認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下的頻譜資源管理

華北電力大學(xué)題目：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下的頻譜資源管理英文題目：ResearchOnSpectrumManagementTechnologyInCognitive

Nectwork院系：電氣與電子工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：通信1203班姓名：張靖指導(dǎo)老師：樊冰摘要隨著通信行業(yè)的迅速發(fā)展，頻譜的資源正在不斷減少。研究者們發(fā)現(xiàn)頻譜的資源是有限的而且頻譜的利用率也很低下。既然頻譜的有限性無(wú)法改變，那么就只能想辦法來(lái)提高頻譜的利用率。因而，研究者提出認(rèn)知無(wú)線技術(shù)。將認(rèn)知無(wú)線電作為下一代的通信技術(shù)，它可以有效的利用時(shí)間和其他因素上的空閑頻譜，解決頻譜緊張的問(wèn)題。所謂認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)就是未授權(quán)次用戶用戶擁有了認(rèn)知能力，對(duì)周圍的環(huán)境可以自我感知，從而當(dāng)授權(quán)的主用戶沒(méi)用利用其頻譜時(shí)，在不干擾主用戶的正常感知下，對(duì)主用戶的頻譜進(jìn)行利用，提高頻譜利用率的方式。在本文中，我們將介紹幾個(gè)解決頻譜分配的技術(shù)。本文主要來(lái)介紹圖論。首先研究了CR用戶的幾個(gè)不同模型，主要有博弈論模型，拍賣(mài)模型和圖論著色模型。本文將主要對(duì)圖論著色模型進(jìn)行介紹。文章接著對(duì)圖論模型的算法進(jìn)行了介紹，之后并對(duì)這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，從用戶公平性，和系統(tǒng)總開(kāi)銷等方面進(jìn)行分析。之后對(duì)圖論模型用數(shù)學(xué)矩陣來(lái)進(jìn)行建模，在兼顧總效益的情況下，引入權(quán)重系數(shù)，介紹了一種基于公平性的新算法，該算法提高了認(rèn)知用戶頻譜分配的公平性。最后對(duì)新算法以及之前所介紹的算法進(jìn)行仿真，從而得出結(jié)論，改進(jìn)的新算法在公平性和總效益兩個(gè)方面都要優(yōu)于之前的算法。關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；頻譜效益；公平性；權(quán)重系數(shù)。AbstractWiththerapiddevelopmentofcommunicationtheamountofspectrumresourcesbecomefewerandfewer.Rsearchersfindthatthelimitionofspectrumresource.Sincewecannotincreasetheamountofspectrum，soweonlytofindsomewaystopromottheutilizationofspectrumresources.Andweproposedatechnologynamedcognitiveradionetwork.Wethinkitasnextgenerationtelecommunicationtechnology.Itcouldeffectivityusetheirfreetimeandotherfacersonthespectrumtoslovetheproblemofspectrumshortage.Theso-calledcognitiveradiotechnologyisthatunauthorizeduserhastheabilitythatcouldperceiveitsambientenvironment.whentheauthorizedusersdonotusehisownspectrum,theunauthorizeduserswillusethespectrumresourcestopromotetheimprovementofspectrumutilizationonthepremisethatthebehaviorwouldnotaffectauthorizedusers.Inthisarticle,wewilldescribeseveraltechnologiestoslovetheproblemofspectrumallocation.Andwewillmainlydescribetheguaphtheory.Atfirst,westudiedseveraldifferentmodelsofCRusers,gametheoreticmodel,auctionmodelandgraphcoloringmodel.thisarticlewillmainlyfocusonthegraphcoloringmodel.Thenthegraphmodelcoloringmodelareintroduced.,andthearticlewillanalizetheadvantagesanddisadvantagesofthesealgorithmsfromtheuserfairnessandsystemoverhead.Thegraphmodelwillmodeledbymathematicalmodelingmatrix.Inthesatisfactionoftotalbenefits,thearticleintroduceofweightcoefficient.Thispaperintroducesanewalgorithmbasedonfairness,thealgorithmimprovesthefairnessofspectrumallocationincognitiveusers.Atlastthenewalgorithmandthealgorithmpresentedbeforewillmakesomesimulation.Drawaconclusion,thenewalgorithmisbetterthanthepreviousalgorithmintwoaspectsoffairnessandtotalbenefits.Keywords:cognitiveradionetwork；spectralefficiency；fairness；weightingfactor.目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 iABSTRACT ii目錄 iii\o"CurrentDocument"第一章緒論 -4\o"CurrentDocument"1.1選題背景和意義 .4\o"CurrentDocument"1.2提高頻譜利用的有效方法 5\o"CurrentDocument"1.3認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)概述和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 5\o"CurrentDocument"1.4論文結(jié)構(gòu)安排 -9\o"CurrentDocument"第二章 認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù) 10\o"CurrentDocument"2.1認(rèn)知無(wú)線電模型 10\o"CurrentDocument"2.2譜分配基本技術(shù) 11\o"CurrentDocument"2.3認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)頻譜分配模型介紹 122.3.1博弈論模型 122.3.2拍賣(mài)模型 122.3.4圖論著色模型 13\o"CurrentDocument"2.4本章總結(jié) 13\o"CurrentDocument"第三章圖論著色算法 13\o"CurrentDocument"3.1圖論模型 143.1.1圖論模型的數(shù)學(xué)介紹 15\o"CurrentDocument"3.2經(jīng)典圖論頻譜分配算法 163.2.1著色列表算法 著色貪婪算法 著色公平算法 17\o"CurrentDocument"3.3CMSB準(zhǔn)則算法 19\o"CurrentDocument"3.4改進(jìn)型算法研究 20\o"CurrentDocument"3.5本章小結(jié) 23\o"CurrentDocument"第四章性能分析及仿真 -23\o"CurrentDocument"4.1參數(shù)設(shè)置 -23\o"CurrentDocument"4.2關(guān)于算法效益的仿真 14\o"CurrentDocument"4.3關(guān)于算法公平性的仿真 26\o"CurrentDocument"4.4本章總結(jié) -28\o"CurrentDocument"第五章總結(jié) -29感謝 -30\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) -31第一章緒論選題背景和意義無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)始于1895年，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，它在不斷的滿足人們的發(fā)展要求。其通信標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。第一代(1stGeneration)網(wǎng)絡(luò)是蜂窩移動(dòng)網(wǎng)。第二代(2ndGeneration)通信系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是以數(shù)字化為核心的技術(shù)。代表性的有時(shí)分多址TDMA和碼分多址CDMA。由2.5G(GeneralPacketRadioService)過(guò)渡到第三代(3rdGeneration)移動(dòng)通信系統(tǒng)。以及由3.9G過(guò)渡到4G(4thGeneration)的移移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。隨著通信網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)前的無(wú)線通信技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)線服務(wù)的方向發(fā)展越來(lái)越多元化，例如高清視頻，高清圖片等方向。因此目前的頻譜管理方式需要進(jìn)行改變。無(wú)線頻譜資源是一種十分寶貴，十分有限的資源，它并不屬于可再生資源。因此，人們必須更加珍惜，并吝嗇的去使用它。隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信的要求越來(lái)越高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，有效性和可靠性也有了很大的要求。因此，這種爆發(fā)的現(xiàn)象無(wú)疑加大了對(duì)頻譜資源的需求，也造成了頻譜資源的捉肘見(jiàn)襟。讓頻譜資源的使用陷入尷尬的現(xiàn)狀。與此同時(shí)，長(zhǎng)期存在的異構(gòu)網(wǎng)也需要網(wǎng)絡(luò)資源的分配，因此加劇了頻譜資源利用的矛盾，網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配面臨重大的考驗(yàn)。從而誕生的認(rèn)知網(wǎng)會(huì)成為一種解決該問(wèn)題的有效手段。為了進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸速率,提高頻譜資源利用率成為決定性的存在。然而近期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于采用固定頻譜分配策略(FixedSpectrumAllocation,FAS)無(wú)限頻譜資源由政府機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)分配和授權(quán)使。雖然這種固定頻譜分配方法簡(jiǎn)單且易行，但是頻譜利用率低下。導(dǎo)致大量的頻譜在時(shí)空領(lǐng)域沒(méi)有被充分利用，頻譜上依舊有著相當(dāng)一部分沒(méi)有被利用,存在著“白洞”。這種現(xiàn)象使得頻譜使用率低下,造成了不必要的浪分。例如在某些地方,雖然政府為其分配了30MHz~3Ghz的頻譜，但是在這頻譜中，其開(kāi)發(fā)率僅有13.1%。目前頻譜被分成了兩個(gè)部分:批注頻段和不批準(zhǔn)頻段。我們所熟知的廣播電視臺(tái)就是作為被批準(zhǔn)了的頻段而存在著。因此，頻譜資源在分配和利用時(shí)的不平衡現(xiàn)象致使目前的頻譜資源變的十分緊張。因此，如果可以提高頻譜的分配效率和性能，那將會(huì)有效的解決頻譜資源緊張的問(wèn)題。提高頻譜利用效率的方法

上文介紹了頻譜資源緊張的原因。因此本文需要研究新的技術(shù)來(lái)提高頻譜利用率。目前世界上所擁有的技術(shù)主要有:復(fù)用技術(shù)(Muitiplexing),編碼調(diào)制(CodeingandModulatio,CM),和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)(CognitiveRadio，CR)等。復(fù)用技術(shù)主要由時(shí)分，頻分，碼分，空分這四個(gè)不同的復(fù)用技術(shù)來(lái)組成。第二代的GSM技術(shù)是采用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)，第四代的采用頻分復(fù)用技術(shù)，即正交頻分復(fù)用。CR技術(shù)主要有編碼階數(shù)來(lái)反應(yīng)承載信息。編碼階數(shù)越高那么符號(hào)所包含的信息就越多，從而來(lái)提高效率。例如一個(gè)2QAM調(diào)制信號(hào)所承載1bit信息，而一個(gè)32QAM調(diào)制信號(hào)所承載5bit信息。雖然這兩個(gè)技術(shù)提高了頻譜利用率但是并不明顯，但是頻譜資源緊張的問(wèn)題依然突出。1999年瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Matola教授提出認(rèn)知無(wú)線電的概念。CR技術(shù)能夠智能地感知周圍的環(huán)境，使得次用戶在不對(duì)主用戶的正常使用產(chǎn)生干擾的前提下來(lái)實(shí)時(shí)性的使用主用戶的頻譜從而提高頻譜的利用效率。經(jīng)過(guò)不斷研究和發(fā)展，該技術(shù)被認(rèn)為是解決頻譜緊張的最佳辦法之一。因而我們?cè)诒疚闹兄饕榻B認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)概述以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無(wú)線電環(huán)境發(fā)射信號(hào)射頻信號(hào)

激勵(lì)發(fā)射信號(hào)頻譜分析射頻信號(hào)激勵(lì)頻譜分析頻譜空洞傳輸功率控制，頻譜管理干擾溫度信道容量發(fā)射機(jī)信道狀態(tài)估計(jì)，預(yù)測(cè)模型接收機(jī)圖1-1認(rèn)知無(wú)線電模型認(rèn)知無(wú)線電的概念在不同研究中存在不同描述。美國(guó)FCC也有其自己的定義［1］圖1-1為認(rèn)知無(wú)線電的頻譜管理體系模型。在認(rèn)知無(wú)線電這個(gè)技術(shù)提出后，各個(gè)國(guó)家和其對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)都致力于對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的研究。世界范圍內(nèi)的力量都啟動(dòng)了很多針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的研究項(xiàng)目。其中典型的如下：1,頻譜共享池。2，CORVUS系統(tǒng)。3，DRIVE/OVERDRIVE項(xiàng)目。4,端到端可重配置(END-TO-ENDRECONFIGURABILITYE2R)。5，NAUTILUS項(xiàng)目。6，NEXT

GENERATION（XG）項(xiàng)目。7,干擾溫度多址（INTERFERENCETEMPWRATUREMUTIPLEACCESS,IT⑵。國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)研究主要集中在港大，北郵，西電，國(guó)科大等單位。清華，西電，浙江大學(xué)，武漢,哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究院在研究無(wú)線頻譜檢測(cè)和動(dòng)態(tài)頻譜管理算法等技術(shù)［3］?？傊?自從認(rèn)知無(wú)線電這個(gè)概念被提出以后,國(guó)內(nèi)外的很多專家學(xué)者就開(kāi)始了不斷的研究。使其理論框架以及算法都得到不斷更發(fā)展和創(chuàng)新。從而為其現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用打好了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［4］闡述了頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)中的應(yīng)用［4］。文獻(xiàn)［5］解釋了合作遙感的概念和它的各種形態(tài)［5］。文獻(xiàn)［6］介紹了電力線通信的及其概念以及發(fā)展的現(xiàn)狀。分析了其發(fā)展和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。介紹了常用電力線通信模型,提出了新的電力線通信的信道模型［6］。文獻(xiàn)［7］從頻譜政策演進(jìn)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展等方面綜述了近年來(lái)認(rèn)知無(wú)線電的研究成果。展望了認(rèn)知無(wú)線電在寬帶蜂窩網(wǎng)和醫(yī)療體域網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用前景刀。文獻(xiàn)［8］提出兩個(gè)分布算法:單一用戶沖水解決方案順序和同時(shí)迭代注水算法⑻。文獻(xiàn)［9］研究了多用戶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)頻譜資源自優(yōu)化問(wèn)題,其目的是找到適合于非合作且分布式的干擾信道的更好的功率分配的辦法［9］。文獻(xiàn)［10］以在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,次用戶幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景,提出了頻譜資源分配的最優(yōu)化策略［10］。文獻(xiàn)［11］本文研究方向是認(rèn)知網(wǎng)的頻譜資源分配問(wèn)題。并列舉了幾個(gè)經(jīng)典算法,在對(duì)這幾個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行分析后提出了基于公平性的改進(jìn)算法,另外也研究了混沌兩字算法［11］。文獻(xiàn)［12］為了在頻譜分配時(shí)提高其公平性。引入了優(yōu)先級(jí)的概念使用戶得以量化,從而可用優(yōu)先級(jí)來(lái)給用戶分配頻譜,從而提高用戶的公平性［12］。文獻(xiàn)［13］主要對(duì)認(rèn)知網(wǎng)的基本原理做了比較深入的研究,從而完成了一些創(chuàng)新性的工作。關(guān)于在當(dāng)信噪比較低時(shí)，單個(gè)用戶的頻譜感知會(huì)降低的問(wèn)題提出了把AHP算法以及圖論算法相結(jié)合的頻譜分配模型［13］。文獻(xiàn)［14］介紹了認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)以及概念，使用USRP平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜資源管理的具體方案。本文主要實(shí)現(xiàn)CR網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知，并由其算法對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行了分析，從而驗(yàn)證了這個(gè)算法的正確性，為CR無(wú)線電的應(yīng)用做出了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［14］。文獻(xiàn)［15］介紹了電力通信和一般通信的區(qū)別和聯(lián)系。并根據(jù)電力通信所呈現(xiàn)的缺點(diǎn)提出了改進(jìn)的方法。即OFDM技術(shù)。并對(duì)該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和描述［15］。文獻(xiàn)［16］對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜感知與分配，路由協(xié)議這三方面進(jìn)行了研究。對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作網(wǎng)絡(luò)以及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)共存的情形，提出了授權(quán)用戶存在與協(xié)作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時(shí)的認(rèn)知用戶頻譜檢測(cè)模型，文章對(duì)該模型進(jìn)行了推導(dǎo)，并分析了這個(gè)模型的兩個(gè)概率，即理論檢測(cè)和虛警這兩個(gè)概率。并對(duì)該模型的性能進(jìn)行分析。提出了時(shí)間優(yōu)化的模型［16］。文獻(xiàn)［17］提出了并行分配算法。該算法可以得到最大化效益。其效益和CSGC相同，但是可以縮短分配時(shí)間。從而滿足CR無(wú)線電對(duì)外界實(shí)時(shí)性感知的要求［17］。文獻(xiàn)［18］介紹了當(dāng)前解決頻譜分配所用的技術(shù)。并著重介紹了圖論。對(duì)圖論算法做了詳盡的介紹［18］。文獻(xiàn)［19］為了提高網(wǎng)絡(luò)效益，提出改良的量子遺傳算法。該算法在進(jìn)行初始化種群編碼時(shí)李永樂(lè)混沌搜素。在更新染色體進(jìn)行迭代的過(guò)程中采用了動(dòng)態(tài)的去調(diào)整量子旋轉(zhuǎn)角度的方法最后提高了網(wǎng)絡(luò)效益，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑信道都進(jìn)行合理分配的結(jié)果［19］。文獻(xiàn)［20］提出了一種改進(jìn)的圖論算法。具體思想是在分配信道的過(guò)程中來(lái)采用并行的方式從而減小系統(tǒng)開(kāi)銷，使系統(tǒng)的效用明顯提高［20］。文獻(xiàn)［21］研究了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享技術(shù)。并對(duì)多種技術(shù)進(jìn)行了分析［21］。文獻(xiàn)［22］為了提高認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，以O(shè)FDM技術(shù)為基礎(chǔ)提出了超模博弈的算法。這個(gè)算法有價(jià)格函數(shù)去評(píng)價(jià)CR用戶對(duì)主用戶所帶來(lái)的影響從而對(duì)影響大的用戶做一懲罰。從而降低了次用戶用戶對(duì)主用戶的影響［22］。文獻(xiàn)［23］引入博弈理論來(lái)對(duì)認(rèn)知無(wú)限電進(jìn)行分析。這篇文章介紹了博弈論模型的概念。并且介紹了常見(jiàn)的學(xué)術(shù)上的博弈論模型。另外設(shè)計(jì)了新的博弈論算法。文獻(xiàn)［24］提出了一種基于干擾消減的頻譜分配算法。這個(gè)算法把頻譜分給給可以接受頻譜的所有認(rèn)知用戶，從而提高了授權(quán)頻譜的使用率。同時(shí)，在初始化階段算法給為未分配的認(rèn)知用戶提供頻譜，從而提高了頻鋪分配過(guò)程的公平性［24］。文獻(xiàn)［25］提出了一種將遺傳和蟻群這兩種算法進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化的算法。該算法利用遺傳算法來(lái)生成初始解，再利用銜接策略把初始解變換成蟻群算法的信息素初始分布，最后再利用蟻群算法來(lái)警醒求取最優(yōu)解［25］。文獻(xiàn)［26］為解決當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生阻塞時(shí)，用戶的QOS會(huì)迅速下降的問(wèn)題提出了關(guān)于解決該方案的動(dòng)態(tài)態(tài)自配置的方法。利用效用函數(shù)把用戶QoS的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行初始化，再通過(guò)CR節(jié)點(diǎn)對(duì)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行不斷的修正。從而保證了阻塞時(shí)的用戶水平［26］。文獻(xiàn)［27］分析了無(wú)線技術(shù)發(fā)展背景下的網(wǎng)絡(luò)融合特點(diǎn)和要求。詳細(xì)介紹了‘目標(biāo)，認(rèn)知決策，重配置'這三層網(wǎng)絡(luò)的模型。另外還介紹了以認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的上下文感知技術(shù)，跨層設(shè)計(jì)技術(shù)以及重配置等關(guān)鍵技術(shù)。最后討論了網(wǎng)絡(luò)融合的前景［27］。文獻(xiàn)［28］闡釋了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合對(duì)政府，企業(yè)以及消費(fèi)者所帶來(lái)的影響［28］。文獻(xiàn)［29］面向用戶的終端提出了基于Q-學(xué)習(xí)的方案，這個(gè)方案充分的利用了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，讓移動(dòng)終端可以根據(jù)自身的狀況去選擇最佳接入網(wǎng)絡(luò)，從而降低了系統(tǒng)的開(kāi)銷［29］。文獻(xiàn)［30］討論了業(yè)務(wù)支撐的技術(shù)，并提出業(yè)務(wù)控制平臺(tái)的總方案，論述了QOS和短信胡同控制的功能結(jié)構(gòu)［30］。論文結(jié)構(gòu)安排本片文章主要研究認(rèn)知無(wú)線電這一技術(shù)，該技術(shù)得以研發(fā)的客觀條件是頻譜資源利用率很低。而本文則對(duì)如何提高頻譜分配的總效益和頻譜分配的公平性這兩個(gè)方面進(jìn)行了建模和分析。我們的模型是圖論模型，我們提出經(jīng)典圖論模型，之后在這個(gè)模型上不斷優(yōu)化，最后達(dá)到最大化頻譜總效益和提高用戶公平性的目的。論文安排如下：第一章：緒論。主要介紹了認(rèn)知無(wú)線電研究時(shí)的背景以及認(rèn)知無(wú)線電的研究現(xiàn)狀，并介紹了國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無(wú)限電的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。第二章：認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)。本章介紹了認(rèn)知無(wú)線電的模型，由該模型得出認(rèn)知無(wú)線電的特點(diǎn)。之后介紹了頻譜分配的常用模型：博弈論的模型，拍賣(mài)的模型，以及圖論著色的模型。之后提到，我們會(huì)對(duì)圖論模型進(jìn)行更深一步的學(xué)習(xí)和分析。第三章：基于圖論模型的分配方法。我們引入圖論模型來(lái)對(duì)圖論做一簡(jiǎn)單介紹，之后用數(shù)學(xué)矩陣對(duì)模型做進(jìn)一步的分析。然后介紹了經(jīng)典的圖論模型算法，著色貪婪算法，著色公平算法以及CMSB準(zhǔn)則算法，之后我們對(duì)這幾個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行分析，從而提出了改進(jìn)型算法。第四章：性能分析和仿真。我們對(duì)改進(jìn)型算法和CMSBS準(zhǔn)則算法進(jìn)行仿真，從頻譜總效益和用戶公平性兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比從而發(fā)現(xiàn)改進(jìn)算法的優(yōu)點(diǎn)。第五章：總結(jié)。本章總結(jié)了這篇論文所講解的主要內(nèi)容。第二章認(rèn)知無(wú)線電中的關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無(wú)線電是一種暫新的系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電的特點(diǎn)如下：1，認(rèn)知網(wǎng)對(duì)自身周圍環(huán)境有一定的感知能力。頻譜感知就是在當(dāng)前的環(huán)境下來(lái)尋找“頻譜空穴”從而可以將頻譜信息給CR用戶［31］。2，認(rèn)知網(wǎng)能夠動(dòng)態(tài)改變自身的某些參數(shù)。我們所認(rèn)為的頻譜決策實(shí)際上就是得到頻譜分析的最優(yōu)解［32］。因而本章對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的基本技術(shù)做一簡(jiǎn)單介紹。認(rèn)知無(wú)線電模型如下圖所示為認(rèn)知無(wú)線電的模型圖2-1認(rèn)知模型圖

從上圖可的該模型主要包括四個(gè)模塊，其作用如下表表2-1模型模塊列表模塊名稱模塊作用無(wú)線信道環(huán)境模塊無(wú)線信道環(huán)境模塊的主要功能是對(duì)外界的環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)的感知，之后再由RF檢測(cè)把其收到的信息來(lái)進(jìn)行無(wú)線信道的分析，或者說(shuō)直接把信息發(fā)送到接收機(jī)的狀態(tài)估計(jì)模塊。無(wú)線信道分析模塊該模塊的主要功能是唉負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自無(wú)限信道環(huán)境模塊所接收來(lái)的信息發(fā)起分析，之后把其中的一些空閑信的道信息發(fā)給功率控制管理模塊，也可以是把來(lái)自干擾溫度信息發(fā)送到估計(jì)預(yù)測(cè)模塊。信道狀態(tài)估計(jì)預(yù)測(cè)模塊該模塊主要的作用是負(fù)責(zé)把來(lái)自無(wú)線信道分析模塊的干擾溫度信息去進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，也可以把來(lái)自環(huán)境模塊所接收到的信息去進(jìn)行建模工作。發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率控制頻譜資源管理模塊管理模塊主要的作用是對(duì)來(lái)自分析模塊的空閑信道的信息去進(jìn)行管理，也可以是對(duì)從信道狀態(tài)估計(jì)預(yù)測(cè)建模模塊發(fā)送來(lái)的信道容量信息進(jìn)行管理。從上面的模型中我們可以明白認(rèn)知無(wú)線電的特點(diǎn)如下：1，對(duì)周圍環(huán)境的智能感知。2，可以根據(jù)自身狀況進(jìn)行智能化的學(xué)習(xí)。3，由于智能感知可以有效的提高認(rèn)知無(wú)線電的自適應(yīng)能力，因而對(duì)于外界不斷變化的環(huán)境，認(rèn)知無(wú)線電便有了更高的可靠性。4，將該模型劃分為四個(gè)不同的模塊，提高了之間的獨(dú)立性和重構(gòu)性。正是由于以上原因，認(rèn)知無(wú)線電才變的如此實(shí)用。頻譜分配基本技術(shù)認(rèn)知無(wú)線電的頻譜分配方式是動(dòng)態(tài)的，而傳統(tǒng)的無(wú)線電的頻譜分配方式是靜態(tài)的，這就是和認(rèn)知無(wú)線電和其他不同的地方。因而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)正在引起全世界范圍的關(guān)注，并且動(dòng)態(tài)頻譜分配作為認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，也引起了廣大學(xué)者的研究。目前也提出了一些頻譜分配模型和算法，而其判斷標(biāo)準(zhǔn)和解決辦法如下：表2-2判斷標(biāo)準(zhǔn)及解決辦法列表判斷標(biāo)準(zhǔn)解決辦法次用戶對(duì)主用戶的干擾當(dāng)主用戶需要使用頻譜時(shí)，如果此時(shí)次用戶正在使用，那么主用戶有權(quán)強(qiáng)制中斷次用戶從而獲取頻譜資源次用戶之間的干擾將頻譜分配給之前分配頻譜數(shù)量較少的次用戶針對(duì)次用戶效益和次用戶公平性之間的矛盾在次用戶效益和次用戶公平性之間進(jìn)行折中當(dāng)前認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型比較多。我們將對(duì)博弈論，拍賣(mài)模型以及圖論著色模型做一簡(jiǎn)單的介紹。認(rèn)知無(wú)線的網(wǎng)頻譜分配模型介紹。認(rèn)知無(wú)線電的模型多種多樣，在本章中我們簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)模型，比較普遍的模型有博弈論，拍賣(mài)模型以及圖論模型等［33,34,3。5,而36在］后面的論文中，我們將著重對(duì)圖論模型進(jìn)行介紹。博弈論模型博弈論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的分支，同樣是運(yùn)籌學(xué)的重要學(xué)科。博弈論分為兩種，合作非合作博弈。生物學(xué)家利用博弈理論來(lái)對(duì)進(jìn)化中的某些現(xiàn)象進(jìn)行解釋。因此博弈論主要用來(lái)解決沖突優(yōu)化的問(wèn)題。博弈論適合來(lái)解決分布式頻譜分配模型，在認(rèn)知無(wú)線電頻譜資源分配中，主用戶與次用戶之間的沖突問(wèn)題和次用戶與次用戶之間的沖突問(wèn)題，都可以用博弈論知識(shí)來(lái)進(jìn)行處理。合作博弈主要在乎團(tuán)體合作，認(rèn)知用戶傳輸業(yè)務(wù)會(huì)進(jìn)行相互之間的溝通，從而獲得較高的性能，因而可以均衡的處理頻譜分配所遇到的問(wèn)題，例如有效性和公平性。非合作博弈的認(rèn)知用戶比較自私，在傳輸過(guò)程中所選擇的傳輸策略都是為了把自己利益進(jìn)行最大化。因此在非合作博弈中，我們會(huì)引入懲罰因子，對(duì)自私的用戶進(jìn)行懲罰，從而達(dá)到我們想要的目的。在對(duì)模型進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做以下規(guī)定和約束。本文假設(shè)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)有N個(gè)發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)對(duì)，M為頻譜的數(shù)量，主用戶以及次用戶之間的空間位置無(wú)變化。另外在次用戶之間進(jìn)行頻譜使用時(shí)，本文假設(shè)用戶不會(huì)產(chǎn)生干擾。當(dāng)頻譜進(jìn)行分配時(shí)次用戶會(huì)考察自身周圍環(huán)境再用空閑頻譜進(jìn)行頻譜利用和分配。由于次用戶之間不產(chǎn)生干擾，那就需要在頻譜分析時(shí)選擇適當(dāng)?shù)牟呗院瘮?shù)時(shí)每個(gè)次用戶都不會(huì)偏移，從而使總效益最大。其中效益函數(shù)考慮的因素有：用戶使用信道產(chǎn)生的頻譜帶寬；單位頻譜的價(jià)格；可代替的信道數(shù)目；授權(quán)用戶的數(shù)目等。拍賣(mài)模型該模型來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活，在集中式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，頻譜資源的分配和拍賣(mài)很相似。競(jìng)拍人對(duì)應(yīng)的是有頻譜需求的次用戶，拍賣(mài)人對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)基站，在這個(gè)拍賣(mài)模型中，當(dāng)次用戶需要頻譜時(shí)便去參加“拍賣(mài)”，不同次用戶之間沒(méi)有權(quán)力進(jìn)行干擾。競(jìng)拍者按照頻譜自身的需求以及他們可以帶來(lái)的效益來(lái)競(jìng)價(jià)。最終結(jié)果由拍賣(mài)人來(lái)決定，拍賣(mài)人要根據(jù)不同的目標(biāo)來(lái)進(jìn)行頻譜拍賣(mài)，即就是所說(shuō)的將頻譜分配的總效益達(dá)到最大化。如圖2-2為拍賣(mài)競(jìng)價(jià)模型流程圖。由于拍賣(mài)模型和現(xiàn)實(shí)拍賣(mài)的相似性，因而有頻譜需求的次用戶也有了現(xiàn)實(shí)競(jìng)拍者的一些特征。比如：雖然在不同次用戶之間沒(méi)有權(quán)利進(jìn)行相互之間的進(jìn)行干擾，但是次用戶都擁有相同的性質(zhì)，那就是他們都是非常自私的。用戶之間只會(huì)根據(jù)自身的需要進(jìn)行競(jìng)價(jià)，從而使得自己得得到的利益最大化，而不會(huì)考慮其他次用戶的情況。另外這個(gè)模型還需要考慮到運(yùn)算開(kāi)銷，包括次用戶的競(jìng)價(jià)開(kāi)銷和拍賣(mài)人進(jìn)行競(jìng)價(jià)統(tǒng)計(jì)并做出最大化利益的開(kāi)銷。圖論著色模型圖論模型在蜂窩網(wǎng)小區(qū)之類的環(huán)境中的應(yīng)用已經(jīng)成熟。因?yàn)榭紤]到現(xiàn)實(shí)情況下主用戶和次用戶之間會(huì)相互影響，因此在利用圖論著色模型進(jìn)行頻譜分配時(shí)需要加上一些約束條件。在圖論模型中，會(huì)將將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象為圖，用頂點(diǎn)來(lái)表示用戶。用戶之間如果存在干擾，那就把這兩個(gè)用戶的干擾連接成邊，并且相互關(guān)聯(lián)的用戶之間不能染相同的顏色。圖論著色模型的分配算法有許多種，下文我們將對(duì)圖論著色模型做詳細(xì)的介紹。本章小結(jié)認(rèn)知無(wú)線電所存在的意義是為了提高頻譜分配的效益。本章2.1節(jié)提出了認(rèn)知無(wú)線電的循環(huán)模型，根據(jù)該模型，可以得到認(rèn)知無(wú)線電的特點(diǎn)。在2.2節(jié)給出了認(rèn)知無(wú)線電中的三種常見(jiàn)干擾以及對(duì)應(yīng)的解決辦法。2.3節(jié)對(duì)常見(jiàn)的頻譜分配模型做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。第三章圖論著色模型算法因?yàn)轭l譜資源的有限性以及其利用率太低，頻譜資源變的很緊張。因此認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)存在的目的是提高頻譜資源的利用率。上文中我們提到三種頻譜分配的模型，其中圖論模型發(fā)展較為迅猛［37］。圖論算法早就應(yīng)用于通信領(lǐng)域的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和小區(qū)通信的規(guī)劃中［38］。因而在本章將著重介紹認(rèn)知網(wǎng)的圖論著色模型。引入公平性算子，提出了基于公平性的算法研究。另外我們介紹比較簡(jiǎn)單的圖論模型，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并提出改進(jìn)型的圖論算法。圖論模型由于認(rèn)知網(wǎng)的存在使得我們對(duì)頻譜資源緊張的問(wèn)題有了更好的解決方法。因此在認(rèn)知網(wǎng)中，有效的將頻譜分配性能提高，變成了最關(guān)鍵的地方。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電在進(jìn)行頻譜分配時(shí)，要求次戶在不影響主用戶正常使用的時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)主用戶的頻譜進(jìn)行有效的利用，從而進(jìn)一步提高頻譜分配時(shí)的效率。由于認(rèn)知無(wú)線電在實(shí)際通信中的復(fù)雜性，為了使計(jì)算方便，我們假定以下約束條件。1，在頻譜分配過(guò)程中，信道的信息不會(huì)隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生變化。2，與此同時(shí)，用戶的頻譜資源信息要和感知結(jié)果相匹配。3，認(rèn)知用戶之間要間隔足夠距離，使不同認(rèn)知用戶接受信道時(shí)不至于因?yàn)榫嚯x的原因而產(chǎn)生干擾。4,由于在實(shí)際中的CR通信要周期性的進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)更新節(jié)點(diǎn)信息。因而在本文中我們假設(shè)在在我們進(jìn)行研究的一個(gè)周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不發(fā)生變化。以上條件作為基礎(chǔ)，可以將認(rèn)知無(wú)線用戶之間的頻譜分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖論著色問(wèn)題。首先我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹下圖和圖論著色。圖由（A,B,C）三個(gè)元素組成，表示為G（A,B,C）。A元素用來(lái)表示圖G中的頂點(diǎn)集合，B元素用來(lái)表示圖G中頂點(diǎn)與邊之間關(guān)聯(lián)的集合。C用來(lái)表示頂點(diǎn)的顏色列表。如果B為有序?qū)Γ敲磮DG為有向圖，如果B不是有序?qū)Γ敲磮DG為無(wú)向圖。圖論著色即為對(duì)圖G的頂點(diǎn)著色。A可以看做認(rèn)知用戶。如果顏色的個(gè)數(shù)為C,頂點(diǎn)A的個(gè)數(shù)為N。那么在對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行著色時(shí)必須滿足如下規(guī)則：兩個(gè)不相同的頂點(diǎn)進(jìn)行著色時(shí)果兩個(gè)頂點(diǎn)之間有邊關(guān)聯(lián)，那么不允許對(duì)這兩個(gè)用戶進(jìn)行相同顏色的著色。因?yàn)轭伾嗤痛硎褂猛粋€(gè)信道。C用來(lái)表示C用來(lái)表示三個(gè)不同的信道，1-5表示5個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)。如果主用戶的所工作的頻譜范圍內(nèi)如果有次用戶的存在，那么次用戶不得和主用戶使用相同的信道進(jìn)行工作。因此戶3只能使用信道C。有邊關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)不能著相同的顏色，因而認(rèn)知用戶1和4不能同時(shí)使用頻譜B或C。圖論模型的數(shù)學(xué)描述在圖論著色模型中，有一個(gè)中心思想：將認(rèn)知無(wú)線電的頻譜分配問(wèn)題類比為圖論著色問(wèn)題從而進(jìn)行建模。圖G(A,B,C)中A元素在圖G中所代表頂點(diǎn)集合，類比于次用戶。B元素代表兩用戶之間的關(guān)聯(lián)集合，即就是在認(rèn)知無(wú)線電之中的兩個(gè)用戶之間的干擾。C元素為顏色列表，類比CR中的的可用分配方案的集合。為了進(jìn)一步對(duì)圖論進(jìn)行研究，本文將利用數(shù)學(xué)矩陣來(lái)對(duì)圖論進(jìn)行研究。首先來(lái)定義如下矩陣：表3-1圖論矩陣列表矩陣名稱代號(hào)作用可用頻譜分配矩陣L表示網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶數(shù)目為N,即就是說(shuō)圖G的頂點(diǎn)集合U-{u，i—0,1，…，N-1},u表示認(rèn)知用戶。i i信道效益矩陣B表示在網(wǎng)絡(luò)中可用的信道頻譜數(shù)目為M,并且可用的集合表示為V-{v.i-0,1,…,M-1}，在其中v表示為具體的空閑頻譜也j j可以稱之為信道?？捎妙l譜矩陣LL二{lG{0,1}} 這個(gè)矩陣的意思為在一段時(shí)間里，頻譜mn,m N*M對(duì)用戶n可用與否。在其中丄表示一個(gè)二維的矩陣，如果ln,m—1,那么表示用戶n可以去使用信道m(xù)；否則l—0,則表n,m示在認(rèn)知用戶的列表中不存在信道m(xù)。由于每一個(gè)信道m(xù)在被占用這個(gè)狀態(tài)上有不同的情況，故而每個(gè)認(rèn)知用戶的可用頻譜也不盡相同。一般情況下可由頻譜感知的結(jié)果來(lái)得知可用頻譜矩陣。

續(xù)表3-1圖論矩陣列表矩陣名稱代號(hào)作用信道效益矩陣BB-，這個(gè)矩陣的目的是為了表示CR用戶n可在信道n,mN*Mm上得到的效益。比如：最大的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的效益。由于CR用戶的工作參數(shù)以及其所處周圍環(huán)境的不同，會(huì)讓用同一個(gè)信道的不同CR用戶產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)效益也不同。因而當(dāng)l=0時(shí)bn,m n,m=0；當(dāng)l=1時(shí)，b才會(huì)有意義。因此CR用戶n在頻譜mn,m n,m上可以取得的效益為b*l。n,m n,m干擾矩陣CC-{c G{0,1}} 這個(gè)矩陣目的是用來(lái)表示CR用戶在n,k,m N*N*M利用同一頻譜時(shí)所造成的干擾情況。在這之中，c =1是表n,k,m示在CR用戶n以及k一起工作在信道m(xù)上時(shí)會(huì)存在用戶干擾，因此CR用戶戶n以及k不能一起使用信道m(xù)。否則，則表示另一種情況，即兩個(gè)用戶之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。無(wú)干擾分配矩陣AA-{ag{0,1}} 這個(gè)矩陣是認(rèn)知系統(tǒng)經(jīng)過(guò)算法之后所n,m N*M得到的分配結(jié)果。如果a=1,那么信道m(xù)會(huì)被分配給CR用n,m戶n來(lái)使用。雖然在上文創(chuàng)建了矩陣，但最終結(jié)果還是不唯一的。故文章應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行研究以取得最佳干擾分配矩陣。下文會(huì)先介紹幾個(gè)比較經(jīng)典的圖論頻譜分配算法，再進(jìn)一步提出改進(jìn)型的算法。3.2經(jīng)典圖論頻譜分配算法我們本篇主要對(duì)圖論算法進(jìn)行優(yōu)化，因而我們先來(lái)介紹幾個(gè)比較普遍的著色算法，著色列表算法和CMSB算法著色列表算法。著色列表算法的目的在與讓CR用戶可以獲得最優(yōu)化的頻譜分配數(shù)。著色列表算法可以分為兩個(gè)算法：一個(gè)是著色貪婪算法，另一個(gè)著色是公平算法。著色貪婪算法主要從網(wǎng)絡(luò)吞吐量的角度來(lái)考慮，使其頻譜使用率最大化。著色公平算法主要從用戶間的公平性來(lái)進(jìn)行考慮，保證每個(gè)用戶都合理的分配到信道。下面本文對(duì)上述算法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：著色貪婪算法

著貪婪算法的目標(biāo)是讓信道使用率最大化，因而其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：A*=argmax茲“a (3.1)n,mn-1m-1其中，A*表示分配結(jié)果的矩陣元素之和。a即是上文提到無(wú)干擾分配矩陣An,m的元素。如下為算法流程圖：將與節(jié)點(diǎn)有沖突的節(jié)點(diǎn)數(shù)稱為連接度，多少個(gè)節(jié)點(diǎn)就是多少個(gè)度數(shù)我們以文字形式對(duì)該流程圖做一簡(jiǎn)單的介紹：對(duì)信道進(jìn)行初始化認(rèn)知用戶根據(jù)其連接度進(jìn)行由小到大升序排列。將信道分配給度數(shù)最少的用戶，如果遇到度數(shù)相同的情況那么就把信道分配給節(jié)點(diǎn)中已擁有信道最少的節(jié)點(diǎn)。如果已擁有信道數(shù)依舊相同那么隨機(jī)配。重復(fù)1，2步驟知道信道被分配完為止。如下為算法流程圖：將與節(jié)點(diǎn)有沖突的節(jié)點(diǎn)數(shù)稱為連接度，多少個(gè)節(jié)點(diǎn)就是多少個(gè)度數(shù)。初始化查詢連接度最小的節(jié)點(diǎn)■-查詢已分配頻段數(shù)最小的節(jié).■是是否存在度數(shù)相同的節(jié)■.點(diǎn)-■是否存在己分配數(shù)相同的節(jié)■.初始化查詢連接度最小的節(jié)點(diǎn)■-查詢已分配頻段數(shù)最小的節(jié).■是是否存在度數(shù)相同的節(jié)■.點(diǎn)-■是否存在己分配數(shù)相同的節(jié)■.點(diǎn).隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇已分配頻譜段數(shù)最少的節(jié)點(diǎn)更新頂點(diǎn)信息選擇連接度數(shù)相同的節(jié)點(diǎn) 否分配頻段結(jié)束圖3-2著色貪婪算法流程圖該算法的目的最大化了頻譜的總效益，將頻譜有限分給沖突較少的節(jié)點(diǎn)，使得頻譜在最大情況下被使用，而沒(méi)有考慮用戶的實(shí)際需求，從而在公平性上面表現(xiàn)出的作用不讓人滿意。著色公平算法針對(duì)貪婪算法的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［39］介紹了新的算法來(lái)提高用戶之間的公平性。如下為基本步驟：1，建立非循環(huán)性有向圖我們首先來(lái)引入兩個(gè)概念：Interference度：表示與節(jié)點(diǎn)n有沖突的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

Spectrum度：表示在節(jié)點(diǎn)n的顏色列表中所擁有的頻譜數(shù)目。按照如下規(guī)定來(lái)建立非循環(huán)性有向圖：1.若spectrum>spectrum貝yifjij2.若spectrum=spectrum，貝V若interface>interface貝Vifj否則隨機(jī)ijij2，流程圖：我們?cè)O(shè)定圖中起點(diǎn)（無(wú)入邊的點(diǎn)）為start點(diǎn)，無(wú)出邊的點(diǎn)為end點(diǎn)。接下來(lái)畫(huà)出具體的流程圖3-3著色公平算法流程圖由于該算法降序排列，從列表中元素最少的節(jié)點(diǎn)end節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行頻譜分配，因而這種做法體保護(hù)了弱勢(shì)群體，提高了頻譜分配的公平性。由上可知，這兩種算法第二種更傾向于公平性。但兩者考慮的要求依然不夠完整，因而依舊需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。3.3CMSB準(zhǔn)貝算法：上節(jié)所闡述的列表算法僅僅從頻譜的多少來(lái)進(jìn)行考慮，從而最大化了頻譜的利用率。但并沒(méi)有考慮頻譜之間會(huì)存在差異性以及由于CR多用戶的動(dòng)態(tài)變化，不同參數(shù)以及距離等所帶來(lái)的不同效益矩陣。除此之外，該算法只沒(méi)有考慮到頻

率衰落所造成的影響。由于實(shí)際通信中存在的頻譜效益差異以及干擾頻譜之間的差異，提出了新的算法。這個(gè)算法加如了不同頻段上所對(duì)應(yīng)的不同效益矩陣和干擾矩陣。根據(jù)不同的效益矩陣對(duì)CR用戶的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，從而量化信道價(jià)值。并給出三種效益函數(shù)，該算法可以通過(guò)不同的效益函數(shù)來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配。表3-2效益函數(shù)列表名稱作用公式最大化帶寬總和這個(gè)函數(shù)的作用為利用目前所擁有的的頻譜資源來(lái)取得最大的效益。max茲“a*bn,m n,mn-1m-1取大化取小帶寬這個(gè)函數(shù)的目的為讓弱勢(shì)的用戶可以得到的網(wǎng)絡(luò)效益能夠達(dá)到最大。maxmin遲a*bn,m n,mm-1最大化比例公平性這個(gè)函數(shù)主要來(lái)解決在頻譜分配的過(guò)程中認(rèn)知用戶之間的公平性問(wèn)題。max迓lg(迓a*b)n,m n,mn-1 m-1由于存在多個(gè)效益函數(shù)，因而必然會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)不同頻譜分配的效果，因而我們來(lái)介紹一個(gè)比較基本的準(zhǔn)則算法：CMSB。該準(zhǔn)則算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，從而使其量化，進(jìn)一步知道其分配。CMSB全稱合作式最大化帶寬總和，該準(zhǔn)則在上文提出的最大化帶寬為前提，還應(yīng)該考慮到相鄰節(jié)點(diǎn)的情況，對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，從而減小對(duì)周圍節(jié)點(diǎn)的影響，它的表達(dá)式為：(3.2)(3.3)label=maxb/(D+1)(3.2)(3.3)n n,m n,mcolour=argmaxb(D+1)n n,mn,m在上式中的D表示當(dāng)用戶n正在使用頻譜m時(shí)，和用戶n有沖突的用戶個(gè)n,m數(shù)。在進(jìn)行信道的分配時(shí)，如果遇到標(biāo)號(hào)值相同的節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)因?yàn)橐ＷC用戶的公平性，因而要把該信道分配給那些已經(jīng)獲得信道的認(rèn)知用戶中的信道較少的用戶。在標(biāo)號(hào)完成后，該算法進(jìn)行頻譜分配，具體步驟如下：根據(jù)標(biāo)號(hào)準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行標(biāo)號(hào)。對(duì)標(biāo)號(hào)值最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào)量化，并對(duì)其信道進(jìn)行著色（分配頻譜）若果認(rèn)知用戶n被分配到一個(gè)信道m(xù)，那么用戶n應(yīng)該把信道m(xù)從自己的顏色列表中刪除。對(duì)于k用戶和n用戶不能同時(shí)使用的信道m(xù),那么就將信道m(xù)從k的列表中來(lái)進(jìn)行刪除。改進(jìn)型算法研究。

認(rèn)知無(wú)線電的目的是提高頻譜資源分配的效率。在不影響主用戶頻譜使用的情況下進(jìn)行最大化其頻譜利用率，從而使得系統(tǒng)的性能得到提升。然而不斷變化的外界情況需要我們來(lái)考慮更多。上文中提到的CMSB準(zhǔn)則雖然考慮了公平性，但缺少對(duì)網(wǎng)絡(luò)總效益的進(jìn)一步考慮本章中雖然介紹了可以提高頻譜資源利用率以及用戶公平性的圖論算法。然而依舊不夠完善。因此，下文將對(duì)算法做進(jìn)一步的改善,文獻(xiàn)［40］提出了新的算法。另外有人也從客戶實(shí)際要求的角度來(lái)改變節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)從而提高公平性［41,42,43。,4文4］獻(xiàn)［45］提出了滿意度的概念。本章開(kāi)始時(shí)規(guī)定了一些矩陣，我們將通過(guò)矩陣來(lái)對(duì)圖論做一研究。并簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)明各個(gè)矩陣之間的聯(lián)系。我們假定CR網(wǎng)絡(luò)中存在三個(gè)頻譜（A,B,C）,CR用戶有5個(gè)。根據(jù)3-1認(rèn)知無(wú)線電圖論模型可得可用頻譜矩陣和效益矩陣分別為為：「3「313_121L=231122113「313_121B=231122113在前文中我們說(shuō)兩個(gè)用戶使用同一個(gè)信道時(shí)，會(huì)存在干擾。而為了簡(jiǎn)化，方便計(jì)算，我們認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)用戶只要有一個(gè)不可用該頻譜時(shí)就會(huì)存在干擾。則干擾矩陣可表示如下：「00010「「00000「「0100「010000000010000C=00010C00100C=00001123101000000000010000010000110100根據(jù)L矩陣和B矩陣，我們可以知道效益矩陣：「3 1 3「021201120002為進(jìn)一步分析我們給出如下三個(gè)無(wú)干擾分配矩陣「11「01「11000010010A=001A=100A=101123000110010000000000可計(jì)算得，網(wǎng)絡(luò)總效益為8，11，14。由上計(jì)算可得，三個(gè)矩陣中總效益最高的矩陣是第三個(gè)分配矩陣。然而第三個(gè)分配矩陣對(duì)信道5并沒(méi)有進(jìn)行頻譜分配，而用戶的得到的信道卻得到了3個(gè)信道，因而對(duì)用戶5顯得不公平，故可考慮將用戶1的信道分給用戶5來(lái)使用，這時(shí)第三個(gè)矩陣變化為：~110~010A=1013010001總效益為13，而先前的總效益為14，因而在總效益差不多時(shí)，提高了用戶的公平性。因而我們可以明白，認(rèn)知無(wú)線電的目的在于提高頻譜利用率，但由于頻譜的時(shí)空差異和用戶的外界環(huán)境變化使得某些用戶在進(jìn)行頻譜分配時(shí)得不到滿足，雖然總效益和公平性存在一定程度上的對(duì)立，但并不是說(shuō)二者不可兼得。因此我們可以考慮適當(dāng)?shù)慕档涂傂б鎭?lái)提高公平性。我們?cè)谶M(jìn)行頻譜分配時(shí)，我們認(rèn)為總效益的如下：茲Ma*b （3-3）n,mn,mn-1m-1我們?cè)谧非罂傂б娴耐瑫r(shí)，由于頻譜時(shí)間和空間的變化性以及差異性，我們還應(yīng)該充分考慮用戶的公平性，因而我們使用如下兩個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)公平性進(jìn)行約束。表3-3約束參數(shù)列表信道（頻譜）數(shù)公平性：為了讓認(rèn)知用戶的通信要講求能夠被滿足，每個(gè)CR用戶都要獲取一定的信道（頻譜）數(shù)用以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用各個(gè)CR用戶所分配的信道（頻譜）數(shù)為來(lái)對(duì)公平行進(jìn)行衡量，利用方差值的辦法來(lái)對(duì)用戶得到的信道數(shù)進(jìn)行處理。如果方差值越小,那就表示公平性越好。網(wǎng)絡(luò)效益公平性用各個(gè)用戶所得到的網(wǎng)絡(luò)收益表示公平性，用方差來(lái)對(duì)公平性進(jìn)行衡量。如果方差值越小，那么公平性就越好。我們?cè)诖艘胍环N把信道數(shù)量當(dāng)作一種因素的新的算法，我們?cè)贑MSB準(zhǔn)則算法的基礎(chǔ)上引入權(quán)重來(lái)對(duì)分配頻譜資源的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，抑制頻譜資源多的節(jié)點(diǎn)使弱勢(shì)群體得到分配信道的機(jī)會(huì)，從而體現(xiàn)了公平性。

w=(寧l)a(quy+1)卩3-4)3-4)m-1quy代表認(rèn)知用戶當(dāng)前所擁有的信道。在算法開(kāi)始時(shí)要將其初始化為0，每n當(dāng)用戶獲得一個(gè)可用頻譜時(shí)，其值加一，范圍在0到M之間。a和0帶表權(quán)重系數(shù)。我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)節(jié)點(diǎn)分配信道時(shí)，先要將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，號(hào)值越大，在分配時(shí)優(yōu)先級(jí)最高。算法引入公平權(quán)重因子，其編號(hào)以及顏色表達(dá)式如下：3-5)3-6)label=maxw?b/(D+1)3-5)3-6)n nn,m n,mcolour=argmaxwEb/(D+1)n nn,m n,m其中D=￡caa表示在n使用信道m(xù)時(shí)和n產(chǎn)生沖突的CR用戶n,m n,k,mn,mk,mk=1,k=n如下為該算法的流程圖：否是是否圖G為空？N用戶和m用戶同時(shí)工作在信道m(xù)上時(shí)是否存在干擾結(jié)束否是是否圖G為空？N用戶和m用戶同時(shí)工作在信道m(xù)上時(shí)是否存在干擾結(jié)束將頻譜m從節(jié)點(diǎn)n和節(jié)點(diǎn)k的列表中刪去使用新的標(biāo)號(hào)準(zhǔn)則來(lái)基數(shù)按各節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)值，并分配頻譜.認(rèn)知用戶當(dāng)前所擁有的頻譜數(shù)加1拓?fù)涓孪到y(tǒng)初始化用MSB準(zhǔn)則進(jìn)行標(biāo)號(hào)和分配頻譜將頻譜m從節(jié)點(diǎn)n列表中刪除算法的具體步驟如下：1.初始化系統(tǒng)。2?使用MSB準(zhǔn)則來(lái)對(duì)圖G中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào),并對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分配。把已經(jīng)分配過(guò)的頻譜從這個(gè)頂點(diǎn)和與它相鄰的頂點(diǎn)的列表進(jìn)行刪除。把沒(méi)有可以使用的頻譜的頂點(diǎn)從這個(gè)圖中刪除掉。進(jìn)行拓?fù)鋱D的更新。圖是否為空？對(duì)quy=quy+1。nn加入權(quán)重因子進(jìn)行標(biāo)號(hào),計(jì)算之后的標(biāo)號(hào)值,再對(duì)其進(jìn)行分配頻譜。返回（3）。本章小結(jié)本章主要介紹了圖論算法,以及對(duì)這些模型進(jìn)行的改進(jìn)。3.1提出了圖論模型,3.1.1提出了圖論模型的數(shù)學(xué)描述,用矩陣形式對(duì)模型做了變換。3.2提出了圖論的經(jīng)典算法,有著色貪婪算法,著色公平算法,并對(duì)這兩個(gè)算法的流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在3.3節(jié)簡(jiǎn)單介紹了CMSB準(zhǔn)則算法。3.4節(jié)詳細(xì)介紹了改進(jìn)算法。第四章性能分析及仿真參數(shù)設(shè)置我們?cè)谶@篇文章對(duì)算法進(jìn)行研究時(shí)，主要是對(duì)頻譜的利用效率和用戶公平性來(lái)進(jìn)行改進(jìn)和研究的。而系統(tǒng)的效益可由如下公式來(lái)表示：U二茲ma*bsum n,mn,mn-1m-1 （4-丄丿而用戶的公平性可用各個(gè)用戶之間的方差來(lái)進(jìn)行度量，方差越小則代表公平性越高。我們將通過(guò)Matlab來(lái)對(duì)改進(jìn)型算法進(jìn)行仿真，主要對(duì)總效益和公平性從仿真結(jié)果上有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。另外我們將改進(jìn)算法和CMSB算法仿真后進(jìn)行比較。如下為我們所要仿真的參數(shù)：表4-1仿真參數(shù)列表名稱變量范圍授權(quán)用戶最大輻射范圍4CR用戶的輻射范圍[1,3]節(jié)點(diǎn)數(shù)NM一定，［5,50］依次取值顏色數(shù)MN=10,[5,50]依次取值可用頻譜矩陣L初始全部置1效益矩陣B［1,N］隨機(jī)產(chǎn)生干擾矩陣隨機(jī)產(chǎn)生0，1二維矩陣在進(jìn)行仿真時(shí)a,卩取-1。4.2關(guān)于算法總效益的仿真圖

由上圖可知，當(dāng)用戶數(shù)一樣，兩種算法的前提條為可用頻譜相同時(shí)，隨著用戶的增加，總效益都呈現(xiàn)了上升的趨勢(shì)，但是可以看出當(dāng)用戶數(shù)較少時(shí)，改進(jìn)型算法和CMSB準(zhǔn)則算法并沒(méi)有太大的差別。而當(dāng)用戶較多時(shí)，改進(jìn)算法的好處就體現(xiàn)了出來(lái)。4.3關(guān)于算法公平性的仿真下圖給出兩種算法中用戶分到的信道數(shù)，為了更直觀的體現(xiàn)信道數(shù)的差異,我們用直方分布圖來(lái)表示。

CMSB45335252CMSB453352521數(shù)道信到配分505 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15認(rèn)知用戶圖4-2CMSB關(guān)于公平性的仿真圖改進(jìn)算法5251525121數(shù)道信到配分0.5-0__■__LJ LJ LJ U U U U LJ LJ LJ__5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15認(rèn)知用戶圖4-3改進(jìn)算法關(guān)于用戶公平性的仿真由上圖所示，CMSB算法的用戶所分配的頻譜之間有較大的差異，而改進(jìn)算法的差異較小。因此，改進(jìn)算法在公平性方面也要先進(jìn)于CMSB算法。4.4本章總結(jié)本章主要對(duì)算法進(jìn)行仿真。對(duì)于改進(jìn)型算法和CMSB算法在公平性和頻譜總效益這兩個(gè)方面進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型算法這兩方面都要優(yōu)于CMSB算法。第五章總結(jié)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是緩解頻譜資源緊張的有效且關(guān)鍵的技術(shù)。該技術(shù)主要目的是為了完成頻譜的共享。人只用戶是具有認(rèn)知功能的此用戶，它可以主動(dòng)感知周圍的環(huán)境，并在主用戶不使用頻譜的時(shí)間來(lái)利用其頻譜，從而提高了頻譜的使用用率。人知無(wú)線電的技術(shù)是有關(guān)頻譜的技術(shù)，其中包含了頻譜的感知，管理，分配，接入和切換等技術(shù)組成。而本文的主要目標(biāo)就是進(jìn)行頻譜的分配。本文研究的頻譜分配方向側(cè)重于分配結(jié)果的公平性以及分配之后的頻譜總效益。文章簡(jiǎn)單介紹了幾種頻譜分配的模型，博弈論模型，拍賣(mài)模型和圖論模型，本文主要研究的是圖論模型。在進(jìn)行算法優(yōu)化時(shí)列舉出了三個(gè)無(wú)干擾分配矩陣，之后對(duì)這三個(gè)矩陣進(jìn)行分析從而提出了一個(gè)思想：我們可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整用戶總效益來(lái)使用戶的公平性得到提高。之后我們通過(guò)引入公平權(quán)重參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)權(quán)，從而讓已經(jīng)分配到頻譜資源的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)降低，使沒(méi)有分配到用戶的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)變高，從而保證了頻譜分配的公平性?；谶@些想法我們對(duì)算法進(jìn)行改造并提出了改進(jìn)型的算法。通過(guò)對(duì)改進(jìn)算法和傳統(tǒng)CMSB算法的仿真我們可以看出在頻譜效益和頻譜分配公平性這兩個(gè)方面，改進(jìn)算法都要優(yōu)于CMSB算法。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)正在飛速的向前發(fā)展，而頻譜資源緊缺也一步步督促著人們?nèi)W(xué)習(xí)和創(chuàng)新更優(yōu)越的技術(shù)。因此，這個(gè)技術(shù)還要不斷發(fā)展，不斷向前，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的動(dòng)態(tài)化和智能化需要很長(zhǎng)一段路來(lái)走。我們知道，認(rèn)知無(wú)線電的頻譜分配是動(dòng)態(tài)的，而我們目前所研究的成果生成的頻譜結(jié)果都是局限于固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因而實(shí)時(shí)性的分配結(jié)果是未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)。致謝時(shí)光飛快的流逝，大學(xué)四年已經(jīng)接近尾聲，我的大學(xué)生涯至此結(jié)束。因而，我在此要感謝那些支持過(guò)我的老師，同學(xué)，和家人，我對(duì)此送上最真誠(chéng)的感謝我要感謝我的老師，他們?cè)诖髮W(xué)四年里傳授給我們知識(shí)，讓我們?cè)谥R(shí)的海洋里遨游了四年，學(xué)到了我們應(yīng)該學(xué)到的東西。也對(duì)我們的人生做了一個(gè)很好的知道。關(guān)于本篇論文，我還要感謝我的學(xué)姐，她在這段時(shí)間里不斷的督促我，指導(dǎo)我寫(xiě)論文，當(dāng)我的論文碰到難處時(shí)，她給了我有效的指導(dǎo)和意見(jiàn)，讓我能夠乘風(fēng)破浪，不斷向前，從而完成這篇論文。為此，我對(duì)學(xué)姐表示最真摯的感謝！另外，我要感謝身邊的同學(xué)，大學(xué)四年我們一起走過(guò)了春夏秋冬，經(jīng)歷了嚴(yán)寒酷暑。我們一起成長(zhǎng)，一起改變。感謝我的父母，他們?yōu)榱宋覀兊膶W(xué)習(xí)和成長(zhǎng)費(fèi)盡了心思。我們也應(yīng)該懂事，讓他們安心。努力學(xué)習(xí)，努力生活，讓他們因?yàn)槲覀兌湴?。感謝我們偉大的祖國(guó)，感謝我們的地球母親，感謝生命中出現(xiàn)的和未出現(xiàn)的感動(dòng)。參考文獻(xiàn)安春燕.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理若干關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].北京郵電大學(xué),2013:2-3.張榮芳，劉勤?認(rèn)知無(wú)限通信系統(tǒng)中頻譜資源管理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]?西安電子科技大學(xué)，2012：2-4.何慶.基于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源管理研究[D].武漢大學(xué)，2010：16-17.SansoyM,ButtarAS.SpectrumsensingalgorithmsinCognitiveRadio:Asurvey[C].IEEEInternationalConferenceonElectrical,ComputerandCommunicationTechnologies.IEEE,2015.[5]Yucek.T,Arslan.H.ASurveyofSpectrumSensingAlgorithmsforCognitiveRadioApplications[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials，2009，11(1):116-130.王致中.電力線通信中正交頻分復(fù)用技術(shù)研究與應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2012.羅麗平，秦家銀.認(rèn)知無(wú)線電研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012， 30(3):74-79..[8]PangJS，ScutariG，F(xiàn)acchineiF，etal.DistributedPowerAllocationWithRateConstraintsinGaussianParallelInterferenceChannels[J].IEEETransactionsonInformationTheory，2008，54(8):3471-3489.任杰.頻譜資源自優(yōu)化分配算法的研究[D].北京交通大學(xué)，2015.田雯，郭艷艷，衛(wèi)霞，等.基于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作功率和頻譜分配研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2015(6):496-500.張玉兵.認(rèn)知無(wú)線電中頻譜分配技術(shù)的研究[D].江南大學(xué),2014:22-34.張麗影.基于公平性的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配研究[D].中南大學(xué),2013:1-5.張靜.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)決策與管理關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2011:3-5.王超波.認(rèn)知無(wú)線通信系統(tǒng)中頻譜感知與資源管理技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2011:15-23.王致中.電力線通信中正交頻分復(fù)用技術(shù)研究與應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2012:10-20.趙建立.認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué),2014:5-10.廖楚林，陳劼，唐友喜，等.認(rèn)知無(wú)線電中的并行頻譜分配算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(7):1608-1611.李一兵，楊蕊，高振國(guó).基于著色理論的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配算法J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010,32(6):11