認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制和頻譜分配技術(shù)研究與閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)_碩士論文

1、碩士學(xué)位論文認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制和頻譜分配技術(shù)研究與閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)Study of Power Control and Spectrum Allocation and Implementation of Close Loop Power Control in Cognitive Radio SystemA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementsfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByJi Feng(Inf

2、ormation and Communication Engineering)Supervisor: Associate Prof. Xinmin LuoMay 2021論文題目：認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制和頻譜分配技術(shù)研究與閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn) 本研究得到國(guó)家高技術(shù)研究開展方案“863”方案編號(hào)：2005AA123910，陜西省自然科學(xué)基金工程編號(hào)：2006F41，陜西省科技攻關(guān)方案工程編號(hào)：2005K04-G11資助。學(xué)科專業(yè)：信息與通信工程申請(qǐng)人：馮冀指導(dǎo)教師：羅新民 副教授摘 要認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠主動(dòng)檢測(cè)頻譜使用情況，自適應(yīng)的改變自身通信參數(shù)。在不影響授權(quán)用戶的前提下，擇機(jī)選擇授權(quán)用戶的空閑頻

3、段進(jìn)行通信，具有靈活、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。由于認(rèn)知無(wú)線電用戶與授權(quán)用戶共享頻段，且授權(quán)用戶具有最高優(yōu)先級(jí)，使認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)技術(shù)具有新的特點(diǎn)。論文對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制和頻譜分配技術(shù)展開研究，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的閉環(huán)功率控制模塊。首先，論文在分析認(rèn)知無(wú)線電自適應(yīng)、交互式?jīng)Q策過程的根底上，建立了功率控制的博弈論模型。針對(duì)采用非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，提出了基于函數(shù)的功率控制博弈算法。仿真結(jié)果說明：與已有算法相比，新算法在保證認(rèn)知無(wú)線電用戶信干噪比的前提下，提高了系統(tǒng)吞吐量。針對(duì)采用共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，改良了效用函數(shù)，提出了基于指數(shù)懲罰系數(shù)

4、的功率控制博弈算法。仿真結(jié)果說明：新算法保障了授權(quán)用戶足夠低的掉線概率和認(rèn)知無(wú)線電用戶的信干噪比，有效控制了發(fā)射功率。其次，針對(duì)采用OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中占用信道數(shù)和時(shí)間開銷的矛盾，論文提出實(shí)際吞吐量的概念及基于此概念的一種最優(yōu)頻譜分配策略，并設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的最優(yōu)策略求解方法。仿真結(jié)果說明：當(dāng)分配給認(rèn)知無(wú)線電用戶的頻譜資源較少時(shí)，實(shí)際吞吐量隨著分配的頻譜資源的增多而增大。隨著占用的頻譜資源進(jìn)一步增多，與授權(quán)用戶發(fā)生沖突的概率增大，實(shí)際吞吐量反而呈單調(diào)下降趨勢(shì)。論文提出的策略對(duì)認(rèn)知無(wú)線電用戶占用信道數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)性能。最后，論文在調(diào)試認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)射頻模塊的根底上，設(shè)計(jì)

5、并實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)功率控制模塊。調(diào)試結(jié)果說明：在射頻模塊工作正常的根底上，本模塊能夠?qū)Πl(fā)射功率進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制；在移動(dòng)情況下，能夠?qū)π诺涝鲆娴淖兓龀黾皶r(shí)補(bǔ)償，保障了接收端足夠高的信噪比和足夠低的誤碼率。關(guān) 鍵 詞：認(rèn)知無(wú)線電；博弈論；功率控制；頻譜分配；閉環(huán)論文類型：應(yīng)用研究Title:Study of Power Control and Spectrum Allocation and Implementation of Close Loop Power Control in Cognitive Radio SystemThis research was funded by the Natio

6、nal High-tech Research and Development Plan863” Plan,Shaanxi Province Natural Science FundNo.2006F41and Shaanxi Province Scientific and Technological PlanNo.2005K04-G11.Speciality:Information and Communication EngineeringApplicant:Ji FengSupervisor:Associate Prof. Xinmin LuoABSTRACTCognitive Radio t

7、echnology can detect the utilization of the spectrum initiatively, and change its communication parameters adaptively. On the premise of no prejudice to licensed users, cognitive radio can choose the idle spectrum of licensed users to communicate in proper opportunities. For its advantages of agilit

8、y, and high spectrum utilization, cognitive radio has been concerned widely by the scholars at home and abroad. Because licensed users share spetrum resource with cognitive users and have the highest priority, the technologies in cognitive radio have new characteristics. The technologies of power co

9、ntrol and spectrum allocation in cognitive radio systems is researched, and close loop power control module in cognitive radio experimental system is designed and implemented in this thesis.Firstly, based on the analysis of adaptive and interactive decision process in cognitive radio, a game theory

10、model of power control is established. Aimed at cognitive radio system based on exclusive model, a power control game algorithm based on arctan function is proposed. The simulation results show that new algorithm not only guarantees the cognitive users SINR,but also imporves the system throughput co

11、mpared with other algorithms. Aimed at cognitive radio system based on common model, the utility function is improved,and a power control game algorithm based on exponent chastisement factor is proposed. The simulation results show that new algorithm guarantees the SINR of cognitive users and low en

12、ough outage probability of licensed users, and the transmitting power is controlled effectively.Secondly, aimed at the contradiction between number of occupied channels and time cost in OFDM cognitive radio system. a goodput concept and an optimal spectrum allocation strategy based on this concept a

13、re proposed. And a method based on genetic algorithm for the solution of the optimal strategy is designed. The simulation results show that when the spectrum resource allocated to the cognitive users is small, the goodput increases with the increase of allocated spectrum resource; when the occupied

14、spectrum resource by cognitive users increases further, the conflict probability to licensed users increases, and the goodput decreases monotonically with the increase of allocated spectrum resource. This strategy proposed in the thesis optimizes the number of occupied channels by cognitive users, a

15、nd improves the OFDM cognitive radio system performance.Finally, close loop power control module in cognitive radio experimental system is designed and implemented based on debugging of RF module in experimental system. The debugging results show that transmitting power can be controlled accurately

16、and in real-time by this module based on RF modules normal operation; when the experimental terminal is moving, the change of channel gain can be compensated in time, and SNR and BER in receiver can be guaranteed.KEY WORDS: Cognitive radio; Game theory; Power control; Spectrum allocation; Close loop

17、TYPE OF THESIS: Applied Research目 錄1 緒論1 選題背景及意義1 認(rèn)知無(wú)線電的定義及研究現(xiàn)狀2 論文完成工作與結(jié)構(gòu)安排32 博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用5 博弈論概述5 博弈論的定義5 博弈論的根本模型及分類6 納什均衡的分析和求解7 博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用10 認(rèn)知無(wú)線電的交互作用10 博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用11 認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法的博弈論建模12 本章小結(jié)133 基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法14 現(xiàn)有的基于博弈論的功率控制算法143.1.1 SINR平衡算法143.1.2 Saraydar-Mandayam算法153.1.3 Koski

18、e-Gajic算法16 現(xiàn)有算法小結(jié)17 基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法17 基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)模型17 算法的博弈論建模193.2.3 納什均衡求解和算法流程22 算法收斂性證明24 基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法253. 干擾溫度的提出背景和根本概念25 基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)模型27 算法的博弈論建模28 納什均衡求解和算法流程30 算法收斂性證明30 仿真實(shí)驗(yàn)及分析32 基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法32 基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法38 本章小結(jié)414 基于實(shí)際吞吐量的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略43 問題描述43 系統(tǒng)模型4

19、3 基于OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)43 通信模型44 基于實(shí)際吞吐量的頻譜分配策略46 實(shí)際吞吐量46 傳輸時(shí)間損失率47 遺傳算法求解48 仿真實(shí)驗(yàn)及分析49 本章小結(jié)505 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)51 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述51 閉環(huán)功率控制的原理52 閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)方案52 工作流程52 硬件系統(tǒng)及其接口53 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要參數(shù)57 閉環(huán)功率控制的軟件設(shè)計(jì)59 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果62 射頻調(diào)試結(jié)果62 閉環(huán)功率控制調(diào)試結(jié)果64 本章小結(jié)666 結(jié)論與展望67 論文總結(jié)67 下一步工作展望68致 謝70參考文獻(xiàn)71攻讀學(xué)位期間取得的研究成果74聲明CONTENTS1 Pre

20、face1 1.1 Topic Significance and Background1 1.2 Definition of Cognitive Radio and Status quo of Research2 1.3 Main Work and Structure of Thesis32 Game Theory and Its Application in Cognitive Radio5 Summarization of Game Theory5 Definition of Game Theory5 Models and Categories of Game Theory6 2.1.3

21、Analysis and Solution of Nash Equilibrium7 2.2 Application of Game Theory in Cognitive Radio10 Interactions of Cognitive Radio10 2.2.2 Application of Game Theory in Cognitive Radio11 Modeling of Power Control Based on Game Theory in Cognitive Radio12 2.3 Brief Summary133 Power Control Algorithms Bas

22、ed on Game Theory in Cognitive Radio14 3.1 Current Power Control Algorithms Based on Game Theory14 SINR Balance Algorithm14 Saraydar-Mandayam Algorithm15 Koskie-Gajic Algorithm16 Summarization of Current Algorithms17 3.2 Power Control Algorithm in Cognitive Radio System of Exclusive Model17 Cognitiv

23、e Radio System Based on Exclusive Model17 Modeling of Power Control Algorithm Based on Game Theory19 Nash Equilibrium Solution and Algorithm Procedure22 3.2.4 Proof of Algorithm Convergence24 3.3 Power Control Algorithm in Cognitive Radio System of Common Model25 Background and Basic Concepts of Int

24、erference Temperature25 Cognitive Radio System Based on Common Model27 Modeling of Power Control Algorithm Based on Game Theory28 Nash Equilibrium Solution and Algorithm Procedure30 3.3.5 Proof of Algorithm Convergence30 3.4 Simulations and Analysises32 3.4.1 Power Control Algorithm in Cognitive Rad

25、io System of Exclusive Model32 3.4.2 Power Control Algorithm in Cognitive Radio System of Common Model38 3.5 Brief Summary414 A Spectrum Allocation Strategy Based on Goodput43 4.1 Problem Description43 4.2 System Model43 Cognitive Radio Systems Based on OFDM43 Communication Models of Licensed Users

26、and Cognitive Users44 4.3 A Spectrum Allocation Strategy Based on Goodput46 Goodput46 Loss Ratio of Transmitting Time47 Solution of Genetic Algorithm48 4.4 Simulations and Analysises49 4.5 Brief Summary505 Implementation of Close Loop Power Control in Cognitive Radio System51 5.1 Summarization of Co

27、gnitive Radio Experimental System51 5.2 Principle of Close Loop Power Control52 5.3 Implementation Project of Close Loop Power Control52 Work Flow52 Hardware System and Interfaces53 Design of Frame Structure and Working Parameters57 5.4 Software Design of Close Loop Power Control59 5.5 Debugging and

28、 Results of Experimentation62 Debugging and Results of Radio Frequency62 Debugging and Results of Close Loop Power Control64 5.6 Brief Summary666 Conclusions and Suggestions67 6.1 Conclusion67 6.2 Expectation68Acknowledgements70References71Achievements74Declaration在每一章的末尾插入下一章的MathType的章標(biāo)記打印前將其字體顏色變

29、為白色，在打印預(yù)覽中看不見即可：1 緒論1.1 選題背景及意義近年來(lái)，隨著人們對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的不斷提高，各種無(wú)線通信技術(shù)得到前所未有的迅猛開展。在此過程中，無(wú)線頻譜空間被劃分給各種不同的通信技術(shù)使用，在大多數(shù)國(guó)家3GHz以下的頻段幾乎全局部配給了已授權(quán)的無(wú)線通信系統(tǒng)或稱為授權(quán)用戶Licensed User1。一方面，這種固定的頻譜劃分方式使得可用頻譜資源變得越來(lái)越少。另一方面，已授權(quán)頻帶的不同頻段頻譜利用率相差懸殊，一些頻段使用得非常頻繁，而另一些頻段大局部時(shí)間內(nèi)卻沒有用戶使用，整體上來(lái)看目前頻譜利用率低下。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)Federal Communications Commissio

30、n, FCC的下屬機(jī)構(gòu)SPTFSpectrum Policy Task Force的報(bào)告2說明，目前美國(guó)的無(wú)線頻譜資源利用率一般介于15%到85%之間；另有文獻(xiàn)說明34 GHz頻帶利用率只有，45 GHz頻帶利用率下降到3?？梢钥闯鲱l譜資源的緊張的一個(gè)重要原因是當(dāng)前的這種頻譜分配和管理方式限制了已授權(quán)的空閑頻段被非授權(quán)用戶使用。為了解決這種效率低下的頻譜管理方式與不斷增長(zhǎng)的頻譜資源需求之間的矛盾，Joseph Mitola博士于1999年提出的認(rèn)知無(wú)線電Cognitive Radio, CR的概念得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。他描述了認(rèn)知無(wú)線電如何通過一種“無(wú)線電知識(shí)表示語(yǔ)言Radio Knowle

31、dge Representation Language, RKRL的新語(yǔ)言提高個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性4。FCC于2003年12月發(fā)出以最正確方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的提議5,6，結(jié)合軟件定義無(wú)線電方法，以自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)多用戶共享頻譜資源的頻譜管理和利用。由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)建立在對(duì)已授權(quán)頻段利用的根底上，因此以下幾個(gè)問題需要研究：如何保證授權(quán)用戶不受認(rèn)知無(wú)線電用戶影響；如何保障認(rèn)知無(wú)線電用戶通信質(zhì)量，提高認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)容量；如何合理利用有限的頻譜資源，并對(duì)認(rèn)知無(wú)線電用戶功率進(jìn)行有效控制。功率控制和頻譜分配技術(shù)是無(wú)線資源管理Radio Resource Management, RRM中的關(guān)鍵內(nèi)容7

32、。發(fā)射功率和頻譜資源如果得到有效利用，就能夠使認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾減小，同時(shí)使認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的容量增加、通信質(zhì)量改善。因此如何設(shè)計(jì)在各種工作機(jī)制下的功率控制算法，如何確定合理的頻譜分配準(zhǔn)那么來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能，是認(rèn)知無(wú)線電研究中的重要內(nèi)容。當(dāng)前，博弈論Game Theory應(yīng)用于功率控制問題成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。博弈論著重于緊缺資源的分布式求解，算法復(fù)雜度低，求解過程簡(jiǎn)單，所需全局信息較少，適合于應(yīng)用到認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中。同時(shí)，為了更好的驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線電的功能，在已有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)功率控制功能是十分必要和有益的。這將為以后實(shí)驗(yàn)終端的組網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)禮儀協(xié)議等功能打下扎實(shí)的根底。1.2 認(rèn)知無(wú)線電的定

33、義及研究現(xiàn)狀1999年，Mitola博士在他的文章8中首次指出認(rèn)知無(wú)線電是“一種具有通過基于模型的推理來(lái)實(shí)現(xiàn)通信相關(guān)性能的能力的無(wú)線電設(shè)備。隨后在他的博士論文9中，提出了認(rèn)知循環(huán)Cognition Cycle，CC的概念，并且對(duì)各模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。FCC在2002年成立了SPTF小組專門研究提高頻譜資源利用率的方法，給出了一個(gè)基于干擾溫度Interference Temperature的認(rèn)知無(wú)線電定義2。并從發(fā)射端具體操作的角度指出認(rèn)知無(wú)線電是“一個(gè)能夠通過與外部環(huán)境交互信息來(lái)調(diào)整自己通信參數(shù)的無(wú)線電設(shè)備10。德國(guó)的Fatih Capar等人給出了一種比擬簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知無(wú)線電定義

34、11，即認(rèn)知無(wú)線電用戶可以檢測(cè)出某個(gè)頻段的授權(quán)用戶是否正在發(fā)射信號(hào)，如果有那么認(rèn)為有授權(quán)用戶在使用該頻段，如果沒有那么認(rèn)為可以利用這個(gè)頻段來(lái)傳送信息。同時(shí)認(rèn)知無(wú)線電用戶還必須保證，在它使用授權(quán)頻段的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶重新開始工作，應(yīng)能夠立即停止對(duì)該頻段的使用，對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生盡可能小的干擾。繼Mitola博士于1999年首先提出認(rèn)知無(wú)線電的概念后，他以及其他組織和學(xué)者在認(rèn)知無(wú)線電理論和技術(shù)方面不斷取得新的成果。U. C. Berkley大學(xué)的研究人員通過利用一些現(xiàn)有的軟件無(wú)線電平臺(tái)根本驗(yàn)證了由Capar等人提出的簡(jiǎn)化的認(rèn)知無(wú)線電定義。FCC于2004年5月開始考慮允許認(rèn)知無(wú)線電可以在不對(duì)授

35、權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的情況下使用電視頻段12。IEEE于2004年10月成立了工作組開始著手研究和制定工作于電視頻段的、基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)Wireless Regional Area Network，WRAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)13。從2005年開始，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)能看到不少關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)的研究思路和成果。國(guó)家“十一五863高技術(shù)研究開展方案申請(qǐng)工程指南中已經(jīng)將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)列為一項(xiàng)關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。本文作者所在的課題組在863工程資助下，在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、禮儀與協(xié)議、授權(quán)用戶檢測(cè)等方面取得了一定的成果。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的開展，通過

36、自適應(yīng)調(diào)制的方式提高單個(gè)鏈路的性能取得了一定的研究成果。然而，由于認(rèn)知無(wú)線電具有感知環(huán)境的能力，使得一條鏈路參數(shù)的改變將改變其他鏈路的用戶正在感知的無(wú)線環(huán)境，有可能導(dǎo)致新的自適應(yīng)調(diào)整發(fā)生，如此反復(fù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶動(dòng)態(tài)的調(diào)整和相互依存關(guān)系給認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)性能的分析帶來(lái)了很大困難。James Neel提出使用結(jié)合博弈論的方法來(lái)分析這一問題14，尤其在多個(gè)用戶的功率控制問題上得到了很好的效果。起源于經(jīng)濟(jì)學(xué)的博弈論是一種對(duì)緊缺資源的系統(tǒng)分布式配置問題的求解方法。使用該理論分析通信網(wǎng)絡(luò)的功率控制、頻譜管理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成等問題取得了豐富的研究成果15-24。近年來(lái)，眾多學(xué)者在功率控制領(lǐng)域做出了許多成果。主要目

37、的是減小共道干擾，保證用戶的信干噪比Signal to Interference Plus Noise Ratio, SINR，從而使系統(tǒng)具有更高的信道利用率和效勞質(zhì)量Quality of Service, QoS保障。以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功率控制為例。Foschini和Miljanic等人提出了基于信干噪比平衡的功率控制分布式算法，并討論了其收斂條件15。Famolari和Mandayam提出了干擾方程Interference Function的概念，研究了功率控制迭代算法收斂的條件16。Yates等人較早研究了在上行鏈路中影響功率控制問題的假設(shè)干因素17。Alpcan在功率控制中引入了支付函數(shù)，并

38、提出了兩種上行鏈路中的改良算法18。以美國(guó)伊利諾理工大學(xué)的David J. Goodman教授為代表的國(guó)外學(xué)者和組織，自1998后相繼發(fā)表了一系列文章19,20,23。Saraydar和Mandayam等人改良了用于多小區(qū)的分布式功率控制技術(shù)，提出了發(fā)射功率的“價(jià)格概念，并將之作為一種影響用戶傳輸數(shù)據(jù)行為的控制機(jī)制19。Shah和Saraydar等人在另外兩篇文獻(xiàn)中詳細(xì)討論了基于效用函數(shù)Utility Function和價(jià)格函數(shù)Price Funciton的功率控制機(jī)制，并談到了關(guān)于帕累托改良Pareto Improvement的問題20,23。Koskie和Gajic在引入價(jià)格函數(shù)的根底上對(duì)

39、信干噪比平衡算法進(jìn)行了改良，在犧牲很小的信干噪比損失的前提下大幅降低了發(fā)射功率24。此外，一些學(xué)者將博弈論應(yīng)用于功率與傳輸速率聯(lián)合控制、功率控制與頻譜接入、功率控制與波束成形，功率控制與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成等相結(jié)合，取得了珍貴的成果25-28。認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜分配是指根據(jù)需要接入系統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電用戶數(shù)目及其效勞要求將頻譜分配給一個(gè)或多個(gè)指定用戶。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。德國(guó)Karlsruhe大學(xué)Fiedrich Jondral教授提出了頻譜共享池Spectrum Pooling模型29。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究方案局啟動(dòng)了下一代XG方案n

40、eXt Generation, XG，其中實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜分配是該方案的主要目標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在具體的頻譜分配算法方面取得了一些成果30-32。但在如何確定占用的信道數(shù)方面研究較少。本論文將對(duì)這一頻譜分配策略展開研究。1.3 論文完成工作與結(jié)構(gòu)安排在國(guó)家高技術(shù)研究開展方案“863方案基金資助下，本文作者參與了“認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2005AA123910工程的研究工作。主要完成的工作如下：1提出認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)交互式?jīng)Q策過程。該過程可通過非合作博弈方法求解。并由此建立了認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制博弈論模型。2針對(duì)基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，根據(jù)認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)信干噪比

41、的滿意度特點(diǎn)，提出了一種新的效用函數(shù)。設(shè)計(jì)了一種基于非合作博弈的功率控制算法并證明其收斂性。證明了該博弈中納什均衡解的存在性和唯一性。通過仿真驗(yàn)證了算法的收斂性和穩(wěn)定性，討論了各個(gè)參數(shù)對(duì)算法性能的影響，并與其他算法的性能進(jìn)行了比擬。3在以上工作的根底上，針對(duì)基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，改良了效用函數(shù)，引入了基于指數(shù)懲罰系數(shù)的價(jià)格函數(shù)，設(shè)計(jì)了新的基于非合作博弈功率控制算法并證明其收斂性。通過仿真驗(yàn)證了該算法收斂性、穩(wěn)定性和對(duì)授權(quán)用戶的有效保護(hù)。4提出了一種認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略。推導(dǎo)了實(shí)際吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并分析了物理概念。設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的最優(yōu)策略求解方法。通過仿真驗(yàn)證了實(shí)際吞吐量與所分

42、配子信道數(shù)的關(guān)系和最優(yōu)策略求解方法的有效性。5負(fù)責(zé)了認(rèn)知無(wú)線電硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)射頻發(fā)射、接收模塊的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，并與基帶和中頻模塊實(shí)現(xiàn)了成功對(duì)接。在射頻聯(lián)調(diào)成功根底上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制方案。本論文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章，緒論。本章介紹了選題的背景和意義，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的定義與研究現(xiàn)狀，論文完成的主要工作和論文結(jié)構(gòu)安排。第二章，博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用。本章介紹了博弈論的根本概念、根本模型、分類和求解方法，分析了認(rèn)知無(wú)線電的交互作用和博弈論在其中的應(yīng)用，建立了認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法的博弈模型。第三章，基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法。本章首先介紹了已有的功率控制博弈算

43、法。分別針對(duì)基于非共享機(jī)制和共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，提出了新的效用函數(shù)模型，設(shè)計(jì)了新的功率控制博弈算法，對(duì)算法收斂性給出了證明。最后對(duì)兩種新算法給出了仿真結(jié)果和分析。驗(yàn)證了算法收斂性，分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)算法性能的影響，并與已有算法的性能進(jìn)行了比擬。第四章，基于實(shí)際吞吐量的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略。本章首先提出了采用OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)最優(yōu)占用信道數(shù)的策略選擇問題。推導(dǎo)了實(shí)際吞吐量的概念，設(shè)計(jì)了策略選擇算法。最后通過仿真驗(yàn)證了實(shí)際吞吐量與分配信道數(shù)的關(guān)系和策略選擇算法的有效性。第五章，認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)。本章首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的根本情況和閉環(huán)功率控制的原理。接著給出了

44、閉環(huán)功率控制的實(shí)現(xiàn)方案和各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程。最后在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上予以實(shí)現(xiàn)。第六章，結(jié)論與展望?？偨Y(jié)論文完成的工作和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，指出存在的問題以及以后的研究方向。2 博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用2.1 博弈論概述2.1.1 博弈論的定義在人類的生活生產(chǎn)活動(dòng)中，經(jīng)常需要針對(duì)不同問題研究對(duì)策。然而某些問題的決策不僅決定于可選對(duì)策對(duì)決策人帶來(lái)的收益，也決定于此決策對(duì)其他竟?fàn)帉?duì)手產(chǎn)生的影響，這種時(shí)候決策者往往處于進(jìn)退兩難的境地。博弈論在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。博弈論，也稱對(duì)策論，是研究決策主體的行為發(fā)生直接相互作用時(shí)候的決策以及這種決策的均衡問題。當(dāng)一個(gè)主體的決策受到其他人決策的影響，而且又反過來(lái)影響其

45、他人的決策時(shí)，這種決策和均衡問題就需要用博弈論的方法來(lái)解決33。眾多學(xué)者給博弈論下的定義也不盡相同，比方：1博弈論提供了一種在相互作用的決策條件下建模和分析的框架及語(yǔ)言，該決策條件是指有著局部相互沖突目標(biāo)的多個(gè)決策者互相產(chǎn)生影響34。2博弈論是研究博弈情景下博弈參與者的理性行為選擇的理論；或者說，是關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)者如何根據(jù)環(huán)境和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況變化，采取最優(yōu)策略和行為的理論35。3博弈論是一個(gè)分析工具包，它被設(shè)計(jì)用來(lái)幫助我們理解所觀察到的決策主體相互作用的現(xiàn)象36。盡管關(guān)于博弈論的定義在描述上有些許區(qū)別，但其本質(zhì)意義是一致的，即博弈論是在決策者具有相互沖突目標(biāo)或交互作用條件下的一種策略選擇理論。博弈論

46、與常規(guī)的優(yōu)化決策理論的不同之處在于：博弈論中參與者在利益上有沖突；參與者要各自做出優(yōu)化決策，并企圖使個(gè)人的利益最大化；每個(gè)人的決策和他人之間有相互作用，即他人的決策會(huì)影響某個(gè)人，而某個(gè)人的決策也會(huì)影響他人；在博弈論中一般假定參與決策的個(gè)體均為“理性的Rational，從而進(jìn)行理智的邏輯思維。博弈論中的所謂“理性，一般不是指道德標(biāo)準(zhǔn)。以博弈的參與者的眼光來(lái)看，他們?cè)噲D去實(shí)施自己認(rèn)為可能是最好的行為，盡管這種行為有可能損害了其他的參與者。因此“理性行為似乎有點(diǎn)“利己，而“不管是否損人。由于參與者的相互依存性，博弈中一個(gè)理性的決策必定建立在預(yù)測(cè)其他參與者的反響之上。這意味著參與者應(yīng)該清楚地知道自己的

47、目標(biāo)和利益，在博弈中針對(duì)其他參與者的策略盡可能地選擇能使自己收益最大化的策略。這樣，博弈中任何一個(gè)參與者的決策不僅會(huì)影響其他參與者的選擇，也會(huì)影響博弈最終的結(jié)果。我國(guó)古代著名的“田忌賽馬可以看作是最早的博弈論應(yīng)用案例。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，博弈理論始于1944年馮.諾依曼John Von Neumann和經(jīng)濟(jì)學(xué)家摩根斯坦Oskar Morgenstern合作的?博弈論與經(jīng)濟(jì)行為The Theory Games and Economic Behavior?一書。在上個(gè)世紀(jì)50年代，納什Nash為非合作博弈的一般理論奠定了根底，他提出了博弈論中最重要的概念納什均衡Nash Equilibrium，開辟了

48、博弈論的一個(gè)全新領(lǐng)域。他規(guī)定了非合作博弈的形式，定義了著名的“納什均衡點(diǎn)37。此后四十余年里，大量學(xué)者致力于開展“納什均衡點(diǎn)理論，探討其實(shí)際應(yīng)用的可能性。到了20世紀(jì)80年代后期，博弈論進(jìn)入繁榮時(shí)期，產(chǎn)生了許多研究成果，博弈論的應(yīng)用范圍也不只是經(jīng)濟(jì)學(xué)的一個(gè)分支，而成為一種方法論，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。2.1.2 博弈論的根本模型及分類博弈論自產(chǎn)生到開展至今已形成了較成熟的理論體系，它具有其自身的根本模型。一個(gè)完整的博弈過程用以下5個(gè)方面來(lái)描述：。1：參與者在英文中譯為Player，也可稱為博弈方，是參與博弈的直接當(dāng)事人，是博弈的決策主體和策略制定者。其中，表示該博弈中有個(gè)參與者。在不同的

49、博弈中參與者的含義是不同的，既可以是個(gè)人也可以是團(tuán)體或者集團(tuán)，關(guān)鍵在于這些參與者是為了一個(gè)共同的目標(biāo)和利益參與博弈的。2：博弈策略在英文中譯為Action，參與者可選擇的全部行為或策略的集合。即規(guī)定每個(gè)參與者在進(jìn)行決策時(shí)同時(shí)或先后，一次或?qū)掖慰梢赃x擇的方法、做法或經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的水平、量值等。它是參與者進(jìn)行博弈的工具和手段，每個(gè)策略集合至少應(yīng)該有兩個(gè)不同的策略。所有參與者策略集合的笛卡爾積構(gòu)成了博弈的策略空間，其中，表示參與者可以選擇的策略集合。3：博弈次序在英文中譯為Strategy。在現(xiàn)實(shí)的各種決策活動(dòng)中，當(dāng)存在多個(gè)獨(dú)立參與者進(jìn)行決策時(shí)，有時(shí)候這些參與者必須同時(shí)做出選擇，因?yàn)檫@樣能保證公平合理。

50、而很多時(shí)候各參與者的決策又必須有先后之分，并且在一些博弈中每個(gè)參與者還要作不止一次的決策選擇，這就產(chǎn)生了一個(gè)次序問題。因此規(guī)定一個(gè)博弈就必須規(guī)定其中的次序。4：博弈信息在英文中譯為Information。信息對(duì)于博弈參與者至關(guān)重要，掌握信息的多少將直接影響到?jīng)Q策的準(zhǔn)確性，從而關(guān)系到整個(gè)博弈的成敗。有經(jīng)驗(yàn)的參與者盡可能多地收集博弈信息，力爭(zhēng)在選取策略和進(jìn)行決策時(shí)掌握主動(dòng)。5：參與者效用在英文中譯為Utility。也可稱為參與者收益。是指參與者從博弈中付出的代價(jià)或得到的收益，它是所有參與者策略的函數(shù)，因此也可以稱為效用函數(shù)?？捎霉奖硎緸椋?。對(duì)應(yīng)于各參與者的每一組可能的決策選擇，博弈都有一個(gè)結(jié)果表

51、示各參與者在該策略組合下的得與失。這就是效用函數(shù)。對(duì)于每一個(gè)參與者，效用函數(shù)的結(jié)構(gòu)與取值將會(huì)影響到參與者的行為，因而也影響到了博弈的最終結(jié)局。由此可知，效用函數(shù)確實(shí)定在博弈論研究中非常重要。從博弈的不同角度和參與者的不同觀點(diǎn)出發(fā)，可以產(chǎn)生許多形形色色的效用函數(shù)，并不唯一。博弈論就是系統(tǒng)研究用上述方法定義的各種各樣的博弈問題，尋求各博弈方合理選擇策略情況下博弈的解，也就是均衡Equilibrium。其中最根本的三個(gè)元素是參與者、博弈策略和效用?，F(xiàn)實(shí)中各種博弈可以從不同的角度進(jìn)行分類。根據(jù)參與人的多少，可以將博弈分為兩人博弈和多人博弈；根據(jù)參與人是否合作，可以將博弈分為合作博弈Cooperativ

52、e Game和非合作博弈Non-cooperative Game；根據(jù)博弈的結(jié)果，又可以將博弈分為零和博弈，常和博弈和變和博弈。在非合作博弈中，現(xiàn)在最流行也最有用的分類方法是從博弈參與人的行動(dòng)次序和在博弈中所獲信息的差異角度來(lái)分，具體為：從決策的先后次序來(lái)分，博弈可以分為靜態(tài)博弈和動(dòng)態(tài)博弈；從參與人各種博弈信息的獲得差異來(lái)分，博弈可以分為完全信息博弈和不完全信息博弈。靜態(tài)博弈指的是博弈中參與者同時(shí)做決策，或雖非同時(shí)但后做決策者并不知道前面的決策者采取的具體策略；動(dòng)態(tài)博弈指的是：參與者的決策過程有先后順序，且后決策者能夠觀察到先決策者所選擇的策略。完全信息指的是每一個(gè)參與者對(duì)其他參與者的特征、策

53、略空間及效用函數(shù)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)；否那么，就是不完全信息。2.1.3 納什均衡的分析和求解均衡是一個(gè)博弈過程的最終穩(wěn)定狀態(tài)。在均衡點(diǎn)上，每個(gè)參與者都不會(huì)主動(dòng)改變自己的策略。前面已經(jīng)講到非合作博弈可從兩個(gè)角度分成四類，而這四類博弈對(duì)應(yīng)者各自不同的均衡點(diǎn)。如表21所示。表21 非合作博弈的分類及對(duì)應(yīng)的均衡概念博弈行動(dòng)順序靜態(tài)動(dòng)態(tài)完全信息完全信息靜態(tài)博弈納什均衡完全信息動(dòng)態(tài)博弈子博弈精煉納什均衡不完全信息不完全信息靜態(tài)博弈貝葉斯納什均衡不完全信息動(dòng)態(tài)博弈精煉貝葉斯納什均衡在這里，我們重點(diǎn)分析非合作博弈中的完全信息靜態(tài)博弈及納什均衡。非合作博弈強(qiáng)調(diào)的是個(gè)體理性、個(gè)體最優(yōu)決策，每個(gè)用戶的選擇策略的原那么是最

54、大化自己的效用，即：式中：參與者在一次博弈中所選擇的策略；除了參與者以外的其余個(gè)參與者在該次博弈中的策略矢量；參與者的策略集合；參與者的效用函數(shù)；本次博弈的參與者集合。納什均衡就是各個(gè)參與者在非合作博弈過程中到達(dá)的穩(wěn)定狀態(tài)。下面給出納什均衡的數(shù)學(xué)定義37：定義2-1：如果一個(gè)博弈過程，對(duì)有：式中：參與者在納什均衡點(diǎn)處選擇的策略，那么這個(gè)策略是博弈的納什均衡點(diǎn)。對(duì)于非合作博弈中的每一個(gè)參與者，真正成功的措施應(yīng)該是：針對(duì)其他參與者所采取的決策，相應(yīng)地采取最有利于自己的策略?；蛘哒f，對(duì)于對(duì)手的每一決策做出最有利于自己的反響。因此，如果存在這樣一種策略組合，為了極大化自己的收益，每一個(gè)參與者所采取的策

55、略是其對(duì)手所采取策略的最正確對(duì)應(yīng)反響，即沒有一個(gè)博弈參與者會(huì)輕率地偏離這個(gè)策略組合而使自己蒙受損失，那么博弈存在納什均衡點(diǎn)，該組策略為納什均衡策略。針對(duì)上面的分析，給出納什均衡的第二個(gè)定義：定義2-2：在集合上的連續(xù)函數(shù)的最優(yōu)策略集合稱為的最正確對(duì)應(yīng)反響B(tài)est Response Correspondence。即映射：根據(jù)定義2-1，納什均衡點(diǎn)處應(yīng)滿足：式中：納什均衡點(diǎn)處所有參與者所選策略的向量，即，；納什均衡處所有參與者所選策略的最正確對(duì)應(yīng)反響組成的向量，即，。納什均衡是一個(gè)博弈的穩(wěn)定狀態(tài)，是博弈最可能到達(dá)的狀態(tài)，是每一個(gè)參與者都不愿意背離的平衡點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)博弈過程到達(dá)納什均衡時(shí)，所有用戶都沒

56、有動(dòng)機(jī)去單獨(dú)改變自己的狀態(tài)。也就是到達(dá)納什均衡后，給定其他用戶的策略不變，如果某用戶單獨(dú)改變自己的策略，那么他的效用函數(shù)將減小。圖21給出了一個(gè)2人博弈到達(dá)納什均衡的示意圖。圖中兩條直線的交點(diǎn)滿足式，為納什均衡點(diǎn)。圖21 2人博弈納什均衡示意圖利用納什均衡概念可以對(duì)非合作博弈中各個(gè)參與者的決策選擇和博弈結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)納什均衡的定義，當(dāng)給定其他參與者采用某個(gè)納什均衡策略時(shí)，所考察的參與者同樣選擇該納什均衡的策略是符合自己利益的。因此如果一個(gè)參與者預(yù)測(cè)或判斷其他參與者都會(huì)采用某個(gè)特定的納什均衡策略，只要這個(gè)參與者是理性的，該參與者的決策選擇和博弈的結(jié)果就較易判斷。這種利用博弈中的納什均衡概念，分析判斷博弈方選擇和博弈結(jié)果的方法