軟件無線電課程論文

1、<p><b>　　軟件無線電課程論文</b></p><p>　　論文題目：認(rèn)知無線電之功率控制技術(shù)</p><p>　　姓 名： </p><p><b>　　學(xué) 號： </b></p><p>　　班 級： </p>

2、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p>

3、;<p>　　3 基本原理和算法5</p><p>　　4 國內(nèi)外研究主要成果7</p><p>　　5 個人理解和體會9</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　認(rèn)知無線電(Co

4、gnitive Radio.簡稱CR)技術(shù)是無線通信領(lǐng)域發(fā)展的里程碑。其中功率控制算法是目前認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中研究熱點之一。隨著科技、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對無線電通信類的服務(wù)需求量日益增加。隨之而來的,頻譜資源短缺成為眾人矚目的一個嚴(yán)重的問題。而認(rèn)知無線電技術(shù),因其可以實現(xiàn)頻譜的重復(fù)利用、提高頻譜利用率的技術(shù)特性而被提出并得到廣泛關(guān)注。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,功率控制技術(shù)由于可以降低干擾而成為認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。進(jìn)行功率控制的主要

5、目標(biāo)是既要避免干擾主用戶,保證主用戶通信質(zhì)量,又要保證認(rèn)知用戶的速率性能達(dá)到要求,實現(xiàn)頻譜利用率的提高。</p><p>　　本文簡要介紹了認(rèn)知無線電技術(shù)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀，從認(rèn)知無線電技術(shù)特性出發(fā),對認(rèn)知無線電之功率控制算法進(jìn)行了較為深入的研究，然后簡單介紹了國內(nèi)外在認(rèn)知無線電之功率控制問題方面取得的一些成果，最后闡述了自己的理解和體會。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無線電 功率控

6、制 博弈算法</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，無線通訊和服務(wù)如廣播電視、手機(jī)通信、無線局域網(wǎng)、手持無線電終端的廣泛使用，當(dāng)人們在使用遠(yuǎn)距離便攜通信設(shè)備的過程中，無線頻譜資源一直都被使用，使得無線頻譜資源變得越來越珍貴及不可或缺，無線頻譜資源變得比土地、石油等都要稀少。隨著現(xiàn)代通信的持續(xù)發(fā)展，4G時代即將到來（

7、2012年1月19日ITU頒布了4G標(biāo)準(zhǔn)），在4G標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到商用要求的時候，相當(dāng)一部分運營商們都發(fā)現(xiàn)他們已無合適的頻譜可用，F(xiàn)DD-LTE需要使用對稱的頻譜來構(gòu)建它的上下行信道。事實情況是，由于頻譜資源是有限的，無線頻譜的使用需要得到通信管理委員會的授權(quán)，而這樣的授權(quán)頻譜其中相當(dāng)多的一部分頻段的頻譜利用率極低，有相當(dāng)一部分已分配的頻譜幾乎沒有得到利用，而其他用戶又不能去使用這樣的授權(quán)頻譜，因為你沒有獲得授權(quán)，顯然這樣是不正常的。動態(tài)頻譜接

8、入技術(shù)的提出，是為了解決當(dāng)前頻譜利用率不高的問題。無線局域網(wǎng)WLAN的出現(xiàn)打破了這一個情形，WLAN所在的2.4GHz-2.484GHz是一個沒有固定劃分的寬帶，無線通信在接入的過程中使用的是動態(tài)頻譜接入，在這種情況下,認(rèn)知無線電(cognitive Radio, CR)</p><p><b>　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　認(rèn)知無線電的概念是由

9、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Joseph Mitola博士和Gerald Q. Maquire教授在IEEE Personal Communication雜志上明確提出的，認(rèn)知無線電是一種能夠持續(xù)不斷地感知周圍通信環(huán)境的無線通信技術(shù)，在對周圍環(huán)境信息進(jìn)行分析、理解和判斷后，通過RKRL（Radio Knowledge Represent-action Language，無線電知識表達(dá)語言）調(diào)整通信參數(shù)，從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境變化的目的。認(rèn)知無線電技術(shù)著眼

10、于大大提高現(xiàn)有頻譜（尤其是低頻段）的利用率，達(dá)到智能化管理頻譜的目的。多個采用認(rèn)知無線電技術(shù)的通信節(jié)點可以獨立的或與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　認(rèn)知無線電技術(shù)一經(jīng)提出，便受到世界各國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的極大重視。2002年，DARPA（美國國防部高級研究計劃署）在XG（neXt Generation，下一代通信計劃）中提出采用認(rèn)知無線電技術(shù)解決頻譜缺乏和頻譜政策協(xié)調(diào)的問題。2003年，F(xiàn)C

11、C(美國聯(lián)邦通信委員會)宣布，具備認(rèn)知無線電功能的無線終端可以有條件使用未獲授權(quán)的頻段（如廣播電視頻段）。2004和2005連續(xù)兩年，NSF（美國自然科學(xué)基金委員會）在NeTs (未來網(wǎng)絡(luò)研究計劃)中資助認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)研究，WMPG（NSF無線移動計劃工作組）2005年8月的研究報告將認(rèn)知無線電列為下一代無線互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐技術(shù)之一。WRAN(IEEE 802.22無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò))工作組正在利用認(rèn)知無線電實現(xiàn)對廣播電視頻段的共享，并將制定

12、相關(guān)物理層與MAC層規(guī)范。此外，歐盟支持了動態(tài)利用頻譜的E2R（End-To-End Reconfigurability）項目；2005年，我國在863計劃中立項啟動了認(rèn)知無線電技術(shù)的研究。</p><p>　　作為無線通信領(lǐng)域的最新進(jìn)展，認(rèn)知無線電技術(shù)是無線通信發(fā)展的又一個里程碑。目前，認(rèn)知無線電中的頻譜檢測、頻譜管理、頻譜分配、功率控制等方面都在進(jìn)行研究，但作為一種新興的無線通信技術(shù)，在這方面的研究，尤其是功

13、率控制方面的研究，研究得還不算特別深入。傳統(tǒng)的功率控制最優(yōu)化技術(shù)主要有：拉格朗日松弛法、經(jīng)典法、二次規(guī)劃法、博弈論和幾何規(guī)劃法。目前，不少的認(rèn)知無線電功率控制問題研究是從傳統(tǒng)的功率控制算法中得到的啟發(fā)。 </p><p>　　目前的認(rèn)知無線電功率控制問題，常采用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中觀點和方法來解決，</p><p>　　例如，使用效用函數(shù)和代價函數(shù)。在無線通信中，當(dāng)所有的終端用戶分別調(diào)整各自的發(fā)射

14、功率以最大化自己的效用函數(shù)時，此時的發(fā)射功率都將過高，各自的信號都將對其他用戶產(chǎn)生干擾。此處的效用函數(shù)可以是用戶接收端所獲得的信干比。以微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的觀點來看，這種多用戶之間不斷調(diào)整發(fā)射功率的過程就是一個博弈過程，利用博弈論的知識，就可在對通信業(yè)務(wù)的效用函數(shù)和代價函數(shù)組成的考察對象中，尋找到這個博弈過程的納什均衡點，從而尋求個體與全局的平衡。</p><p><b>　　3 基本原理和算法</b&

15、gt;</p><p>　　功率控制問題可以這樣理解，在一個存在多個認(rèn)知用戶的CR系統(tǒng)中，如果其中某一個認(rèn)知用戶希望能夠提高自己的通話質(zhì)量，或者為了得到較高的信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR），可以通過提高自身的發(fā)射功率來達(dá)到目的，但是發(fā)射功率如果盲目的增加，那么該用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送就會對在同一頻段上的其他認(rèn)知用戶產(chǎn)生干擾，從而又降低了其他用戶的SNR。這樣，將導(dǎo)致其他用戶為了滿足自身信噪比

16、的需要，也都加大各自的發(fā)射功率，這樣會使得整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量急速惡化，不但沒有達(dá)到好的通信效果，還增加了移動終端電池能量無謂的損耗，所以在實際應(yīng)用的過程中，我們需要研究怎樣的功率控制算法能使整個系統(tǒng)得到優(yōu)化。 </p><p>　　功率控制技術(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的功率控制，有些是基于信噪比平衡的，有些是基于OFDM和注水法，但是這些算法的收斂速度都很慢。因此，利用博弈論來解決這一難題，

17、在學(xué)術(shù)界被越來越多的學(xué)者提出并采用。 </p><p>　　當(dāng)前國內(nèi)的認(rèn)知無線電功率控制算法主要的研究重點是利用博弈論進(jìn)行功率控制，基本上都是為了提高系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性在做研究。國內(nèi)的研究重點多圍繞移動通信系統(tǒng)模型，研究用戶的SIR需求，為了使發(fā)送有效比特率和系統(tǒng)吞吐量提高。博弈論是一種在決策的過程中，可以使參與者的全部思想都相互交互，并能夠在融合后生成最佳決策的一種數(shù)學(xué)工具，它的目的是能夠達(dá)到所有參與博弈的各

18、方的全局最優(yōu)。博弈論最早在經(jīng)濟(jì)、數(shù)學(xué)、生物領(lǐng)域用的最多，現(xiàn)在在認(rèn)知無線電的研究中也被廣泛的采用。博弈論適合處理多用戶并且復(fù)雜的問題，能在眾多的結(jié)論中生成優(yōu)化過的結(jié)論，能夠使問題的爭論達(dá)到一個均衡點（即Nash均衡）。 </p><p>　　具有以下三個方面要素才可以構(gòu)成一個完整的博弈模型： ?</p><p>　　決策人：他們是博弈的參與者，博弈的過程是為了使他們的利益最大化。 ? &l

19、t;/p><p>　　決策集合：是博弈的參與者所有可選決策的合集。 ?</p><p>　　效用函數(shù)：是每個參與者在博弈之后的收益，博弈的目的就是為了使效用 </p><p><b>　　函數(shù)最大化。 </b></p><p>　　1950年約翰?納什(John Nash)發(fā)表了一篇論文，證明了非合作博弈領(lǐng)域的一個重要的

20、前提——納什均衡(Nash Equilibrium, NE)。納什均衡是一個包含了所有參與者最優(yōu)策略的策略組合。在這個策略組合中，每個參與者的策略都是單一的個體，在給定其他參與者策略的情況下，該參與者都不會改變其策略，就達(dá)到了博弈的均衡；相反，如果該參與者想要改變他的策略，就不是一種納什均衡，這個策略組合就不是最優(yōu)的，那么這個最優(yōu)策略組合就不成立。 </p><p>　　在博弈論的理論基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線電的功率控制

21、又分為合作博弈和非合作博弈。在認(rèn)知用戶中，非合作博弈的應(yīng)用占到多數(shù)情況，因為每個用戶都是為了自己的利益最大化，之間沒有協(xié)議的約束，博弈論在認(rèn)知無線電功率控制中的應(yīng)用也以非合作博弈為主。在1999年David Goodman等人最先提出了非合作功率控制博弈(non-cooperative power control game，NPG)[1]。該算法約束的是單位用戶的電池能量，用單位電池能量傳輸?shù)谋忍財?shù)來考慮用戶的功率控制效率，優(yōu)化的目標(biāo)是

22、使得系統(tǒng)中的所有用戶都在有相同接收功率的情況下具有相同的信噪比。 </p><p>　　NPG算法假設(shè)在單小區(qū)蜂窩CDMA系統(tǒng)中，每個用戶以固定長度為M比特傳輸數(shù)據(jù)，其中包含L比特信息(L<M)，傳輸速度固定為R比特/秒，以固定的發(fā)射功率pI發(fā)送，每個用戶的效用函數(shù)為:</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　

23、　式2.1中，為用戶i的瞬時信噪比， Ti為該用戶單位時間內(nèi)的吞吐量。為用戶的效用函數(shù)： </p><p><b>　　（2.2） </b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　這里Pe采用的是非相關(guān)頻移鍵控，hi表示為用戶i的信道衰落系數(shù)，G為擴(kuò)頻增益，那么在加性高斯白噪聲信道下：&l

24、t;/p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　因為NPG算法是非合作博弈，博弈的目的是為了每個用戶最大化自己的效用函數(shù)，結(jié)果為： </p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　研究結(jié)果說明，NPG算法是具有納什均衡的，并使得用戶接收的數(shù)據(jù)具有相同功率等級和

25、信噪比。 </p><p>　　但事實上這種算法不是最優(yōu)的，因為是非合作博弈，它使得認(rèn)知用戶本身為了獲得最大的效率，調(diào)整自己的發(fā)射功率，使得自己的局部利益最大化，而忽視了對其他認(rèn)知用戶正常通信而產(chǎn)生的影響，在CR這類自干擾系統(tǒng)中這種影響是致命的。雖然NPG算法是存在缺陷的，但它將非合作博弈帶入了通信領(lǐng)域，具有重大的理論意義。在NPG算法的基礎(chǔ)上又衍生出了很多種不同的非合作博弈算法，其中典型的就是考慮代價函數(shù)的非合

26、作功率控制博弈算法,該算法在NPG算法的基礎(chǔ)上，使得系統(tǒng)中的用戶在使用更低的發(fā)射功率的情況下，獲得更高的收益。該算法是存在納什均衡解的。但該算法仍然不是完美的，用戶間的距離使用戶的接收效果差別很大，距離越遠(yuǎn)的用戶接收的信噪比越低，距離越近的用戶接收的信噪比越高，這對遠(yuǎn)距離的用戶很不公平。 </p><p>　　在NPGP的算法基礎(chǔ)上又有很多人做了改進(jìn)，大多都是圍繞著非合作博弈展開。這些算法都沒有把認(rèn)知無線電一個

27、重要的部分考慮進(jìn)去，就是頻譜感知的結(jié)果。頻譜感知是認(rèn)知無線電一個重要的組成部分，頻譜感知的結(jié)果對于功率控制具有重要的意義。</p><p>　　4 國內(nèi)外研究主要成果</p><p>　　目前，國內(nèi)外學(xué)者在認(rèn)知無線電功率控制問題方面已經(jīng)取得一定成績，而且大部分都集中在利用博弈論的納什均衡理論解決功率控制的算法研究上。 </p><p>　　在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射功率

28、是極為重要的資源，如果能得到有效利用，就能使系統(tǒng)容量增加、通信質(zhì)量改善。功率控制的主要目的，就是盡量減少同信道干擾和信道間干擾。使用發(fā)射功率控制可以控制干擾，基本思想是調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，在滿足通信質(zhì)量要求的前提下，使得在接收機(jī)處的接收功率盡量小。此外，功率控制在通信中還起著節(jié)能的作用，無線通信系統(tǒng)的終端通常是由電池供電，在實際應(yīng)用中，若能以最小的發(fā)射功率進(jìn)行通信，勢必延長電池的放電時間。因此，如何調(diào)節(jié)發(fā)射功率、如何在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行功率資

29、源的分配，是目前無線通信系統(tǒng)研究的核心問題。 </p><p>　　首先考慮兩個用戶（認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶）共享頻譜時的功率控制問題。一種可行的方法是將測量到的授權(quán)用戶接收機(jī)信號的本地信噪比近似為認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶之間的距離，從而相應(yīng)調(diào)整認(rèn)知用戶的發(fā)射功率。另外，Clemens等人還提出了一種相對智能的功率分配策略，將博弈論和遺傳算法相結(jié)合，采用兩用戶重復(fù)博弈建立模型，借助遺傳算法搜索策略空間。這兩種方法可實現(xiàn)在

30、保證授權(quán)用戶不受有害干擾的前提下，“貪婪”地增加認(rèn)知用戶的發(fā)射功率。 </p><p>　　在更切合實際的多用戶傳輸認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，發(fā)射功率受到給定的干擾溫度和可用空閑頻譜數(shù)量的限制，博弈論和信息論中注水定理可用來解決發(fā)射功率控制問題。多用戶認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制問題可以歸結(jié)為一個非合作博弈問題，并可利用納什均衡理論對其進(jìn)行求解。實現(xiàn)功率控制的另一種方法是基于信息論的迭代注水算法，基本思想為，將系統(tǒng)的信道劃

31、分為若干個獨立平行的子信道，將信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，各個子信道的信道增益由相應(yīng)的奇異值決定，發(fā)送端在增益較大的子信道上分配較多的功率，在增益較小的子信道上分配較少的功率甚至不分配功率，從而達(dá)到傳輸容量的最大化。</p><p>　　算法成果：（1）發(fā)射功率控制的內(nèi)外雙層迭代循環(huán)灌水算法。內(nèi)迭代用來給每個認(rèn)知用戶分配信道，外層迭代用來尋找滿足認(rèn)知用戶目標(biāo)速率要求的最小發(fā)射功率水平。（2）基于用戶信干比（SIR）的

32、線性成本函數(shù)的功率控制算法。（3）基于非合作功率控制博弈的認(rèn)知無線電功率控制算法，根據(jù)各認(rèn)知用戶的QoS需求和系統(tǒng)的總吞吐量來調(diào)節(jié)各個認(rèn)知用戶的發(fā)射功率，實現(xiàn)對不同認(rèn)知用戶發(fā)射功率的有效控制。</p><p>　　模型成果：（1）非合作功率控制博弈模型，它對模型作出分析，并研究了基于代價函數(shù)的博弈功率控制問題，證明出這種博弈具有更好的性能。（2）基于系統(tǒng)吞吐量最大化的功率控制博弈模型。（3）考慮鏈路增益的功率控制

33、博弈模型，它對增益不同的用戶給出不同的代價函數(shù)。 </p><p><b>　　5 個人理解和體會</b></p><p>　　認(rèn)知無線電是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個里程碑，該技術(shù)的應(yīng)用將會帶來歷史性的變革，但是認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展還存在許多問題，比如認(rèn)知無線電的靈活性需要提高，頻譜管制技術(shù)未完全開放等。</p><p>　　作為無線通信領(lǐng)域的最

34、新發(fā)展，認(rèn)知無線電技術(shù)受到日益關(guān)注，隨著技術(shù)問題的突破，認(rèn)知無線電將會為無線電資源管理和無線電接入市場帶來新的發(fā)展契機(jī)和動力。</p><p>　　自己在學(xué)習(xí)認(rèn)知無線電之功率控制技術(shù)中收獲頗多，更加深刻了解了認(rèn)知無線電技術(shù)，復(fù)習(xí)鞏固軟件無線電，對認(rèn)知無線技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[

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36、t;<p>　　2012年4月第39卷第2期:41-44</p><p>　　[3] 吳迎笑，楊震. 基于頻譜感知的認(rèn)知無線電機(jī)會功率控制算法. 儀器儀表學(xué) </p><p>　　報，2010年6月第31卷第6期:1234-1236</p><p>　　[4] 栗欣，許希斌，姚彥.基于網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電系統(tǒng)及實現(xiàn).電信科學(xué)，2001</p>