集中式认知用户频谱分配对策与性能解析
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景与研究意义
在现代无线电通信网络中，频谱是宝贵且有限的资源。目前，频谱的使用通常是由无线电法规部门进行管理。目前世界各国采用的是基于静态的、固定的频谱分配方案，即一个频谱一般仅供一个无线通信系统独立使用。这种静态的无线频谱管理方式简易而有效地避免了不同无线通信系统间的相互干扰，但也使得频谱资源的使用具有高度的不均衡性：大量研究报告表明授权频谱的使用率通常仅为 6%左右，大部分授权频谱的利用率十分低，从而导致了频谱资源的巨大浪费；而非授权频谱的使用却很频繁，随着各种无线业务对频谱需求的大量增加，使得无线移动通信面临着频谱资源严重紧缺的巨大挑战。认知无线电CR (Cognitive Radio)技术是一种智能的频谱共享技术，改变了传统的静态频谱分配思想，应用了动态频谱分配的方法，通过不断地认知外部环境的各种信息，选择合适的工作频率、介质访问协议、调制方式等传输参数以适应环境的变化，理论上允许多维的频谱复用，实现对频谱资源的二次利用;，从而提高频谱利用率。
认知无线电网络CRNs (Cognitive Radio Networs)以认知无线电作为节点，是一种具有认知能力的网络，能够观察当前网络环境的实时现实信息，根据这些信息进行分析、学习，进而实现对网络的规划、调整、决策，并采取适当的行动，智能地适应时变的外部无线环境，最大程度地提高无线网络资源的利用率，增强业务能力，改善用户体验，最终实现端到端性能的提高。
在认知无线电网络中，使用授权频段的用户称为授权用户PU (Primary User)，它对授权频谱的使用具有抢占使用权；而不拥有任何频段而只能利用空闲频谱进行通信的用户称为认知用户SU (Secondary User)，它在不影响授权用户正常通信的情况下机会式地使用授权频谱。认知无线电网络研究的主要问题包括信息获取，学习机制，无线资源管理，网络的自主管理功能，跨层设计及优化，以及网络性能的评估指标等，其中无线资源管理又包括频谱分析、频谱决策、接入控制、频谱分配、资源调度等。
1.2 国内外研究现状
随着无线通信技术的高速发展，频率资源紧张的状况也日渐突出，为满足日益增长的无线通信业务需求、解决频谱资源短缺问题，提高频谱资源利用率成为了促进无线通信业务发展的迫切需求，认知无线电技术应运而生，成为炙手可热的无线技术。近几年，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展关于认知无线电的研究，并且开始着手制定认知无线电的标准化和协议。在此标准化研究工作的推动下，国内外许多专家学者对认知无线电进行了大量的研究，提出了多种频谱分配策略来提高频谱资源的利用率。
博弈论是应用数学的一个分支，是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法。具有竞争或对抗性质的行为称为博弈行为，而博弈的主要目标就是研究博弈行为中各方是否存在着最合理的行为方案，以及如何找到这个合理方案。其应用范围广泛，一些国内外学者将博弈理论应用到如何提高频谱利用率，以不同效用函数为基础来研究频谱分配策略的算法，并进行了相关的性能分析。
Nie N等人提出了一个博弈论框架来分析分布式自适应信道分配中认知无线电的行为，该方法定义了两种不同频谱共享的目标功能来捕捉自私用户和协作用户的效用。一种是基于对协作用户的效用定义，证明了信道分配问题可以模拟为一个潜在的博弈，从而收敛到一个确定的信道分配纳什均衡点。另一种是具有不完整信息需求优势的没有遗憾的学习机制，与被迫协作时的潜在博弈性能相似。文献[13]考虑到影响认知无线电网络性能的因素有频谱或者能量效率、可靠性，吞吐量等，在已有的博弈理论的资源分配算法的基础上，给出在已知不完整的信息时的资源分配算法，并对两种算法进行比较。
第2章 基础知识
认知无线电网络是一种新的具有认知特性的通信网络，以认知无线电作为节点，主要完成物理层感知的功能。与传统无线通信网络相比，无论是在发现空闲频谱方面还是在合理利用频谱方面都有着更强的功能，通过实现自我配置来响应和动态自适应操作和环境的改变。认知无线电是认知无线电网络的核心技术，具有知识、感知、学习等众多特点，能够以最优方式应用其无线电能力，提高频谱资源利用率。
2.1 认知无线电网络的定义和特点
针对不同的应用环境或者技术领域，认知无线电有多种定义。Mitola 博士在其发表的论文中，首次提出了认知无线电的概念，并进一步将其描述为：能够感知外部无线电环境，根据用户的通信需求，选择最适当的无线资源和服务，提高频谱利用率。从频谱管理的角度出发，FCC定义认知无线电为：通过与工作环境进行交互，进而改变发射机参数的无线电设备。从信号处理的角度出发，Simon H教授作了如下定义：认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够对外界通信环境进行感知和智能学习，通过实时调整操作参数，使其内部现实适应环境变化，实现系统的稳定性和提高频谱资源利用率。
认知无线电具备两大基本功能：重配置能力和认知能力。认知能力，可以与周围环境进行交互，从而界定合适的通信参数并适应无线环境，认知无线电与外部无线环境的交互构成了认知无线电的认知循环，包括频谱感知、频谱分析和频谱判决，如图2-1 所示；重配置能力，在不改变硬件组成的前提下，可以根据无线电环境动态编程以调整工作频率、调制方式、发射功率等传输工作参数。
在认知无线电的基础上，Motorola 及 Virginia-Tech 等公司提出认知无线电网络的概念，将其描述为：具有认知无线电的认知特性，能够感知当前网络现实，对这些现实信息进行理解、学习，将学到的知识用于网络的规划和决策，采取适当的行动来适应无线环境的动态变化，增强业务能力，改善用户体验，最终实现端到端性能的提高。
2.2 认知无线电网络的频谱分配策略
认知无线电网络中总是存在频率上、时间上或空间上暂时空闲的频段，由于授权用户的随机性质，认知用户的可用频谱资源的位置和数量是不断变化的，同时空闲频谱资源也是有限的，认知用户之间需要竞争这些资源，所以选择合理的频谱分配策略是优化认知无线电网络、提高频谱有效利用率的关键问题。
目前对于认知无线电网络频谱分配策略的分类，主要按照以下四个指标划分：分配方式、接入模式、合作方式和网络结构。按照分配方式可分为静态频谱分配策略、动态频谱分配策略和混合式频谱分配策略。按照接入模式可分为完全受限频谱分配策略和部分受限频谱分配策略；按照合作方式可分为合作式频谱分配策略和非合作式频谱分配策略；按照网络结构可分为集中式频谱分配策略和分布式频谱分配策略。对于上述频谱分配策略的分类，在实际应用和理论分析研究中通常需要联合使用，针对特定的系统模型或具体的应用场景提出不同的解决方案。
2.2.1 静态和动态频谱分配策略
静态频谱分配是指将固定的频谱分配给特定的无线业务，不能根据实际业务需要对频谱资源进行改变。这是传统的频谱分配方式，较为简易，系统开销小，且可以有效地避免不同用户间的相互干扰。然而，其分配不灵活，不能满足用户不断变化的需求。在这种频谱分配方式下，频谱资源的使用出现条块分割;的现象，使得频谱资源的利用情况极不平衡，由于无线业务的飞速发展，一些非授权频谱被频繁占用，而授权用户是否使用频谱是一个随机过程，导致部分传播特性好的频段的利用率极低。
第3章 单缓存集中式频谱分配策略................15
3.1 基于单缓存的集中式频谱分配策略 ................15
3.2 服务过程可中断的离散时间排队模型 ...............16
第4章 多缓存闸门轮询频谱分配策略.............24
4.1 基于闸门轮询的频谱分配策略 ................24
第5章 多缓存限量轮询频谱分配策略................34
5.1 基于限量轮询的频谱分配策略 ................34
第5章 多缓存限量轮询频谱分配策略
考虑多个认知用户对频谱使用的公平性，引入轮询策略，限制认知用户每次传输的数据包数量，提出基于多缓存的限量轮询频谱分配策略。建立服务过程可中断限量多重休假排队模型，进行认知用户的性能分析及系统参数优化。
5.1 基于限量轮询的频谱分配策略
根据集中式频谱分配策略的工作机制，认知用户对空闲频谱的使用由中央控制器协调和管理。中央控制器通过收集其控制范围内各认知用户的频谱感知信息，建立可用空闲频谱数据库，从而实现频谱的优化分配。中央控制器负责各个认知用户对频谱的访问，可以兼顾不同用户的需求，并尽可能地避免认知用户间的相互干扰。
为了整合不规律和不连续的频谱资源，保障频谱资源分配的公平性和合理性，引入轮询策略，限定认知用户一次传输数据包的个数，提出一种可控制的算法来公平地为各个认知用户分配频谱，称为基于多缓存的限量轮询频谱分配策略。所提出的策略由一个频谱、多个认知用户及多个授权用户构成。该策略的基本工作原理为：
(1) 当认知用户有数据要传输时，首先对授权频谱进行感知，再将认知用户的信息、授权频谱信息及认知用户观察到的授权用户在相应的授权频谱上的活动现实构成授权频谱现实信息表，然后将现实信息表发送给中央控制器。
(2) 中央控制器根据从认知用户收集到的现实信息表，按照先来先传输的调度规则，将空闲频谱分配给认知用户，并建立可用频谱调度表，其中包括频谱索引与分配到该频谱的认知用户索引。最后，中央控制器将调度表广播给认知用户。认知用户对授权频谱进行感知，并发送频谱使用请求，由中央控制器依次将频谱分配给每一个认知用户。
(3) 每一个认知用户按照固定的访问次序在频谱上传输数据包。若分配到频谱的认知用户有数据包需要传输，限定认知用户一次传输数据包的数量，即限制最多传输若干个数据包，传输完成后，中央控制器需经过一个定长的转换时间后，将频谱分配给下一个认知用户。若该认知用户没有数据包需要传输，经过一个定长的转换时间，将频谱分配给下一个认知用户。直至频谱分配给最后一个认知用户后，中央控制器再次将频谱分配给第一个认知用户。如此循环往复，实现多个认知用户对频谱资源共享的公平性。
(4) 由于授权用户对频谱的使用具有抢占优先权，认知用户的数据传输会因授权用户的到达而中断。在这种情况下，考虑认知用户的实时性，并保证认知用户的响应性能，令认知用户丢弃被中断传输的数据包，再次进行频谱感知，等待中央控制器重新为其分配空闲频谱后继续传输其余的数据包。
结 论
认知无线电是提高频谱利用率的一项关键技术，可以有效地缓解匮乏的频谱资源和激增的无线业务需求之间的矛盾。如何选择合理的频谱分配策略，为认知用户分配更多的可用频谱，是能否提高频谱利用率、优化认知无线电网络性能的重要因素。本文对认知用户频谱分配方式进行了相关研究，提出了三种集中式频谱分配策略，并进行了性能分析和参数优化。论文的研究成果如下。
(1) 在已有的集中控制频谱分配算法的基础上，提出了新的集中式频谱分配策略，分别为基于单缓存的集中式频谱分配策略、基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略和限量轮询频谱分配策略。基于单缓存的集中式频谱分配策略中，所有认知用户共享同一个缓存，最大程度地保护了授权用户的传输权益。基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略中，闸门轮询方法保证了认知用户频谱分配的自适应性。而在基于多缓存的限量轮询频谱分配策略中，采用轮询方法为拥有各自缓存的认知用户传输数据包，限定每次传输数据包的数量，保证了认知用户使用频谱的公平性。
(2) 考虑授权用户对频谱使用的抢占优先权，针对基于单缓存的集中式频谱分配策略，建立了服务过程可中断的 Geom/Geom/1排队模型；针对基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略，建立了服务过程可中断的闸门多重休假排队模型；针对基于多缓存的限量轮询频谱分配策略，建立了服务过程可中断的限量多重休假排队模型。相关数学模型的建立为系统的性能分析与参数优化奠定了基础。
(3) 分别采用嵌入马尔可夫链方法及再生循环法，给出相关排队模型的稳态解。针对不同的频谱分配策略，给出了认知用户数据包的平均响应时间、吞吐量、频谱切换率等性能指标的表述式，定量刻画了认知用户系统负载和授权用户到达率对系统性能指标的依赖关系。
(4) 针对所提出的三种集中式认知用户频谱分配策略，分别进行数值实验和系统仿真，揭示了不同性能指标间的折衷关系，通过构造利润函数和成本函数，给出了认知无线电网络中授权用户到达率的优化设计方案。
参考文献（略）