基于博弈论的认知网络频谱共享研究

论文摘要

在无线网络中频谱是一种稀缺的资源。而认知无线电技术能提高频谱利用率。传统情况下,无线频谱静态分配给授权的无线用户,然而一些频谱在一些时间段和某些位置大量地未使用,我们称这些频谱为频谱洞或频谱机会。认知无线电利用这些频谱机会改善了频谱利用率和网络性能。基于软件定义无线电的发展,认知收发设备具有感知所处的无线电环境,并根据环境变化自适应调整系统参数等捷变特性,这些特性使得认知用户能够共享授权用户的频谱资源,从而提高频谱利用率,同时增加频谱所有者的收益。然而认知领域大多数研究工作强调频谱共享的技术方面,如频谱检测、适于动态频谱接入的协议、动态无线资源控制等。本文研究频谱共享的经济方面,使用频谱贸易表示认知环境中买卖无线资源的过程。本文所作的几点工作如下：一、本文的第二章简要介绍了认知网络架构,讨论了频谱管理功能：频谱检测、频谱决策、频谱共享、频谱移动。描述了认知无线电的不同网络架构、协议行为及不同的频谱共享模型。阐述了频谱贸易的动机和必要性,分析了频谱贸易的不同结构、相关的研究问题、可能的解决方案。从网络用户行为分析、有效的动态分布式设计两方面综述了基于博弈理论的动态频谱共享。二、本文的第三章研究了认知网络环境下的上行功率控制定价问题,即认知用户理性地调整上行传输功率,目标最大化自身的净效用,而主服务提供商根据认知用户发送的功率大小向认知用户收取一定的费用,增加收益。用非合作博弈描述了认知用户的竞争行为,论证了纳什均衡的存在性和唯一性。基于唯一均衡,描述了主服务提供商的定价问题为非凸优化问题,提出了一个次优的定价方案,该方案具有一定的公平性。三、本文的第四章将多个主服务提供商间的价格竞争建模为寡头博弈,纳什均衡和斯塔克伯格均衡分别作为同步行动博弈和领导者-追随者博弈的解。为获得最高总收益,同时考虑了合作定价,给出了两种公平的收益分配方案。四、本文的第五章呈现了一个层次化频谱贸易模型,分析了电视广播机构、运营商、用户驻地设备间的交互。将多个电视广播机构和多个运营商间的频谱贸易建模为双向拍卖,给出了简单易行的算法。使用演化博弈理论描述认知用户在选择运营商时的动态行为,用中心化算法实行网络选择的演化过程。用非合作博弈描述运营商间的接入价格竞争。为追求最大化利润,运营商应合理地联合决定所需的电视信道数和业务接入价格。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 认知无线电的出现
• 1.2 认知无线电研究内容
• 1.2.1 频谱检测
• 1.2.2 频谱定价
• 1.2.3 功率控制
• 1.3 认知网络及应用场景
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文结构及内容安排
• 参考文献
• 第二章 认知网络频谱管理概述
• 2.1 CR网络架构
• 2.2 频谱管理
• 2.2.2 频谱检测
• 2.2.3 频谱判决
• 2.2.4 频谱共享
• 2.2.5 频谱移动
• 2.3 频谱共享
• 2.3.1 频谱共享技术
• 2.3.2 频谱共享模型
• 2.3.3 架构和协议
• 2.3.4 频谱共享和频谱贸易
• 2.4 频谱贸易
• 2.4.1 架构
• 2.4.2 关联的问题
• 2.5 基于博弈论的频谱共享
• 2.5.1 动机
• 2.5.2 博弈论基本概念
• 2.5.3 博弈模型
• 2.5.4 有效的分布式动态频谱共享
• 参考文献
• 第三章 认知网络中上行功率控制定价方案
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 分析框架
• 3.3.1 基于非合作博弈的功控
• 3.3.2 基站收益最大化
• 3.4 定价方案
• 3.5 性能分析
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第四章 基于寡头竞争定价的频谱共享
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型和假设
• 4.2.1 授权系统和认知系统
• 4.2.2 无线传输模型
• 4.2.3 频谱需求函数
• 4.2.4 授权系统的收益和成本函数
• 4.3 非合作博弈模型
• 4.3.1 同步行动博弈
• 4.3.2 领导者-追随者博弈
• 4.4 合作及收益共享
• 4.4.1 合作
• 4.4.2 收益共享
• 4.5 性能评价
• 4.5.1 参数设置
• 4.5.2 数值结果
• 4.6 结论
• 参考文献
• 第五章 基于频谱竞标和定价的频谱共享
• 5.1 引言
• 5.2 WRAN系统
• 5.3 基于频谱竞标和定价的频谱共享
• 5.3.1 层次系统模型
• 5.3.2 基于暗标双向拍卖的频谱贸易
• 5.3.3 基于演化博弈的网络选择
• 5.3.4 服务提供商间的竞争定价
• 5.3.5 性能评价
• 5.3.6 结论
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 未来研究工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文