲取可用頻譜資源。針對(duì)用戶預(yù)算受限導(dǎo)致交易成功率降低的問(wèn)題，我們將頻譜交易劃分為兩級(jí)交易市場(chǎng)，針對(duì)不同市場(chǎng)結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)了新的頻譜交易機(jī)制來(lái)提高交易成功率。其基本思想是通過(guò)多個(gè)次用戶共同購(gòu)買一個(gè)信道來(lái)分?jǐn)傂诺澜灰壮杀尽Ｔ谝患?jí)頻譜市場(chǎng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了主用戶與次用戶間的團(tuán)購(gòu)拍賣模型COSTAG，研究用戶分組規(guī)則與支付規(guī)則來(lái)構(gòu)建參與團(tuán)購(gòu)的用戶分組以及分組內(nèi)每個(gè)用戶應(yīng)分?jǐn)偟膬r(jià)格。與現(xiàn)有工作相比，COS

4、TAG能夠保證拍賣過(guò)程中的群組誠(chéng)實(shí)性，提高頻譜交易成功率以及主用戶收益。在次級(jí)頻譜市場(chǎng)中我們?cè)O(shè)計(jì)了針對(duì)次用戶之間的頻譜轉(zhuǎn)租博弈模型SSG，使得多個(gè)次用戶能夠以轉(zhuǎn)租的形式共同分?jǐn)傤l譜交易成本。我們采用MLMF模型構(gòu)建用戶間的博弈關(guān)系，利用用戶間的共享約束策略空間屬性證明了該博弈存在納什均衡點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的分布式算法使得用戶基于局部信息可以收斂到該均衡點(diǎn)。
　　(2)信道分配過(guò)程中的用戶競(jìng)爭(zhēng)策略研究。在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，

5、次用戶的信道通常由不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商分配。不同的信道分配方式下用戶的關(guān)聯(lián)結(jié)果不同，導(dǎo)致各個(gè)服務(wù)商的收益也不相同，因此在信道分配過(guò)程中存在對(duì)次用戶的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題?，F(xiàn)有工作都采用價(jià)格控制策略解決服務(wù)商間的競(jìng)爭(zhēng)，但由于激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)會(huì)降低服務(wù)商收益，且同一服務(wù)商對(duì)不同用戶只能設(shè)置相同價(jià)格而導(dǎo)致資源分配效率降低。我們?cè)诒疚闹惺状翁岢鐾ㄟ^(guò)信道預(yù)分配實(shí)現(xiàn)服務(wù)商間基于服務(wù)質(zhì)量差異的用戶競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。通過(guò)對(duì)Blotto博弈進(jìn)行擴(kuò)展來(lái)構(gòu)建服務(wù)商間的競(jìng)爭(zhēng)博弈模型，研究

6、用戶及服務(wù)商在異構(gòu)信道及有限頻譜預(yù)算下的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)策略，并給出了純策略下Nash均衡存在條件。利用服務(wù)商收益函數(shù)的互補(bǔ)連續(xù)特性，證明了在混合策略下該博弈的Nash均衡解是存在的，從而證明本文中提出的基于頻譜預(yù)分配的用戶競(jìng)爭(zhēng)策略可行。最后基于虛擬博弈設(shè)計(jì)了分布式算法EFPA，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方式下的迭代關(guān)系求解預(yù)算約束下多維非零和博弈均衡。
　　(3)研究信道重構(gòu)模式下的頻譜分配博弈。在基于認(rèn)知無(wú)線電的非合作Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，用戶使用信

7、道的帶寬與頻率通常由自己選擇，在這種情況下用戶為了獲得更高速率通常選擇占用更多頻譜資源，導(dǎo)致信道劃分與選擇過(guò)程中的“公地悲劇”問(wèn)題。現(xiàn)有工作采用全局控制器或價(jià)格干預(yù)機(jī)制限制用戶占用過(guò)多信道，但在非合作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶不會(huì)主動(dòng)犧牲自己的收益，因而這些措施較難實(shí)現(xiàn)。我們研究在非合作網(wǎng)絡(luò)中給定可用頻譜后各個(gè)用戶如何構(gòu)建不同帶寬與頻率的信道選擇問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于非合作博弈的自適應(yīng)頻譜分配模型。用戶間的選擇是完全獨(dú)立的，以各自吞吐量最大化為目標(biāo)。

8、不同于現(xiàn)有工作，該博弈模型基于跨層設(shè)計(jì)思想構(gòu)建用戶收益函數(shù)，在不依賴外部干預(yù)機(jī)制的情況下能夠避免用戶選擇過(guò)多頻譜。通過(guò)將該信道劃分與選擇問(wèn)題歸約為位勢(shì)博弈，我們證明了其博弈過(guò)程存在純策略Nash均衡點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了分布式算法使得每個(gè)用戶通過(guò)異步增益響應(yīng)即可收斂到均衡點(diǎn)。
　　(4)設(shè)計(jì)了面向信道重構(gòu)的接入控制協(xié)議CH-MAC。在具有基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，同一網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)由各用戶選擇不同頻率與帶寬的信道通信，不僅能夠提高頻譜使用效

9、率，還可以解決傳統(tǒng)單信道接入模式下，單元內(nèi)因缺少公共信道而使部分用戶無(wú)法接入的問(wèn)題。但對(duì)于這種異構(gòu)多信道如何實(shí)現(xiàn)高效接入是亟待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于嚴(yán)格時(shí)間同步以及基站的集中式控制模式可以實(shí)現(xiàn)這種單元內(nèi)的多信道接入。在非同步及用戶分布式信道決策的無(wú)線認(rèn)知局域網(wǎng)絡(luò)中，為了解決上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)多信道接入控制協(xié)議CH-MAC，可以解決用戶與接入點(diǎn)間的信道協(xié)商、多信道環(huán)境下的競(jìng)爭(zhēng)接入與沖突檢測(cè)等問(wèn)題。我們采用基于載波編碼的R