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60000字论文范文无线电理论下基于博弈论的频谱利用静态框架描述

论文类型:论文范文
论文字数:60000字
论点:频谱,无线电,分配
论文概述:

深入分析现有频谱分配模型的基础上,建立了基于价格机制的博弈论频谱分配系统框架,并引入频谱差异性概念,设计了认知无线电的静态博弈算法。

论文正文:

第一章引言

1.1研究背景和意义
认知无线电具有灵活性、智能性和可重构参数的特点。通过检测无线通信环境中的频谱空空穴,依靠机器学习和遗传算法有目的地、自适应地改变一些工作参数(如发射功率、调制方式和载波频率),以适应复杂多变的无线通信环境。为了防止它对授权用户造成不必要的干扰,认知无线电需要具有动态频谱切换功能,并且能够自适应地利用空空闲频谱。它可以更灵活地管理和使用频谱,从根本上解决固定频谱分配策略导致的频谱利用率低的问题。
随着信息产业的不断发展,无线通信设备日新月异。从手机和自动抄表设备到蓝牙和WIMAX,每一种新型的无线通信设备都提供强大的功能,给用户带来极大的便利。然而,稀缺的频谱资源和固有的频谱分配模式是其发展的最大阻力。为了不影响电信广播业务等授权用户的正常工作,频谱管理机构为其分配了一些特殊的频段——授权频段,以满足特定的业务需求。
因为这些特殊部门一天24小时不占用频谱,但是当它们的频谱空空闲时,它不允许被其他用户使用,而是白白浪费,并且具有单一服务的许可频带比具有复杂服务的未许可频带大得多。因此,大量光谱落入少数人手中,但并不珍贵。固定频谱分配策略已成为无线电及其产品发展的最大障碍。美国联邦通信委员会(FCC)进行的实际测试表明,如图1-2所示,分配频谱的利用率仅为[4]的15%~85%。因此,对高效、快速、智能的频谱进行了研究。
早期的无线电频谱分配是静态的。通信系统只能在固定的专用频带上工作,使用固定的调制、解调和信道协议。不能实现自适应跳频转换和发射机参数的动态变化。固定频谱分配不仅限制了接入频谱的用户数量,降低了频谱利用效率,而且其反向固定信道通信模式对其他用户造成很大干扰和噪声。为了实现各种通信标准的共存,出现了使用可编程软件的自适应无线电技术,例如软件定义无线电技术[5】。该技术解决了单通道的缺点,允许用户在几个不同的频段之间切换,提高了系统的吞吐量。然而,信道选择是固定的,不能实现智能自适应频率选择。然而,一些最新技术,如多天线技术、调制解调技术和链路自适应技术等。虽然这些技术在一定程度上缓解了无线频谱短缺的现状,提高了频谱利用率,但它们本身受到香农定理的限制,效果不是很理想
。无线电频谱资源有许多独特的属性。随着科学技术的进步,现在可以使用超高频(h-300GHz)进行通信。据信在不久的将来,更高的频带可以用于通信。频谱资源作为一种永久性资源,具有不减不灭的特点。如果[/BR/]频谱有限,将造成资源浪费[6]。
频谱资源的短缺与低频谱利用率形成鲜明对比。为了充分利用频谱资源,认知无线电技术应运而生,并得到了广泛的研究和发展。认知无线电必须具有发现“频谱空空穴”的能力,并具有极高的测量精度。认知无线电用户在使用频谱空孔“进行通信的过程中,总是检查主用户是否有可能重新接入,以确保不会干扰主用户[12]。为了准确监测频谱并找到频谱空孔”,认知无线电需要一个高灵敏度的接收器来测量某一区域的信号功率。如果认知无线电用户发现的频谱空漏洞与微弱信号通信,那么认知无线电用户的“选择性接入”将干扰正常通信的授权用户,这就是所谓的“隐藏终端”。
如果在频谱空闲时检测到用户正在某个区域通信,将会造成频谱的极大浪费。认知无线电必须能够自适应地完成频谱分配。传统的频谱分配是根据一定的固定频谱分配表将频谱分配给指定用户,这使得用户很难根据自己的需求及时调整频谱,固定频谱分配策略导致大量用户得不到足够的可用频谱。这种分配方法相对简单,系统开销低,但不够灵活,使用有限,频谱利用率低。动态频谱分配可以使用户根据自己的需求及时调整频谱,从而满足用户在不同时间对频谱的不同需求。这样,频谱利用率显著提高,但对用户的实时接入和频谱疏散要求更高,算法也更加复杂。

1.2认知无线电技术概述..............................16-20
1.2.1认知无线电的基本概念..............................16-18
1.2.2认知无线电的主要功能..............................18-19 [/BR/] 1.2.3认知无线电的技术特征..............................19-20
1.3认知无线电系统模型..............................1.4本文的主要内容和结构安排..............................21-23
第二章认知无线电技术研究..............................23-32
2.1光谱检测技术..............................23-27 [/BR/] 2.2频谱分配技术..............................27-29 [/BR/] 2.2.1频谱分配技术原理..............................27-28
2.2.2频谱分配技术的分类..............................28-29
2.3频谱管理技术..............................29-32 [/BR/] 2.3.1频谱管理的必要性..............................29[/比尔/] 2.3.2频谱管理的概念..............................29-31 [/BR/] 2.3.3频谱管理现状..............................31-32
第三章博弈论的基本原理及其应用..............................32-38
3.1博弈论概述..............................32-33
3.2非合作博弈论..............................33-36
3.2.1..............................33
3.2.2非合作博弈论的分类..............................33-34[/比尔/] 3.2.3纳什均衡..............................34-35
3.2.4子博弈精炼纳什均衡..............................35[/比尔/ ] 3.2.5贝叶斯纳什均衡..............................35[/比尔/] 3.2.6精炼贝叶斯纳什均衡..............................35-36 [/BR/] 3.3几种常见游戏模式介绍..............................36-38
第4章频谱分配..............................38-56 [/BR/] 4.1频谱分配的博弈分析..............................38-42 [/BR/] 4.1.1博弈分析的数学描述..............................38-39
4.1.2游戏分析框架..............................39-42 [/BR/] 4.1.3频谱分配传输模型..............................基于博弈论的42 [/BR/] 4.2频谱分配算法..............................42-45[/br/ ] 4.2.1频谱需求函数..............................42-44 [/BR/] 4.2.2用户实用功能..............................44[/比尔/] 4.2.3成本函数..............................44-45[/br/ ] 4.2.4主系统的实用功能..............................45
4.3分析和模拟..............................45-54 [/BR/] 4.4本章概述..............................54-56

摘要

由于频谱资源短缺和频谱需求激增,认知无线电技术应运而生,并成为解决这些问题的关键技术,其中频谱分配是关键环节。随着认知无线电技术的发展和应用,多认知无线电用户相互竞争,共享频谱资源,不可避免地增加了无线环境中的干扰,这不仅使得通信更加困难,而且显著增加了通信成本。在此基础上,本文对频谱分配问题进行了详细的研究。在深入分析现有频谱分配模型的基础上,建立了基于价格机制的博弈论频谱分配系统框架,引入频谱差异的概念,设计了认知无线电静态博弈算法。本文的主要研究成果总结如下:
(1)在深入分析现有分配框架的基础上,提出了一种以sps为中心的中央控制分配结构,不仅降低了主用户和次用户的算法复杂度,提高了效率,还减少了主用户和次用户之间的通信,降低了通信成本和额外开销。
(2)在设计频谱分配框架时,考虑了一级用户的先动优势和二级用户的后动优势,平衡了两者的利益,使算法更加通用。
(3)设计了一种基于价格机制的频谱分配静态博弈算法。算法中引入了差异的概念,并提出了价格因子函数来补偿主用户的额外成本。随着分配频谱的增加,效用呈二次曲线,在纳什均衡下得到正效用,从而验证了算法的正确性,提高了频谱利用率。