基于图论的动态频谱分配策略
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幅度 减 少 了时 间开 销 ， 提 高 了 系统的 时 效性 ． 关键 词 ： 认 知 无线 电 ； 图论 ； 动 态频谱 分 配 ； 系统收 益
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ９ Ｉ
文 献标 志 码 ： Ａ
文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ — ５ ８ ３ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ５ ５ ． ０ ４
且 随着 网 络 可用 资 源 的增 多 或 者 Ｓ Ｕ、 Ｐ Ｕ数 目 的 增多 ， 其 分 配 效率 会 快 速 降低 ．本 文 鉴 于上 述 问 题， 在最大化总收益规则下 ， 提 出 了 一 种 改 进 的
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蠹 Ｕ Ｂ Ｓ Ｐ Ｕ ４ ， ／ ＂ ， ＼ 、 一 ≤ ／
Ｕ２ ／ ＂ Ｌ Ｊ ＇ ， Ｓ
…
基 于 图论 的动态 频 谱 分 配策 略 ．
ｌ Ｊ ｂ
、￣ Ｕ 一 Fra bibliotek１ 频谱分配模型分析
１ ． １ 频谱分配场景 假 设 认 知 无 线 电 系 统 采 用 正 交 频 分 复 用 （ Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ） 作 为传 输 技 术 ． Ｏ Ｆ ＤＭ 在 每 个 信 道 上使
Ｒ Ｃ Ｃ ） 与控 制器交换信 息 ， 包 括 认 知 用 户 感 知 的
策 任务 组 的统计 数 据 ， 当前分 配 的绝 大 多数 频 谱
的利用 率为 １ ５ ％ ８ ５ ％， 在 同一 时 间 、 相 同 地 点
所 用 的 频谱 资源 只 占可 用 频谱 的 ２ ％ ～６ ％ ． 认 知 无 线 电（ Ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ， Ｃ Ｒ 】 概 念 的提 出 ， 为 解 决 频 谱 资 源短 缺 问 题 指 明 了方 向 ．认 知 无 线 电 系 统 是 一 个 复 杂 的 智 能 的通 信 系 统 ， Ｃ Ｒ涉 及 的 关键技术主要包括频谱感知 、 干扰 温度 、 信 道 状 态估计 、 频谱 分配 、 自适 应 数 据 传 输 、 功 率 控 制
以及 机 器 学 习 等 ． 频 谱 分 配 是 在 频 谱 感 知 获 得 频 谱 空 穴 的基 础上 ， 根 据 分 配规 则 对 空 中接 口资 源 进行 规 划 调
频 谱 信 息 和 控 制 器分 配 的 信 道 信 息 ． 本 文 改 进 的频谱 分配算 法基 于上述 场景 ， 并 且 不 关 注 物
摘
要： 针 对颜 色敏 感 图论 着 色频 谱 分 配算 法 一般 只 应 用 于静 态 网络 的 问题 ， 基 于频谱 分 配 的 图论模 型 及颜
色敏 感 图论 着 色频谱 分 配原 理 ， 提 出了一 种 改进 的 最 大化 系统 总收 益规 则 下的 动 态频谱 分配 算 法 ， 并进 行 了仿 真 实验 ， 对 比分 析 了原 有 算 法 与新 算 法 的 性 能． 仿 真 结果 表 明 ， 改 进 的 算 法 虽然使 认 知 网络 总效 益有 所 下 降 ， 但 大
第２ ７ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３ 年０ ２ 月
空 军 预 警 学 院 学 报
Ｊ ｏｕ ｒ ｎａ ｌ ｏｆ Ａｉ ｒ Ｆｏ ｒ ｃ ｅ Ｅａ ｒ ｌ ｙ Ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ
、 厂 ０ １ ． ２ ７ Ｎｏ． １ Ｆｅ ｂ．２ ０１ ３
由于 频 谱 管 理 方 式 的 问 题 ， 授 权 的 传 输 特 性 比较 好 的 频 段 的 利 用 率 不 高 ， 据Ｆ Ｃ Ｃ频 谱 政
用１ 个 子载波进行调制 ， 各子载波相互正 交 ， 所 以扩 频 调 制 后 的频 谱 能够 相 互 重叠 ， 不 但减 小 了 子 载波 间的 相互 干 扰 ， 还 大大 提 高 了频 谱 的利 用 率 ． 假设 在 认 知 无 线 网络 区域 内 ， 存 在 Ⅳ个 认 知用 户 ， 个 相 同带 宽 而且 相互 正 交 的子信 道 ． 根 据组 网方 式 ， 频 谱 分 配 分 为集 中式 和 分 布 式 ２ 种 分 配 方 式 ． 集 中 式 频谱 共 享 需 要 一 个 集 中式 控 制 器（ 如 基 站） 来 管 理用 户 的接 入 和 频谱 分 配 ， 控 制 器 还 负 责 维 护频 谱 使 用 信 息 的数 据 库 ． 认 知 用户 间 通 过 与控 制 器通 信 实 现 ， 认 知 用 户通 过 预定 义 的无线 控制 信道 （ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ Ｃ ｏ ｎ ￣ ｏ ｌ Ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ，
理 层 的频 谱 感 知 ， 主要 研 究 ＭＡＣ层 的子 载 波 的
度 ． 目前 ， 在频 谱 分 配 理论 方 面 已提 出 了 图论 模 型、 博 弈论模 型 、 干扰温度模 型 、 拍 卖 竞 价 模 型 等分配模 型．文献［ ２ ］ 只 考 虑 了授 权 用 户 （ Ｐ Ｕ ） 和
认 知用户（ ｓ ｕ ） ， 认 知 用 户 之 间 的 干 扰 限制 ， 提出
分 配 ．认 知无 线 电 网络 频 谱 分 配场 景 如 图 １
所示．
了分布式列表着色频谱分配方法．文献 ［ ３ ］ 中提 出 了一 种 集 中式 颜 色 敏 感 图论 着 色频 谱 分 配 算 法（ Ｃ Ｓ Ｇ Ｃ ） ．但是 ， Ｃ Ｓ Ｇ Ｃ分 配 方 法 是 针 对 静 态 认 知 网络 的 分 配 策 略 ， 不能适应频谱 移动性 ， 而
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ５ ８ ３ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ４
基 于图论 的动态频谱分 配策略
韩春耀 １ ， 吴利 民ｚ
（ １ ． 空军预警学院 研 究生管理大队， 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ９ ； ２ ． 空军预警学院 四系， 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ９ ）
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ９ Ｉ
文 献标 志 码 ： Ａ
文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ — ５ ８ ３ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ５ ５ ． ０ ４
且 随着 网 络 可用 资 源 的增 多 或 者 Ｓ Ｕ、 Ｐ Ｕ数 目 的 增多 ， 其 分 配 效率 会 快 速 降低 ．本 文 鉴 于上 述 问 题， 在最大化总收益规则下 ， 提 出 了 一 种 改 进 的
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基 于 图论 的动态 频 谱 分 配策 略 ．
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１ ． １ 频谱分配场景 假 设 认 知 无 线 电 系 统 采 用 正 交 频 分 复 用 （ Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ） 作 为传 输 技 术 ． Ｏ Ｆ ＤＭ 在 每 个 信 道 上使
Ｒ Ｃ Ｃ ） 与控 制器交换信 息 ， 包 括 认 知 用 户 感 知 的
策 任务 组 的统计 数 据 ， 当前分 配 的绝 大 多数 频 谱
的利用 率为 １ ５ ％ ８ ５ ％， 在 同一 时 间 、 相 同 地 点
所 用 的 频谱 资源 只 占可 用 频谱 的 ２ ％ ～６ ％ ． 认 知 无 线 电（ Ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ， Ｃ Ｒ 】 概 念 的提 出 ， 为 解 决 频 谱 资 源短 缺 问 题 指 明 了方 向 ．认 知 无 线 电 系 统 是 一 个 复 杂 的 智 能 的通 信 系 统 ， Ｃ Ｒ涉 及 的 关键技术主要包括频谱感知 、 干扰 温度 、 信 道 状 态估计 、 频谱 分配 、 自适 应 数 据 传 输 、 功 率 控 制
以及 机 器 学 习 等 ． 频 谱 分 配 是 在 频 谱 感 知 获 得 频 谱 空 穴 的基 础上 ， 根 据 分 配规 则 对 空 中接 口资 源 进行 规 划 调
频 谱 信 息 和 控 制 器分 配 的 信 道 信 息 ． 本 文 改 进 的频谱 分配算 法基 于上述 场景 ， 并 且 不 关 注 物
摘
要： 针 对颜 色敏 感 图论 着 色频 谱 分 配算 法 一般 只 应 用 于静 态 网络 的 问题 ， 基 于频谱 分 配 的 图论模 型 及颜
色敏 感 图论 着 色频谱 分 配原 理 ， 提 出了一 种 改进 的 最 大化 系统 总收 益规 则 下的 动 态频谱 分配 算 法 ， 并进 行 了仿 真 实验 ， 对 比分 析 了原 有 算 法 与新 算 法 的 性 能． 仿 真 结果 表 明 ， 改 进 的 算 法 虽然使 认 知 网络 总效 益有 所 下 降 ， 但 大
第２ ７ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３ 年０ ２ 月
空 军 预 警 学 院 学 报
Ｊ ｏｕ ｒ ｎａ ｌ ｏｆ Ａｉ ｒ Ｆｏ ｒ ｃ ｅ Ｅａ ｒ ｌ ｙ Ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ
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由于 频 谱 管 理 方 式 的 问 题 ， 授 权 的 传 输 特 性 比较 好 的 频 段 的 利 用 率 不 高 ， 据Ｆ Ｃ Ｃ频 谱 政
用１ 个 子载波进行调制 ， 各子载波相互正 交 ， 所 以扩 频 调 制 后 的频 谱 能够 相 互 重叠 ， 不 但减 小 了 子 载波 间的 相互 干 扰 ， 还 大大 提 高 了频 谱 的利 用 率 ． 假设 在 认 知 无 线 网络 区域 内 ， 存 在 Ⅳ个 认 知用 户 ， 个 相 同带 宽 而且 相互 正 交 的子信 道 ． 根 据组 网方 式 ， 频 谱 分 配 分 为集 中式 和 分 布 式 ２ 种 分 配 方 式 ． 集 中 式 频谱 共 享 需 要 一 个 集 中式 控 制 器（ 如 基 站） 来 管 理用 户 的接 入 和 频谱 分 配 ， 控 制 器 还 负 责 维 护频 谱 使 用 信 息 的数 据 库 ． 认 知 用户 间 通 过 与控 制 器通 信 实 现 ， 认 知 用 户通 过 预定 义 的无线 控制 信道 （ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ Ｃ ｏ ｎ ￣ ｏ ｌ Ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ，
理 层 的频 谱 感 知 ， 主要 研 究 ＭＡＣ层 的子 载 波 的
度 ． 目前 ， 在频 谱 分 配 理论 方 面 已提 出 了 图论 模 型、 博 弈论模 型 、 干扰温度模 型 、 拍 卖 竞 价 模 型 等分配模 型．文献［ ２ ］ 只 考 虑 了授 权 用 户 （ Ｐ Ｕ ） 和
认 知用户（ ｓ ｕ ） ， 认 知 用 户 之 间 的 干 扰 限制 ， 提出
分 配 ．认 知无 线 电 网络 频 谱 分 配场 景 如 图 １
所示．
了分布式列表着色频谱分配方法．文献 ［ ３ ］ 中提 出 了一 种 集 中式 颜 色 敏 感 图论 着 色频 谱 分 配 算 法（ Ｃ Ｓ Ｇ Ｃ ） ．但是 ， Ｃ Ｓ Ｇ Ｃ分 配 方 法 是 针 对 静 态 认 知 网络 的 分 配 策 略 ， 不能适应频谱 移动性 ， 而
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ５ ８ ３ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ４
基 于图论 的动态频谱分 配策略
韩春耀 １ ， 吴利 民ｚ
（ １ ． 空军预警学院 研 究生管理大队， 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ９ ； ２ ． 空军预警学院 四系， 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ９ ）