基于差异定价之某无线电频谱分配算法浅析

第1章绪论

1.1 本文研究的背景和意义

统计结果显示，频谱匮乏一部分原因是由于频谱分配方式不合理造成的。美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission，FCC)经调查研究证实，在频域上一 些 非 授 权 频 段 如 工 业 频 段 (900-928MHz) 、 科 研 (2.42-2.4835GHz) 和 医 用(5.725-5.850GHz)频段以及 2GHz 左右无线通信频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲[1]。在时域上通信高峰期具有周期性特点，一般在凌晨左右频谱利用率最低，从空域上看城市的频谱利用率比农村要高很多。

基于博弈论的频谱分配算法致力于解决用户接入时用户间竞争与冲突的问题，一般情况下，授权用户不会无偿地将自己的频谱共享给其它非授权用户使用，频谱交易的直接目的是为了获取一定额外收益。在频谱共享过程中主用户会设置干扰温度门限值控制次用户产生的噪声保证自身通信质量。基于博弈竞价的频谱分配算法实现了协调各主用户价格竞争局面达到均衡的目的，差异定价分配算法能够合理有效区分主用户不同质量频谱，实现分配算法的公平性与有效性的有机统一。

1.2 国内外的研究现状

2000 年 oseph Mitola 博士首先提出了认知无线概念[2]，当时的认知无线电概念只是一个初步构想，后来在世界各地学者研究过程中，认知无线电理论逐渐得到充实，产生了一些有代表性的成果。首先对动态频谱接入(Dynamic SpectrumAccess,DSA)技术研究的是美国DARPA的XG 项目组。XG 项目组的卓越成就是提出了一种频谱共享方式[3]。构建了一个完整的认知网络模型，为以后的研究奠定了理论框架，初步完成了对认知网络拓扑结构的描述，该模型如图 1.1 所示：

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第2章 博弈论基础理论

2.1 博弈论概念及发展历程

博弈论又称对策论，是基于数学理论模型研究竞争对抗条件下最优决策问题的学科。实质就是研究在给定信息情况下，有理性的博弈参与者如何决策能够最大化自己的效用，以及各决策主体分别做出何种决策博弈系统能够达到均衡并判断该均衡是否是帕累托最优。

假设有小偷 1 和 2 一起作案，两人私入民宅被警察抓住，警察将二人分别关押，目的是防止两人串供。警察给每个小偷的政策相同：若两人都认罪，则各被判刑 8 年；若一个认罪，另一个不认罪，则认罪的人立刻释放，不认罪的人判 10 年；如果两个都不认罪，各判入 1 年。以上的政策同时告知两人。两人的效用矩阵如表 2.1 所示：

分析这个囚徒困境，从小偷 1 的角度看，如果小偷 2 选认罪的话，那么小偷 1 选认罪会判 8 年，选不认罪会判 10 年，所以他选认罪是最优的；同理，若小偷 2 选择不认罪，那么小偷 1 选择认罪判 0 年，选不认罪判 1 年，所以他选择认罪是最优的，综合以上两种情况，无论小偷 2 做何选择，小偷 1 都会选认罪。同样道理适宜小偷 2，得到该博弈的纳什均衡为两个小偷都认罪。照这样分析两个人都会选认罪，都被判刑 8年。但是若他们都选择不认罪，每个人只被判刑 1 年。每个小偷都不认罪是帕累托最优的，这个例子说明纳什均衡不一定是帕累托最优。

2.2 博弈论要素

由于研究侧重方面不同，对博弈论中要素的描述也有所不同。博弈论研究界认可的、比较完备的要素定义如下：1.博弈参与人(player)：指有独立决策权的参与者，可以是独立个人也可以是组织。在一般情况下，博弈参与者地位是平等的。2.博弈行为(action)或者策略(strategy)：指博弈参与者在决策时可选择的方法策略的集合。3.参与人的偏好(preference)：指博弈参与人对策略集合中的偏好关系集合。以本文研究的动态频谱分配算法为例，博弈参与者(即通信用户)偏好选择具有较低 SINR 和较高传输速率的信道。4.博弈信息(information):指博弈参与人在做决策时掌握的和博弈关于的信息。通常情况下掌握信息越完备越能做出现对自己有利的决策。5.博弈次序(order)：指博弈参与人制定策略或者采取行动的先后顺序。6.博弈收益(payoff)：指博弈参与人做出决策后的所得和所失,是所有参与人策略的函数。

第 3 章认知无线电及动态频谱分配技术 ...........................15

3.1 认知无线电的基本知识 ..................................15

3.1.1 基本定义 ...........................................15

3.1.2 认知无线电的关键技术 ...............................16

3.2 动态频谱分配技术 ......................................17

第 4 章基于博弈竞价机制的频谱分配算法研究 .....................23

4.1 概述 ..................................................23

4.2 系统模型 ..............................................23

4.2.1 博弈论分析解决动态频谱分配问题的可行性研究 .........24

4.2.2 算法目标分析 .......................................24

第 5 章基于差异定价的频谱分配算法研究 .........................39

5.1 算法描述 .............................................. 39

5.1.1 算法研究目标....................................... 39

5.1.2 任务分析........................................... 39

5.2 频谱质量评价参数 ...................................... 40

第 5 章基于差异定价的频谱分配算法研究

5.1 算法描述

合理的收入机制，是主用户共享频谱接入机会给次用户的主要动力。次用户以货币补偿方式作为对授权用户共享频谱的回报。定价在频谱交易中起着关键的作用。

在认知无线电系统中,当授权用户的频谱全部或部分暂时空闲时，主用户通过频谱共享的方式出租给认知用户，在频谱交易的过程中获得一定收益。主用户期望高价出租，次用户期望低价获得，主用户和次用户在动态的价格博弈中逐渐调整各自的策略，最终达成协议，频谱分配成功实现。

5.2 频谱质量评价参数

认知无线电一个典型特征就是次用户具有感知功能,次用户可以通过检测外界无线通信环境评估不同主用户信道占用情况及信道质量,制定合理接入策略有选择性地接入某个主用户。通信用户对无线通信环境的要求是多种多样的，大体可以分为对误码和延时的要求。假定认知网络中通信业务类型有三类，分别为语音业务、视频会议业务和网页浏览业务。其中对时延的要求很高对误码率要求相对较低的为的为语音业务；对误码率要求很高对时延要求较低的为网页浏览业务；对时延和误码率要求都较高为电视电话会议业务。针对不同类型的通信业务,通过层次分析法可定量分析每种业务中误码率和延时的重要性。层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是由美国运筹学家 TLSaaty 教授提出的。层次分析法通过分层分析各种影响因素进而将复杂问题简易化。

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第 6 章总结与展望

认知无线电技术是解决当下频谱匮乏的有效手段，已经得到越来越大的关注和认可，认知无线电的主要研究方向在频谱感知、频谱分配、功率控制等方面。频谱分配在认知无线电领域无疑是一个全新的思路，它主张采用动态的方法来管理无线电资源，对故有的理论和实践都是一种改革和创新，对未来无线电的发展提供了方向。本文就认知无线电频谱分配模型和分配理论做了深入的研究。首先，分析了认知无线电的产生意义以及目的，明确了认知无线电是时代的产物；其次，对认知无线电的发展现状做了简易阐述，总结了认知无线电领域的关键技术；再次，在关键技术的基础之上，对现有认知无线电频谱分配模型做了研究。最后，针对基于博弈论的频谱分配方法，对基于博弈竞价的频谱分配算法及差异化定价的频谱分配算法做了流程研究以及仿真分析。得出基于差异定价的频谱分配算法能够充分考虑到频谱的差异性并且能提高主用户的效用。频谱分配又作为认知无线的关键技术，对其进行了深入的研究意义重大贡献。然而由于作者能力和时间有限，研究还不够深入和彻底，还有以下几方面值得关注：1.如果充分量化分析频谱质量中时延与误码率的重要性，本文给出以 0-9 加权值衡量的方法，如何能在此基础之上探索出一条完全量化分析频谱质量的标准。2.就公平与效率的问题，本文通过比较效用函数的分析方法比较了差异化定价算法与单一定价算法主用户的收益，如何继续探索差异化定价方法对次用户的影响，以及对整个认知无线电系统效率及效用的影响是下一步研究的问题。

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参考文献（略）