非合作无线认知网络频谱共享关键技术研究

非合作无线认知网络频谱共享关键技术研究无线认知网络通过动态频谱接入技术可以提高频谱使用效率,近年来在学术界及工业界受到越来越多的关注与研究。频谱共享是无线认知网络研究的核心内容,主要解决授权频段内主用户与无线认知网络中次用户间以及各次用户之间的频谱获取与使用的问题。本文研究非合作场景下的频谱共享,主要解决理性用户之间在缺少合作意愿的情况下如何独立决策实现高效频谱共享。我们从频谱共享过程中的三个方面展开研究,分别对应频谱获取、信道划分与分配以及对构建信道的接入。

对于频谱获取问题我们主要考虑基于频谱交易的模式下,当用户预算受限时如何使更多用户获得频谱;在获得频谱资源后,我们主要研究各个次用户如何将其划分成不同带宽的信道并进行分配;最后针对用户构建的异构信道研究如何实现高效接入问题。论文的主要工作和创新成果包括以下几个方面:(1)预算受限下次用户的频谱交易模型与算法。频谱交易是次用户获取频谱资源的重要方式,然而现有工作中很少考虑次用户预算对频谱交易的影响。由于频谱资源非常昂贵,在实际网络中次用户可能由于预算有限而无力承担频谱交易费用,最终导致无法获取可用频谱资源。

针对用户预算受限导致交易成功率降低的问题,我们将频谱交易划分为两级交易市场,针对不同市场结构分别设计了新的频谱交易机制来提高交易成功率。其基本思想是通过多个次用户共同购买一个信道来分摊信道交易成本。在一级频谱市场中,我们设计了主用户与次用户间的团购拍卖模型COSTAG,研究用户分组规则与支付规则来构建参与团购的用户分组以及分组内每个用户应分摊的价格。与现有工作相比,COSTAG能够保证拍卖过程中的群组诚实性,提高频谱交易成功率以及主用户收益。

在次级频谱市场中我们设计了针对次用户之间的频谱转租博弈模型SSG,使得多个次用户能够以转租的形式共同分摊频谱交易成本。我们采用MLMF模型构建用户间的博弈关系,利用用户间的共享约束策略空间属性证明了该博弈存在纳什均衡点,并设计了相应的分布式算法使得用户基于局部信息可以收敛到该均衡点。(2)信道分配过程中的用户竞争策略研究。在基础设施结构的无线认知网络中,次用户的信道通常由不同网络服务商分配。

不同的信道分配方式下用户的关联结果不同,导致各个服务商的收益也不相同,因此在信道分配过程中存在对次用户的竞争问题。现有工作都采用价格控制策略解决服务商间的竞争,但由于激烈的价格竞争会降低服务商收益,且同一服务商对不同用户只能设置相同价格而导致资源分配效率降低。我们在本文中首次提出通过信道预分配实现服务商间基于服务质量差异的用户竞争机制。通过对Blotto博弈进行扩展来构建服务商间的竞争博弈模型,研究用户及服务商在异构信道及有限频谱预算下的最优竞争策略,并给出了纯策略下Nash均衡存在条件。

利用服务商收益函数的互补连续特性,证明了在混合策略下该博弈的Nash 均衡解是存在的,从而证明本文中提出的基于频谱预分配的用户竞争策略可行。最后基于虚拟博弈设计了分布式算法EFPA,利用动态规划方式下的迭代关系求解预算约束下多维非零和博弈均衡。(3)研究信道重构模式下的频谱分配博弈。在基于认知无线电的非合作Ad Hoc网络中,用户使用信道的带宽与频率通常由自己选择,在这种情况下用户为了获得更高速率通常选择占用更多频谱资源,导致信道划分与选择过程中的“公地悲剧”问题。

现有工作采用全局控制器或价格干预机制限制用户占用过多信道,但在非合作网络环境下用户不会主动牺牲自己的收益,因而这些措施较难实现。我们研究在非合作网络中给定可用频谱后各个用户如何构建不同带宽与频率的信道选择问题,设计了一种基于非合作博弈的自适应频谱分配模型。用户间的选择是完全独立的,以各自吞吐量最大化为目标。不同于现有工作,该博弈模型基于跨层设计思想构建用户收益函数,在不依赖外部干预机制的情况下能够避免用户选择过多频谱。

通过将该信道划分与选择问题归约为位势博弈,我们证明了其博弈过程存在纯策略Nash均衡点,并设计了分布式算法使得每个用户通过异步增益响应即可收敛到均衡点。(4)设计了面向信道重构的接入控制协议CH-MAC。在具有基础设施结构的无线认知网络中,同一网络单元内由各用户选择不同频率与带宽的信道通信,不仅能够提高频谱使用效率,还可以解决传统单信道接入模式下,单元内因缺少公共信道而使部分用户无法接入的问题。但对于这种异构多信道如何实现高效接入是亟待解决的问题。

现有蜂窝网络中基于严格时间同步以及基站的集中式控制模式可以实现这种单元内的多信道接入。在非同步及用户分布式信道决策的无线认知局域网络中,为了解决上述问题,我们设计了一种动态多信道接入控制协议CH-MAC,可以解决用户与接入点间的信道协商、多信道环境下的竞争接入与冲突检测等问题。我们采用基于载波编码的RTS信息实现信道竞争与数据传输的协商,使得接入点能够在非同步模式下利用单个射频终端同时监听并接收不同信道内多个用户的数据传输。通过认知无线电平台对CH-MAC协议进行系统实现与模拟仿真,证明了该协议的可行性及性能。