开题报告：认知无线电网络中基于图论的频谱分配算法研究
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进度安排：
2014.05-2014.06 2014.07-2014.08 2014.09-2014.11 2015.12-2015.02 2015.02-2015.04 2015.04-2015.05
2015-5-13
研究计划
进一步搜集频谱分配方面的资料，进行总结、 归纳； 分析认知用户功率控制和频谱分配关系和约束， 改进现有模型； 分析如何在频谱分配过程中兼顾用户需求因素， 设计新的效用函数； 设计基于启发式算法的频谱分配算法，仿真实
6/16
2、国内外研究进展
国外研究机构与项目
认知无线电网络的研究
美国国防部制定的下一代通信计划（Next Generation Communication Program, XG）
美国佐治亚理工学院提出了基于OFDM的认知无线电宽带频谱池系统 美国加州大学伯克利分校和柏林技术大学合作研发的一种利用虚拟无许可频谱的认知
2015-5-13
Fig.4 CRN中图论模型
4个主用户：Ⅰ~Ⅳ 5个次用户： 1~5 可选信道：A, B, C
9/16
硕士研究生学位论文开题报告
3、研究内容和计划
列表着色算法
目标：最大化频谱分配数 特点：基于贪心，快速收敛 不足：未考虑频谱效益差异
图论模型算法简介
颜色敏感着色算法
目标：最大化频谱效益 特点：引入频段利益，考虑差异 不足：运算量较大，随频谱数增 加，计算量成非线性增加
策 ：
号
射频 激励
表述
--- Joseph Mitola
传输调整
频 谱 空
频谱感知
洞
干扰 温度
• 一种智能化的软件无线电；
• 通过无线电知识表示语言与网络进行智能交流；
推 数 理 据
推理和学习 量化信道容量
频谱分析
表述
--- FCC
Fig.2 认识循环
• 通过与频谱环境进行交互而改变传参数； • 采用动态频谱接入的方式使用授权频谱，使其具有认知和重配置能力；
• 干扰矩阵改进（示例）
1 0 L 0 1 1 0
1
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 C1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 认知用户
频段
0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
Fig.1 美国0-6GHz频谱资源的使用情况
Tab.1 美国0-6GHz的频谱资源利用率
频率(GHz) 利用率(%) 0-1 54.4 1-2 35.1 2-3 7.6 3-4 0.025 4-5 0.128 5-6 4.6
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
3/16
1、选题背景
认识无线电技术的发展
如何才能提高频谱利 用率呢？
频分复用
时分复用 蜂窝小区
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
4/16
1、选题背景
提出
认识无线电技术
--- 认知无线电(Cognitive Radio)
输 信
传
Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出。
决
无线电环境 （外部环境）
射频前端
• 启发式算法解向量设计
Fig.5 解向量编码方式示例
• 干扰矩阵改进
不同频谱下，认知用户 与认知用户的干扰矩阵 作用： 干扰矩阵查找操作
2015-5-13
频谱与解向量表 示的干扰矩阵
去干扰操作
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硕士研究生学位论文开题报告
3、研究内容和计划
启发式分配模型
设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
8/16
3、研究内容和计划
图论模型
• 网络拓扑抽象成图，拓扑结构实时改变 • 顶点表示认知无线电用户 • 每一条边表示一对顶点存在冲突或者干扰 数学模型描述 • 空闲频谱矩阵 • 效益矩阵
图论模型介绍
• 干扰矩阵集合
• 无干扰的频谱分配矩阵 分配目标 • 干扰的前提下最大化系统效益
1 0
0 0 1 0 0 1 1 0
0< 1
认知用户
< 2 >= 2
去干扰矩阵： C1 1 1 0 0 0 0 0
• 去干扰操作
2015-5-13
p 1 1 0 1 1 1 0
硕士研究生学位论文开题报告
C1 p
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3、研究内容和计划
启发式分配模型
设计启发式算法
研究目标
国内会议和基金
2008年5月，北京邮电大学承办了中欧认知无线电研讨会 2011年中国通信与网络国际学术会议 认知无线电专题 973计划、863计划和国家自然科学基金都对认知无线电进行了立项支持
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
7/16
2、国内外研究进展
CRN频谱分配的研究现状
CRN频谱分配的研究
硕士研究生学位论文开题报告
认知无线电网络中基于图论的
频谱分配算法研究
报告人：杨劲松 导 师：曾碧卿
目录页
contents
01 选题背景
02 国内外研究进展 03 研究内容和计划
1、选题背景
频谱资源使用现状 美国0-6GHz频谱资源利用率 的测量结果
绝大多数频段未被充分使用 高频频段的频谱使用率非常低
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
5/16
1、选题背景
CRN频谱分配问题描述
频谱分配问题可描述为： 建立动态频谱共享机制 空闲频谱分配给次用户 避免对主用户通信造成干扰 避免次用户之间的干扰
Fig.3 频谱分配描述
优化频谱利用率
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
2015-பைடு நூலகம்-13
硕士研究生学位论文开题报告
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3、研究内容和计划
启发式分配模型 设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
• 现有的研究工作通常将频谱分配和功率控制分开考虑。 • 认识用户采用的通信功率影响着认知用户之间和主用户的干扰 范围。
• 由于实际接入CRN中认知设备的不同，必然会有不同的频谱需求。
启发式分配算法
目标：多目标 特点：优先给出可行解， 能够跳出局部最优
并行频谱分配算法
目标：最大化频谱效益 特点：分解成多个子图并行分配 不足：解效益不高，必须执行完 才能得到解方案
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
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3、研究内容和计划
启发式分配模型 设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
验，并对比；
定论文初稿； 修改论文并定稿；
硕士研究生学位论文开题报告
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谢谢！
联合功率控制和用户需求
• 在认知用户容许的时延内，启发 式算法搜索到的解往往能得到更 优的系统效益。 • 模拟退火算法的概率突跳性，有 利于跳出局部最优找到全局最优 解。 • 采用多次退火过程，来提高模型 搜索效率。 • 与其他智能算法的结合也为频谱 分配提供了良好的思路。
Fig.6 模拟退火频谱分配算法寻解示例
待解决问题
• 如何在认知用户选择可用频谱同时考虑认知用户的功率选择。 • 如何针对用户的频谱需求和认知用户的功率选择设计新的效用 函数。
• 如何设计多目标优化的分配算法，使其具有较好的系统效益， 同时考量算法对于认知用户之间的公平性也非常重要。
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
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3、研究内容和计划
无线电系统（CORVUS系统）
欧洲委员会第六次框架工程中E2R项目融合端到端重配置网络和软件定义无线电 美国加州大学智能网实验室研发的采用可升级的分布式频谱共享方案 的Nautilus系统 FCC与2005年提出了第一个基于认知无线电的标准化协议IEEE 802.22，也叫无线区域 网 （Wireless Regional Area Networks, WRAN）
加利福利亚大学的学者将CRN中频谱分配问题抽象成图着色问题，使用图着色理论来 实现对频谱的无干扰分配 美国加州大学的郑海涛教授以图着色为模型，提出了一种颜色敏感图论着色算法 国内电子科技大学的学者，针对计算开销与频谱数关系，提出了一中并行分配的算法 弗吉尼亚理工研究所学者深入分析研究博弈理论在CRN中建模与分析等方面的可能性 加利福利亚大学提出提出了一种单频段多赢家拍卖分配算法，有效的提高了拍卖的经 济收益 国内学者赵知劲将群智能引入到认知无线电的频谱分配领域，并验证了在该领域应用 的有效性
2014.05-2014.06 2014.07-2014.08 2014.09-2014.11 2015.12-2015.02 2015.02-2015.04 2015.04-2015.05
2015-5-13
研究计划
进一步搜集频谱分配方面的资料，进行总结、 归纳； 分析认知用户功率控制和频谱分配关系和约束， 改进现有模型； 分析如何在频谱分配过程中兼顾用户需求因素， 设计新的效用函数； 设计基于启发式算法的频谱分配算法，仿真实
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2、国内外研究进展
国外研究机构与项目
认知无线电网络的研究
美国国防部制定的下一代通信计划（Next Generation Communication Program, XG）
美国佐治亚理工学院提出了基于OFDM的认知无线电宽带频谱池系统 美国加州大学伯克利分校和柏林技术大学合作研发的一种利用虚拟无许可频谱的认知
2015-5-13
Fig.4 CRN中图论模型
4个主用户：Ⅰ~Ⅳ 5个次用户： 1~5 可选信道：A, B, C
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3、研究内容和计划
列表着色算法
目标：最大化频谱分配数 特点：基于贪心，快速收敛 不足：未考虑频谱效益差异
图论模型算法简介
颜色敏感着色算法
目标：最大化频谱效益 特点：引入频段利益，考虑差异 不足：运算量较大，随频谱数增 加，计算量成非线性增加
策 ：
号
射频 激励
表述
--- Joseph Mitola
传输调整
频 谱 空
频谱感知
洞
干扰 温度
• 一种智能化的软件无线电；
• 通过无线电知识表示语言与网络进行智能交流；
推 数 理 据
推理和学习 量化信道容量
频谱分析
表述
--- FCC
Fig.2 认识循环
• 通过与频谱环境进行交互而改变传参数； • 采用动态频谱接入的方式使用授权频谱，使其具有认知和重配置能力；
• 干扰矩阵改进（示例）
1 0 L 0 1 1 0
1
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 C1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 认知用户
频段
0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
Fig.1 美国0-6GHz频谱资源的使用情况
Tab.1 美国0-6GHz的频谱资源利用率
频率(GHz) 利用率(%) 0-1 54.4 1-2 35.1 2-3 7.6 3-4 0.025 4-5 0.128 5-6 4.6
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1、选题背景
认识无线电技术的发展
如何才能提高频谱利 用率呢？
频分复用
时分复用 蜂窝小区
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1、选题背景
提出
认识无线电技术
--- 认知无线电(Cognitive Radio)
输 信
传
Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出。
决
无线电环境 （外部环境）
射频前端
• 启发式算法解向量设计
Fig.5 解向量编码方式示例
• 干扰矩阵改进
不同频谱下，认知用户 与认知用户的干扰矩阵 作用： 干扰矩阵查找操作
2015-5-13
频谱与解向量表 示的干扰矩阵
去干扰操作
11/16
硕士研究生学位论文开题报告
3、研究内容和计划
启发式分配模型
设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
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3、研究内容和计划
图论模型
• 网络拓扑抽象成图，拓扑结构实时改变 • 顶点表示认知无线电用户 • 每一条边表示一对顶点存在冲突或者干扰 数学模型描述 • 空闲频谱矩阵 • 效益矩阵
图论模型介绍
• 干扰矩阵集合
• 无干扰的频谱分配矩阵 分配目标 • 干扰的前提下最大化系统效益
1 0
0 0 1 0 0 1 1 0
0< 1
认知用户
< 2 >= 2
去干扰矩阵： C1 1 1 0 0 0 0 0
• 去干扰操作
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p 1 1 0 1 1 1 0
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C1 p
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3、研究内容和计划
启发式分配模型
设计启发式算法
研究目标
国内会议和基金
2008年5月，北京邮电大学承办了中欧认知无线电研讨会 2011年中国通信与网络国际学术会议 认知无线电专题 973计划、863计划和国家自然科学基金都对认知无线电进行了立项支持
2015-5-13
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2、国内外研究进展
CRN频谱分配的研究现状
CRN频谱分配的研究
硕士研究生学位论文开题报告
认知无线电网络中基于图论的
频谱分配算法研究
报告人：杨劲松 导 师：曾碧卿
目录页
contents
01 选题背景
02 国内外研究进展 03 研究内容和计划
1、选题背景
频谱资源使用现状 美国0-6GHz频谱资源利用率 的测量结果
绝大多数频段未被充分使用 高频频段的频谱使用率非常低
2015-5-13
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1、选题背景
CRN频谱分配问题描述
频谱分配问题可描述为： 建立动态频谱共享机制 空闲频谱分配给次用户 避免对主用户通信造成干扰 避免次用户之间的干扰
Fig.3 频谱分配描述
优化频谱利用率
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
2015-பைடு நூலகம்-13
硕士研究生学位论文开题报告
13/16
3、研究内容和计划
启发式分配模型 设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
• 现有的研究工作通常将频谱分配和功率控制分开考虑。 • 认识用户采用的通信功率影响着认知用户之间和主用户的干扰 范围。
• 由于实际接入CRN中认知设备的不同，必然会有不同的频谱需求。
启发式分配算法
目标：多目标 特点：优先给出可行解， 能够跳出局部最优
并行频谱分配算法
目标：最大化频谱效益 特点：分解成多个子图并行分配 不足：解效益不高，必须执行完 才能得到解方案
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
10/16
3、研究内容和计划
启发式分配模型 设计启发式算法
研究目标
联合功率控制和用户需求
验，并对比；
定论文初稿； 修改论文并定稿；
硕士研究生学位论文开题报告
15/16
谢谢！
联合功率控制和用户需求
• 在认知用户容许的时延内，启发 式算法搜索到的解往往能得到更 优的系统效益。 • 模拟退火算法的概率突跳性，有 利于跳出局部最优找到全局最优 解。 • 采用多次退火过程，来提高模型 搜索效率。 • 与其他智能算法的结合也为频谱 分配提供了良好的思路。
Fig.6 模拟退火频谱分配算法寻解示例
待解决问题
• 如何在认知用户选择可用频谱同时考虑认知用户的功率选择。 • 如何针对用户的频谱需求和认知用户的功率选择设计新的效用 函数。
• 如何设计多目标优化的分配算法，使其具有较好的系统效益， 同时考量算法对于认知用户之间的公平性也非常重要。
2015-5-13
硕士研究生学位论文开题报告
14/16
3、研究内容和计划
无线电系统（CORVUS系统）
欧洲委员会第六次框架工程中E2R项目融合端到端重配置网络和软件定义无线电 美国加州大学智能网实验室研发的采用可升级的分布式频谱共享方案 的Nautilus系统 FCC与2005年提出了第一个基于认知无线电的标准化协议IEEE 802.22，也叫无线区域 网 （Wireless Regional Area Networks, WRAN）
加利福利亚大学的学者将CRN中频谱分配问题抽象成图着色问题，使用图着色理论来 实现对频谱的无干扰分配 美国加州大学的郑海涛教授以图着色为模型，提出了一种颜色敏感图论着色算法 国内电子科技大学的学者，针对计算开销与频谱数关系，提出了一中并行分配的算法 弗吉尼亚理工研究所学者深入分析研究博弈理论在CRN中建模与分析等方面的可能性 加利福利亚大学提出提出了一种单频段多赢家拍卖分配算法，有效的提高了拍卖的经 济收益 国内学者赵知劲将群智能引入到认知无线电的频谱分配领域，并验证了在该领域应用 的有效性