无线频谱二级市场交易与机会接入策略研究

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随着无线通信业务的高速增长,无线频谱已成为稀缺资源。为解决静态频谱规划带来的资源利用率不高问题,产生了认知无线电思想,这意味着无线频谱二次开发将不可避免。要将认知无线电思想付诸实施,就需要深入研究认知无线电网络用户对频谱资源的检测、分析、利用的全过程,得出在各种网络环境中实现认知接入的策略和途径。  本文研究的出发点是得出认知用户在不同的资源类型、网络环境中的接入策略:既包含在二级频谱资源市场中的竞价策略,也包含机会频谱的分布式接入策略。研究的主要任务是在考虑到各种实际应用场景中存在频谱所有者和认知用户的类型、数量和业务需求上的差别前提下,根据博弈论等经济学原理,深入分析认知用户在几种典型的无线频谱二级市场交易与机会频谱资源的接入策略问题。本文的主要贡献在于以下几个方面:  单频谱所有者二级频谱市场交易下的认知用户竞价策略:在频谱所有者给定频谱拍卖交易方式前提下,首次从用户收益最大化的角度并利用经济学理论得出认知用户的竞价策略。首先,深入分析了认知用户收益的三个组成部分,得出其提高收益的主要途径是采用关联价值函数决定频谱价值与防止拍卖者欺诈导致拍卖获胜的零收益。其次,给出了满足频谱价值性质的最优信道关联价值表达式。最后,对拍卖方是否欺诈与多个认知用户选择竞价的非合作博弈进行了分析,在此基础上得出了防止拍卖方欺诈机制。  多频谱所有者二级频谱市场交易下的认知用户竞价策略:研究了认知用户以频分复用方式接入情形下实现完全经济性的频谱资源分配问题。不同于以往研究中将认知用户之间的干扰条件与竞价因素分开考虑得到的半经济性频谱分配机制,本文首次将干扰条件与竞价高低综合分析,提出了基于虚拟拍卖结果的用户联盟形成算法,最终得到认知用户的最佳联盟划分,并实现了高于以往文献频谱分配效率的结果。并且,本文所得出的频谱拍卖机制还可进一步扩展到认知用户之间的累计干扰模型与最大化频谱拍卖方收益的情形。  单授权信道中认知用户下垫式机会频谱接入策略:在建立授权信道上的授权用户数量的状态转移模型基础上,首次得出了单认知用户传输时长与发射功率的联合策略,实现其数据传输量的最大化。首先,对认知用户不同时刻的数据传输量进行了分析,得出了最大化总数据传输量等效于任一授权用户数量状态下的数据传输量最大化;然后,在此基础上得出了认知用户的期望总传输数据量,并通过仿真验证了该传输策略的有效性。  多授权信道及多认知用户填充式机会频谱接入策略:基于对信道、时隙选择过程的均衡分析,实现了多认知用户分布式接入多授权信道上机会频谱资源的信道与时隙最优选择。不同于二级频谱市场,授权信道空闲时段中的时隙可用性呈递减趋势,本文首次提出的时隙选择迭代算法依然可以达到认知用户的纯策略均衡。使得选择同一信道上的认知用户几乎没有相互干扰的传输,极大的提高了频谱利用效率。进一步,利用潜博弈的性质,证明了认知用户之间的信道选择博弈同样可以达到纯策略均衡。最后,通过仿真验证了算法的收敛性能。
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