认知无线电网络中的频谱资源分配方法研究

第２６卷第８期　２０１０年８月　信号处理　ＳＩＧＮＡＬ　ＰＲ０ＣＥＳＳＩＮＧ　Ｖｏ１．２６．　Ｎｏ．８　ＡＵＥ．２Ｏｌ０　

认知无线电动态频谱分配新算法　

杨　磊　殷福亮　陈　苗　

（大连理工大学电子与信息工程学院，辽宁大连１１６０２４）　

摘要：动态频谱分配技术是认知无线电的一项关键技术，本文针对以ＯＦＤＭ为传输技术的认知无线电系统，提出了　固定速率认知用户和变速率认知用户并存情况下的动态频谱分配新算法。本文算法以最小化每比特发射功率为目标，运用　最小最大准则与分步求解的方法，对系统目标函数予以简化，在最大公平意义上对认知小区的空闲频谱资源进行动态分配。　仿真结果表明，该算法具有较好的公平性，在固定速率用户功率最小化需求和变速率用户吞吐量最大化的需求之间取得了　比较好的平衡，适用于两种需求用户并存环境下的认知无线电系统。　关键词：认知无线电；动态频谱分配；最小最大准则；ＯＦＤＭ　中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—０５３０（２０１０）０８—１２１１—０６　

Ｎｏｖｅｌ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　Ｒａｄｉｏ　

ＹＡＮＧ　Ｌｅｉ　ＹＩＮ　Ｆｕ—ｌｉａｎｇ　ＣＨＥＮ　Ｚｈｅ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｎｅｗ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏ—　

ｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＯＦＤＭ　ｂａｓｅｄ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｐｅｒ　ｂｉｔ，ａｌｌｏｃａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｃｅｌｌ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ｉｎ　ａ　ｓｅｎｓｅ　ｏｆ　ｆａｉｒ　ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｂｊｅｃｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｎ—ｍａｘ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｅｏｎｆｉｒｎｌ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔ’Ｓ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｈｅ　ｆａｉｒ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｂａｌａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｎｉｍｉｚａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ，ｉｔ’Ｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｅｘｉｓｔ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｕｓｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ；ｍｉｎ—ｍａｘ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ＯＦＤＭ　

研究与开发　

认知无线网络中基于用户需求和频谱聚合的动态频谱分配　

张华晶，徐少毅，乔晓瑜　

（北京交通大学电子信息工程学院北京１０００４４）　

１　前言　认知无线电技术可以感知周嗣无线环境择机利用频谱空洞，从而达到提高频谱效率的目的。在认　知无线电网络中，现有的频谱分配算法大部分是基于连续频谱分配并且没有考虑用户的需求。但　是连续频谱分配会生成许多小于用户需求的频谱片段，这些频谱片段不能被充分利用，从而造成　频谱浪费。本文基于图论提出了一种联合考虑用户需求和非连续频谱聚合的频谱分配算法。在该　算法中，非连续的频谱片段被聚合以尽可能多地满足用户总需求．充分利用了小的频谱片段，避免　了频谱浪费，从而提高频谱效率。　关键词认知无线网络；频谱分配；　用户需求；频谱聚合　

随着无线通信的高速发展，可用频谱资源变得越来越　

少。但是，纵观各地区（包括城市热点地区）的无线频谱状　

态，可以发现：很多频谱资源在一段时间内处于空闲状态【ｌ　

——根据时间和地理位置的不同，授权频段使用率在１５％　

到８５％之间不等　。如果次用户可以接人频谱空洞（在一　

定的时间内或者在特殊的地理位置未被主用户占用的授　

权频段），可以大大提高频谱效率。而认知无线电技术可以　

感知并利用频谱空洞．为提高频谱利用效率提供了一种有　

效途径。　

认知无线网络不同于传统无线网络，其频谱可用性是　

动态变化的，用户需要择机接人不同的频段——这一特点　使传统的频谱分配方法不适用于认知无线网络，所以提出　

适合认知无线网络的频谱分配算法势在必行。图论做为一　

种最优理论，是设计和分析频谱分配算法的有用工具，在　

￥　国家科技重大专项基金资助项目（Ｎｏ．２００９ＺＸ０３００３～００７—０３）　国家“８６３”计划基金资助项目（Ｎｏ．２００９ＡＡ０１１８０５）　频谱分配算法的研究中被广泛应用。在参考文献『３１中，基　

于列表着色（１ｉｓｔ．ｃｏｌｏｒｉｎｇ）模型提出了３种具有不同复杂度　和不同性能的分布式算法：贪婪算法、公平算法和随机算　

第３８卷第５期　２０１０年５月　华南理工大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖ０１．３８　ＮＯ．５　Ｍａｖ　２０１０　

文章编号：１０００－５６５Ｘ（２０１０）０５—００２２－０５　

基于博弈理论的认知无线电频谱分配米　

谭学治　刘玉涛　魏守明　

（哈尔滨工业大学通信技术研究所，黑龙江哈尔滨１５００８０）　

摘要：在认知用户效用函数的基础上，应用寡头市场博弈模型来解决频谱分配中的授权　用户博弈问题．根据认知用户的效用函数以及Ｂｅｒｔｒａｎｄ、Ｃｏｕｍｏｔ均衡理论提出了授权用户信　

道竞价的动态Ｂｅｒｔｒａｎｄ博弈算法．理论与仿真结果表明：稳定的纳什均衡解与速率调整参数　

有关，当速率调整参数小于０．０２０时，可以在较短的时间内获得稳定的信道价格；同时，纳什　

均衡点与边际成本有关，较高的边际成本可以获得较高的信道价格．　关键词：认知无线电；频谱分配；差别寡头市场；Ｃｏｕｒｎｏｔ均衡；Ｂｅｒｔｒａｎｄ均衡　

中图分类号：ＴＮ９２９．５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—５６５Ｘ．２０１０．０５．００５　

由于现有的频谱授权机制采用固定的频谱分配，　使得频谱利用率低，造成了频谱资源的大量浪费，而　

认知无线电被认为是解决无线频谱低利用率问题的　

最佳方案．认知无线电具有在不影响其他授权用户即　

主用户的前提下智能地利用大量频谱空穴，并且可实　现随时随地、高可靠性的通信　．　

针对认知无线电中的频谱分配问题，已有很多的　专家应用博弈理论来分析和处理：Ｍａｎｉｔｏｂａ大学的研　

究小组提出了一个动态博弈模型，认知用户可以根据　

频谱需求反复调整自身的策略，最终得到稳定的均衡　状态Ｉ４　；Ｈｕａｎｇ等　将博弈论中的拍卖机制应用到分　

布式频谱共享中，并得到了纳什均衡；Ｗａｎｇ等　设计　

了一个信道／功率分配方案，将价格机制引入到了频　

无线通信中的频谱分配技术研究

无线通信一直是人类通信领域的重要研究方向之一，随着各种无线设备的不断普及，频谱资源的紧缺问题也日益凸显。频谱分配技术作为解决频谱紧缺问题的一种重要手段，受到了广泛关注和深入研究。

一、频谱分配技术的概述

频谱分配技术是指在有限的频谱资源下，合理地将频段分配给各个通信系统，从而使得不同系统之间的通信可以相互协调，充分利用频谱资源。频谱分配主要包括静态频谱分配和动态频谱分配两种方式。

静态频谱分配是指指定每个通信系统需要使用的频段，以及每个通信系统使用频段的时长，这种方式可以充分保证通信系统之间的频段不会互相干扰，但是无法充分利用频谱资源，因为可能存在很长一段时间内某个频段一直没有被使用。

动态频谱分配是指在通信系统需要使用频段的时候，通过某种机制对频谱资源进行分配，从而使得未被使用的频段可以被其他系统使用，从而更加充分地利用频谱资源。动态频谱分配的方式可以进一步细分为中央控制和分布式两种。

二、频谱分配技术的主要应用领域

频谱分配技术在各种无线通信系统中都有广泛应用，如移动通信、卫星通信、广播电视等等。其中，移动通信是最典型的应用领域之一。

移动通信系统中，频谱分配技术的重要性不言而喻。由于移动通信用户数量巨大，同时移动通信网络的基础设施相对固定，因此频谱资源的管理和分配非常重要。合理地分配频谱资源可以提升移动通信系统的通信容量、优化系统的质量和服务品质。同时频谱资源的有效管理还能有效地防止频谱乱用、频段占用等问题的发生。

三、当前频谱分配技术的瓶颈和发展趋势

目前，频谱分配技术面临着诸多挑战和瓶颈。首先，频谱资源越来越紧缺，这就要求频谱分配技术需要更加智能、更加高效。其次，移动通信用户的数量和密度不断增加，这就要求频谱分配技术需要更加灵活、更加具有适应性。另外，在动态频谱分配方式下，频谱管理和频段的分配需要更加精细和严密。

为了解决这些问题，未来频谱分配技术的发展趋势有以下几个方面：