认知无线电系统中联合频谱分配算法研究

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1、博士学位论文认知无线电系统中联合频谱分配算法研究RESEARCHONJOINTSPECTRUMALLOCATIONALGORITHMSINCOGNITIVERADIOSYSTEM谢玉鹏2016年1月国内图书分类号：TN929.5学校代码：10213国际图书分类号：621.396密级：公开工学博士学位论文认知无线电系统中联合频谱分配算法研究博士研究生：谢玉鹏导师：谭学治教授申请学位：工学博士学科：信息与通信工程所在单位：电子与信息工程学院答辩日期：2016年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN929.5U.D.

2、C:621.396DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONJOINTSPECTRUMALLOCATIONALGORITHMSINCOGNITIVERADIOSYSTEMCandidate：XieYupengSupervisor：Prof.TanXuezhiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringInformationandCommunicationSpeciality：EngineeringSchoolofElectroni

3、csandAffiliation：InformationEngineeringDateofDefence：January,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着无线通信技术的快速发展和无线用户数量的逐渐增长，用户对频谱的需要量越来越大，频谱资源紧张成为目前无线电管理中一个严峻的问题。目前，认知无线电静态频谱分配技术缺乏灵活性，导致频谱利用率低、引发频谱浪费。动态频谱分配技术是在保证授权用户正常通信的前提下，分析周围无线环境，对空闲频谱进行二次利用

4、，从而更加有效地使用有限的频谱资源，缓解了无线通信需求与频谱资源之间的矛盾。因此动态频谱分配技术在无线通信领域有非常广阔的应用前景，已成为认知无线电系统中研究热点。本文主要以图论和博弈相关理论为基础，利用最优化方法研究认知无线电中频谱分配问题，具体研究内容如下：本文分别对认知无线电中图论和博弈论的频谱分配算法进行了详细的分析和研究，充分考虑了系统公平、瓶颈认知用户效用和用户间的决策干扰对联合频谱分配性能的影响。本文主要围绕联合分配算法步骤、分配性能的分析和仿真来展开。此外，为了降低认知用户彼此的竞争和减少对授权用户的影响，本文还用可靠性理论

5、描述一个信道是否能够被认知用户所使用以及被连续使用一段时间的概率，进而提出空域、时域和频域三维联合频谱分配算法，从时域、频域和空域进行分析。本文在图论和博弈论相关理论的基础上，提出了四种频谱分配算法，并分析了算法的有效性。本文提出的具体四个创新点分别是：在图论的基础上，针对目前仅适用协作式最大化最小带宽标准的并行算法，存在的认知用户公平性低，瓶颈用户效用不高的问题，本文提出了纵向联合并行的频谱分配算法。计算子图标号时采用协作式最大化最小带宽和协作式最大化比例公平两种不同的标准，分析了不同的比例因子对系统公平的影响。根据最佳的比例因子取值，部

6、分信道运用协作式最大化最小带宽标准分配，在分配这些信道的同时，再对剩余的信道运用协作式最大化比例公平标准进行分配，并计算各个认知用户使用频谱的标号。仿真结果表明纵向联合并行算法的系统公平比已有的并行算法有了明显的改善，瓶颈认知用户信道容量也得到了较大程度的提高。纵向联合并行算法兼顾了系统公平和瓶颈认知用户效用的同时，又有效控制了通信开销。在博弈论的基础上，本文提出了新的非合作博弈的频谱分配算法，克服了用户间决策的干扰影响。在实际的认知无线电通信中，多用户需要共享频谱，认知-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文用户之间不进行相互协作。本文提出新

7、的非合作博弈的频谱分配算法，研究了多个认知用户彼此方案关系，最大化自身的吞吐量。仿真结果表明，新的非合作博弈的频谱分配可以使认知用户和授权用户共享信道，在满足干扰功率约束条件下，认知用户之间进行博弈从而实现合理的功率分配。新的非合作博弈的频谱分配算法的稳定认知用户速率大于传统的非合作博弈算法和下垫式共享的算法，仿真验证了本文提出算法的有效性。从实际应用出发，本文提出了基于图论和博弈论的频谱分配算法。其克服了图论算法不符合实际频谱效用的问题，也克服了博弈论算法从频谱共享池中获取频谱的比较困难的问题。本文首先应用图论算法进行快速的预分配频谱，该

8、算法同时为再次分配保证了公平性，然后用博弈论思想优化初次分配的信道，完成认知用户之间的频谱再次分配，基于图论和博弈论的频谱分配算法充分利用了图论和博弈论的优点。仿真结果表明基于博