认知无线网络中频谱共享问题的研究
【摘要】：近年来,随着无线通信的快速发展,频谱需求量的不断增加与频谱稀缺之间的矛盾日渐加深。传统的频谱管理政策下,频谱资源无法得到有效利用是造成目前频谱稀缺现象的主要原因。在推进频谱政策改革的同时,人们也在寻求可以实现多元化频谱共享,提高频谱利用率的技术。在这样的背景下出现的认知无线电,以其独特的技术优势,迅速发展成为公认的实现动态频谱接入的潜力技术和无线通信领域的研究热点之一。基于认知无线电的认知无线网络是目前的研究重点。总体来说,认知无线技术处于发展初期,从理论到实践都存在很多问题和挑战。本论文对认知无线网络中频谱共享问题展开了深入的研究,重点对频谱租赁问题,认知用户合作模式设计问题以及高能效功控问题进行了积极的探索。论文具体的研究工作包括以下几部分：
1.研究了基于协作通信机制的频谱租赁问题。基于协作通信机制的频谱租赁问题的基本思想是：主用户把频谱租赁给次级用户,作为回报,次级用户帮助主用户进行协作传输,提高主用户的链路质量。在租赁问题建模和分析的基础上,提出了一种基于新颖的价格定义的全新定价模型,并利用斯塔克尔伯格博弈模型对主次用户的博弈进行了分析,分类讨论了不同情况下博弈的结果,给出了有效的定价策略。仿真结果验证了所提定价模型的可行性和有效性。该模型为频谱租赁提供了一种新视角和新的标准方法,可以作为一种有效的参考模型,丰富频谱租赁的形式,促进次级频谱市场的发展。
2.研究了基于议价问题的认知用户合作模式设计问题。在假设认知用户通过竞争已经获取一定资源的基础上,基于相互中继的思想,提出了一种适合于分布式认知无线网络的用户合作模式。运用合作博弈论中议价问题的原理,将认知用户之间的合作建模成两用户议价问题,并根据纳什议价解得到了合作策略。通过对仿真结果的分析发现,对于某个认知用户,合作对方越能提供有利的中继条件,其合作的意愿越强。通过合作可以获得的性能提升不仅取决于合作对方作为中继的合适程度,还取决于自身的信道条件。通过合作,认知用户可以同时获益,从而达到双赢的局面。
3.研究了以斯塔克尔伯格均衡为特征的高能效功控问题。以往对高能效功控问题研究都是建立在纳什均衡(NE)假设基础上,并采用网络控制的方法调整均衡点,改善博弈结果。我们创新性的引入了一个更智慧的用户,采用斯塔克尔伯格均衡(SE)来表示博弈的结果,并且证实了SE可以改善NE得到的博弈结果,得到SE不需要网络传递控制信息。仿真结果证实,SE比NE具有更高的效率。相比在NE时,在SE时所有用户的效用有了显著的增加的同时,发射功率也有了明显的下降。从认知观点看,所提观点和方案可视为认知用户根据认知信息改善网络总体性能的实例。
【关键词】：认知无线网络 频谱共享 频谱租赁 合作博弈论 高能效功控 斯塔克尔伯格均衡 【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN925
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-10
- 目录10-13
- 缩写词对照13-15
- 第一章 绪论15-23
- 1.1. 研究背景和研究意义15-21
- 1.1.1. 频谱稀缺和频谱政策改革15-19
- 1.1.2. 动态频谱接入和认知无线技术19-20
- 1.1.3. 研究动机和研究意义20-21
- 1.2. 论文的研究内容和组织结构21-23
- 1.2.1. 研究内容和创新21-22
- 1.2.2. 组织结构22-23
- 第二章 研究现状概述23-59
- 2.1. 相关概念23-32
- 2.1.1. 认知无线电23-26
- 2.1.2. 频谱空洞26-27
- 2.1.3. 干扰温度27-28
- 2.1.4. 频谱产权和频谱交易28-29
- 2.1.5. 动态频谱接入29-30
- 2.1.6. 认知无线网络30-32
- 2.2. 研究现状和存在的挑战32-59
- 2.2.1. 频谱感知32-36
- 2.2.2. 频谱产权和频谱交易36-39
- 2.2.3. 分级频谱接入39-43
- 2.2.4. 开放频谱共享43-45
- 2.2.5. 学习机制45-48
- 2.2.6. 标准化进展48-52
- 2.2.7. 组织机构的动向和研究52-59
- 第三章 次级频谱市场中的频谱租赁59-91
- 3.1. 引言59
- 3.2. 协作通信59-60
- 3.3. 基于协作通信机制的频谱租赁60-90
- 3.3.1. 相关研究60-61
- 3.3.2. 系统模型61-64
- 3.3.3. 问题描述64-67
- 3.3.4. 问题分析67-78
- 3.3.5. 定价策略78-79
- 3.3.6. 仿真验证79-89
- 3.3.7. 讨论89-90
- 3.4. 本章小结90-91
- 第四章 开放共享模型下认知用户的合作91-109
- 4.1. 引言91
- 4.2. 合作博弈论91-92
- 4.3. 基于议价问题的认知用户合作模式设计92-107
- 4.3.1. 相关研究92-93
- 4.3.2. 系统模型93-94
- 4.3.3. 问题描述94-96
- 4.3.4. 博弈模型和问题求解96-99
- 4.3.5. 仿真结果和分析99-107
- 4.4. 本章小结107-109
- 第五章 高能效功率控制109-123
- 5.1. 引言109
- 5.2. 高能效功控109-110
- 5.3. 以斯塔克尔伯格均衡为特征的高能效功控110-121
- 5.3.1. 相关研究110-111
- 5.3.2. 系统模型111
- 5.3.3. 问题描述和NE111-112
- 5.3.4. 问题分析和SE112-114
- 5.3.5. 问题求解114-115
- 5.3.6. 认知观点115-116
- 5.3.7. 仿真结果和分析116-121
- 5.4. 本章小结121-123
- 第六章 总结与展望123-125
- 6.1. 总结123-124
- 6.2. 不足与展望124-125
- 参考文献125-137
- 致谢137-139
- 攻读博士学位期间研究成果139
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