認(rèn)知無線電系統(tǒng)中聯(lián)合頻譜分配算法研究

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1、博士學(xué)位論文認(rèn)知無線電系統(tǒng)中聯(lián)合頻譜分配算法研究RESEARCHONJOINTSPECTRUMALLOCATIONALGORITHMSINCOGNITIVERADIOSYSTEM謝玉鵬2016年1月國內(nèi)圖書分類號：TN929.5學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：621.396密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文認(rèn)知無線電系統(tǒng)中聯(lián)合頻譜分配算法研究博士研究生：謝玉鵬導(dǎo)師：譚學(xué)治教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：信息與通信工程所在單位：電子與信息工程學(xué)院答辯日期：2016年1月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TN929.5U.D.

2、C:621.396DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONJOINTSPECTRUMALLOCATIONALGORITHMSINCOGNITIVERADIOSYSTEMCandidate：XieYupengSupervisor：Prof.TanXuezhiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringInformationandCommunicationSpeciality：EngineeringSchoolofElectroni

3、csandAffiliation：InformationEngineeringDateofDefence：January,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和無線用戶數(shù)量的逐漸增長，用戶對頻譜的需要量越來越大，頻譜資源緊張成為目前無線電管理中一個(gè)嚴(yán)峻的問題。目前，認(rèn)知無線電靜態(tài)頻譜分配技術(shù)缺乏靈活性，導(dǎo)致頻譜利用率低、引發(fā)頻譜浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)是在保證授權(quán)用戶正常通信的前提下，分析周圍無線環(huán)境，對空閑頻譜進(jìn)行二次利用

4、，從而更加有效地使用有限的頻譜資源，緩解了無線通信需求與頻譜資源之間的矛盾。因此動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)在無線通信領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景，已成為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中研究熱點(diǎn)。本文主要以圖論和博弈相關(guān)理論為基礎(chǔ)，利用最優(yōu)化方法研究認(rèn)知無線電中頻譜分配問題，具體研究內(nèi)容如下：本文分別對認(rèn)知無線電中圖論和博弈論的頻譜分配算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，充分考慮了系統(tǒng)公平、瓶頸認(rèn)知用戶效用和用戶間的決策干擾對聯(lián)合頻譜分配性能的影響。本文主要圍繞聯(lián)合分配算法步驟、分配性能的分析和仿真來展開。此外，為了降低認(rèn)知用戶彼此的競爭和減少對授權(quán)用戶的影響，本文還用可靠性理論

5、描述一個(gè)信道是否能夠被認(rèn)知用戶所使用以及被連續(xù)使用一段時(shí)間的概率，進(jìn)而提出空域、時(shí)域和頻域三維聯(lián)合頻譜分配算法，從時(shí)域、頻域和空域進(jìn)行分析。本文在圖論和博弈論相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，提出了四種頻譜分配算法，并分析了算法的有效性。本文提出的具體四個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)分別是：在圖論的基礎(chǔ)上，針對目前僅適用協(xié)作式最大化最小帶寬標(biāo)準(zhǔn)的并行算法，存在的認(rèn)知用戶公平性低，瓶頸用戶效用不高的問題，本文提出了縱向聯(lián)合并行的頻譜分配算法。計(jì)算子圖標(biāo)號時(shí)采用協(xié)作式最大化最小帶寬和協(xié)作式最大化比例公平兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)，分析了不同的比例因子對系統(tǒng)公平的影響。根據(jù)最佳的比例因子取值，部

6、分信道運(yùn)用協(xié)作式最大化最小帶寬標(biāo)準(zhǔn)分配，在分配這些信道的同時(shí)，再對剩余的信道運(yùn)用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配，并計(jì)算各個(gè)認(rèn)知用戶使用頻譜的標(biāo)號。仿真結(jié)果表明縱向聯(lián)合并行算法的系統(tǒng)公平比已有的并行算法有了明顯的改善，瓶頸認(rèn)知用戶信道容量也得到了較大程度的提高?？v向聯(lián)合并行算法兼顧了系統(tǒng)公平和瓶頸認(rèn)知用戶效用的同時(shí)，又有效控制了通信開銷。在博弈論的基礎(chǔ)上，本文提出了新的非合作博弈的頻譜分配算法，克服了用戶間決策的干擾影響。在實(shí)際的認(rèn)知無線電通信中，多用戶需要共享頻譜，認(rèn)知-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文用戶之間不進(jìn)行相互協(xié)作。本文提出新

7、的非合作博弈的頻譜分配算法，研究了多個(gè)認(rèn)知用戶彼此方案關(guān)系，最大化自身的吞吐量。仿真結(jié)果表明，新的非合作博弈的頻譜分配可以使認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶共享信道，在滿足干擾功率約束條件下，認(rèn)知用戶之間進(jìn)行博弈從而實(shí)現(xiàn)合理的功率分配。新的非合作博弈的頻譜分配算法的穩(wěn)定認(rèn)知用戶速率大于傳統(tǒng)的非合作博弈算法和下墊式共享的算法，仿真驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，本文提出了基于圖論和博弈論的頻譜分配算法。其克服了圖論算法不符合實(shí)際頻譜效用的問題，也克服了博弈論算法從頻譜共享池中獲取頻譜的比較困難的問題。本文首先應(yīng)用圖論算法進(jìn)行快速的預(yù)分配頻譜，該

8、算法同時(shí)為再次分配保證了公平性，然后用博弈論思想優(yōu)化初次分配的信道，完成認(rèn)知用戶之間的頻譜再次分配，基于圖論和博弈論的頻譜分配算法充分利用了圖論和博弈論的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明基于博