基于进化博弈论的认知无线电网络频谱分配算法研究

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认知无线电(Cognitive Radio,CR)由于其动态分配频谱资源特性,能帮助认知用户在不影响授权用户的条件下伺机地使用某段空闲频谱,实现授权用户与认知用户之间频谱资源的共享,解决了对不可再生频谱资源再利用的问题,提高了频谱利用率。因此,被认为是未来无线通信发展最重要的技术。  认知无线电中的动态频谱分配技术为认知网络提供了一个合理可行的分配频谱资源的途径。而认知无线电系统中首要用户竞相租赁空闲频谱给认知用户的过程可看成一个频谱租赁市场。这个过程中就存在首要用户之间对出租频谱的博弈及认知用户之间租借频谱的博弈。我们可以用而博弈论的方法为博弈过程找到纳什均衡点,也即是频谱分配的最优策略点。  首先从网络架构、频谱分配行为、频谱分配方式及共享接入方式四个角度将频谱分配技术分为九种,并对国内外认知无线电中频谱分配的相关研究进行深入的分析。然后构建了基于博弈论的认知无线电频谱分配模型,并对基于博弈论的认知无线电频谱分配模型从合作博弈和非合作博弈两大类进行了阐述。  本文采用了非合作博弈中的进化博弈模型来研究认知无线电网络中的动态频谱分配问题。基于进化博弈论对认知无线电网络频谱进行分配是一个较为复杂的问题,且算法复杂度非常高。目前已有的研究都是集中在为大量的认知用户群体分配频谱的问题或者是只关注于首要用户之间的价格博弈而忽略了认知用户之间对频谱的博弈,没有用进化博弈论来考虑一个认知用户群体之间对频谱的博弈及首要用户对价格的博弈问题。  考虑了用进化博弈论的方法来分析在一个有2个首要用户和30个认知用户的认知网络中的频谱分配行为,提出了基于进化博弈论模型的认知无线电网络的频谱分配算法。将频谱分配这种特殊的问题更加形象、直观的理解为认知用户为最大化自己的效益在选择频谱时的进化过程,及首要用户为了最大化各自的收益,合理地决定频谱出售价格的行为。  采用MATLAB工具对提出的方法进行了验证。通过从认知用户的进化均衡自适应、认知用户群体a进化算法的收敛性、首要用户的最优反应和纳什均衡、首要用户的收益四个方面来分析和揭示了不同参数设置下认知用户的进化博弈过程及进化均衡和首要用户收益的变化及纳什均衡点的变化。当认知用户群体购买的频谱达到进化均衡状态时,接入到首要用户1和2的认知用户的数量及首要用户的收益均达到稳定状态,此时首要用户收益是最大化的,且认知网络的效用也最大化。这些结果表明了提出的基于进化博弈论的频谱分配算法的有效性。
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