認(rèn)知無(wú)線電中基于博弈論和協(xié)作傳輸?shù)墓β士刂扑惴ㄑ芯?pdf

1、隨著各種無(wú)線新技術(shù)的快速發(fā)展,特別是未來(lái)無(wú)線通信寬帶化的發(fā)展趨勢(shì),有限的頻譜資源變得越來(lái)越稀缺寶貴,而如何有效的解決頻譜資源匱乏這個(gè)難題顯得十分重要和緊迫。鑒于傳統(tǒng)的提高頻譜利用率手段的局限性,認(rèn)知無(wú)線電,這種從根本上解決目前固定頻譜分配策略所引發(fā)問(wèn)題的新技術(shù)受到廣泛的關(guān)注和研究。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,認(rèn)知無(wú)線電的研究正走向成熟并向縱深拓展。各項(xiàng)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的技術(shù)基本都是圍繞著如何準(zhǔn)確檢測(cè)并使用空閑頻譜,以及如何減少對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的干擾以實(shí)現(xiàn)

2、認(rèn)知用戶(hù)(次用戶(hù))和授權(quán)用戶(hù)(主用戶(hù))的真正共存展開(kāi)的。其中,無(wú)論是在overlay(填充)模式下,在完成頻譜切換時(shí),為減少對(duì)授權(quán)用戶(hù)干擾并保持認(rèn)知用戶(hù)的良好通信質(zhì)量;還是在underlay(下墊)模式下,認(rèn)知用戶(hù)如何保持合理的發(fā)射功率來(lái)達(dá)到干擾溫度的要求,高效合理的功率控制都是解決這些問(wèn)題的一項(xiàng)必要的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要以博弈論、智能優(yōu)化理論為基礎(chǔ),深入研究了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中分布式上行傳輸及協(xié)作通信中的功率控制問(wèn)題,并提出有針對(duì)性的解決方

3、案。
　　在認(rèn)知無(wú)線電中,認(rèn)知用戶(hù)對(duì)空閑頻譜的接入方式有兩種:overlay模式和underlay模式。在overlay模式中,認(rèn)知用戶(hù)機(jī)會(huì)接入空閑頻譜,當(dāng)發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶(hù)回歸時(shí),認(rèn)知用戶(hù)及時(shí)跳出該頻譜。這種模式下,認(rèn)知用戶(hù)對(duì)授權(quán)用戶(hù)干擾小,但頻譜使用效率低。在underlay模式中,認(rèn)知用戶(hù)和授權(quán)用戶(hù)共享頻譜,認(rèn)知用戶(hù)需要受干擾溫度的限制約束,但頻譜利用率高,對(duì)功率控制要求高。本文主要針對(duì)underlay模式下的功率控制問(wèn)題進(jìn)行研究

4、。與基站側(cè)的功率問(wèn)題相比,終端側(cè)的功率控制約束多,也相對(duì)復(fù)雜,本文將集中分析終端側(cè)的上行功率控制問(wèn)題。在不同的認(rèn)知場(chǎng)景下,功率控制的目標(biāo)和手段也會(huì)有所區(qū)別。由于認(rèn)知用戶(hù)間的中繼傳輸可有效降低其對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的干擾,而授權(quán)用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)的協(xié)作傳輸可使雙方都受益,在本文中,也將針對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作傳輸模式下的功率控制問(wèn)題做重點(diǎn)研究。
　　首先,本文對(duì)幾種在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的典型功率控制算法和理論,包括注水算法、基于博弈論的功率控制算法、

5、基于中繼傳輸?shù)墓β士刂扑惴ㄟM(jìn)行了深入的分析和論述。由于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中功率控制方法與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)方法的繼承性和延續(xù)性,本文分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中典型的分布式功率控制算法的特點(diǎn)。此外,博弈論的特點(diǎn)較適合于解決通信系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題,而不同的分配問(wèn)題需要應(yīng)用不同的博弈模型來(lái)討論。本文對(duì)博弈論中幾個(gè)典型的模型進(jìn)行了詳細(xì)分析,并介紹了在相應(yīng)認(rèn)知場(chǎng)景下基于不同博弈模型的有代表性的功率控制算法。
　　其次,針對(duì)underlay模式下動(dòng)態(tài)干擾溫

6、度的特點(diǎn),提出了基于納什博弈模型的一種分布式的上行功率控制迭代算法。在分析干擾溫度給認(rèn)知用戶(hù)功率發(fā)射帶來(lái)的影響后,將動(dòng)態(tài)功率門(mén)限因素引入到納什博弈模型中,并在此基礎(chǔ)上得到一個(gè)合理的功率迭代算法。此外,給出了算法的收斂性和納什均衡解的分析和證明。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在動(dòng)態(tài)干擾門(mén)限的影響下,該算法可以得到合理的信干噪比效果及較低的功率收斂值,從而保障認(rèn)知用戶(hù)的通信質(zhì)量和對(duì)授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的干擾程度可控。
　　再次,研究了認(rèn)知用戶(hù)和授權(quán)

7、用戶(hù)協(xié)作傳輸模式下的資源分配問(wèn)題。在認(rèn)知用戶(hù)幫助主用戶(hù)通信之后,如何衡量主用戶(hù)的收益并合理回饋認(rèn)知用戶(hù)是他們合作能繼續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵。underlay模式下,在分析了授權(quán)用戶(hù)功耗節(jié)省和中斷概率降低方面的收益基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的功率分配算法,通過(guò)合理提升干擾溫度門(mén)限來(lái)使認(rèn)知用戶(hù)也得到恰當(dāng)?shù)幕貓?bào)。overlay模式下,使用博弈理論提出了基于動(dòng)態(tài)頻譜出租方案的頻譜占用時(shí)間分配算法,在保證資源分配公平性的情況下,提升了系統(tǒng)的性能。
　　最后,

8、針對(duì)特定認(rèn)知場(chǎng)景下的復(fù)雜功率控制模型,提出聯(lián)合智能優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行求解。對(duì)于較復(fù)雜的非線性、非可微的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,釆用單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)很難直接得到最優(yōu)解。在本文中,提出了聯(lián)合遺傳算法和模式搜索算法來(lái)解決聯(lián)合干擾條件下中斷概率最小化的功率分配問(wèn)題,目的是為了克服單一遺傳算法的不穩(wěn)定性和獨(dú)立模式搜索算法的局部收斂性。此外,也研究了認(rèn)知用戶(hù)間協(xié)助傳輸模式下的功率分配問(wèn)題。針對(duì)regenerative中繼模式和non-regenerative中繼