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基于博弈论的认知无线电频谱共享算法研究

秦文丽  
【摘要】: 随着无线通信技术在人们日常生活中的广泛应用,频谱资源匮乏问题日益严重。研究表明,目前的固定频谱分配制度导致资源平均利用率低下,且极不平衡。有限的可用频谱和低的频谱资源利用率决定了急需一种新的通信方式。认知无线电的出现为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 认知无线电中的频谱共享问题一直是国内外理论研究的热点,自认知无线电概念提出至今,不少学者提出了频谱共享问题的分析模型,它们大多是借鉴一些经典的数学理论以及微观经济学理论,近年来出现了基于博弈论的研究方法,但算法局限性大,与认知无线电系统的实际工作环境存在差异,因此研究符合实际情况的频谱共享博弈模型,拓展博弈算法的应用,具有深远的理论意义和现实意义。 本文在深入分析现有频谱共享模型的基础上,首先建立了认知无线电网络频谱共享的系统框架,提出认知无线电网络频谱共享的博弈模型,其次应用该模型,引入频谱差异性概念,设计了认知无线电网络中频谱共享的三种博弈算法——静态伯川德(Bertrand)博弈算法,动态斯坦克尔伯格(Stackelberg)博弈算法和重复博弈算法,三种算法均以主系统效用最大化为设计目标,以改善主系统频谱利用率为最终目的。最后利用数值分析的方法求解均衡结果,详细阐述了频谱的水平差异和垂直差异对主系统共享频谱的积极性和主系统频谱利用率的影响,并比较三种算法的优缺点。 数值分析结果表明,三种算法都能够提高主系统的效用,但动态算法中后行动者具有优势,效用更高,对于重复博弈算法,只要设置了适当的惩罚机制,不同主系统则相互合作,最终实现帕累托最优,极大地调动了主系统共享频谱的积极性,而且三种算法均不同程度的改善了主系统的频谱利用率。


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