认知无线电网络中频谱分配算法
作者:刘兴举时间:2015-12-05 10:16:40 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:1464次 ]
【文章摘要】
随着科学技术的发展，无线通信技术逐渐趋于成熟，虽然频谱资源日益增多，但是认知无线电的频谱仍是处于紧缺状态，在一定程度上对无线通信的发展有着阻碍和抑制的作用。比如一些用户的需求在认知无线电网络中并没有得到满足，这一问题具体表现在频谱分配算法的不够严谨，存在很大的欠缺。
【关键词】
认知无线电；算法；频谱分配；频谱共享
通过计算机技术的普及，人们对网络的需求是不断加深的，业务内容日益丰富起来，业务数量逐渐曾多。虽然有很多学者、科学家、技术员也在无线通信技术领域不断研究和深入解析使得频谱资源日益增多，可是仍然无法满足人们对其的需要。但众多的研究结果显示，很多频谱分配方法分配得不恰当、不合理是造成资源紧缺的重要原因，甚至有些资源闲置起来没有充分发挥它的作用，并不是是频谱资源本身的匮乏。
1 对认知无线电的介绍
在无线移动通信领域，认知无线电技术是该领域革命性的技术。无线电频谱资源是国家重要的战略性资源之一。无线电频谱资源并不是取不尽、用不完的公共资源，它是非常有限的。用户通过借助于该技术进行搜索可用频谱资源、定位周围环境以及动态的接入频谱, 进而提高通信系统的频谱利用率和容量。因此，认知无线电技术被大家公认为解决无线电频谱资源紧缺办法之一。认知无线电网络，它的频谱资源是随着授权用户的活动情况、地理位置、时间的不同而不断变化的。该频谱资源之所以能够随着用户的活动环境、详细时间、具体位置的改变而改变，是因为通过无线电技术可以对频谱分配进行一定的算法。
2 认知无线电网络频谱分配
以前的无线网络的频谱可用频段被频分复用技术划为成若干信道，在满足无干扰的条件下进行分配可用信道，以满足用户需求的最大化，这个问题也被称之为信道指配问题。但是认知无线电网络中有关动态频谱分配问题与传统的信道指配问题不尽相同。在认知无线电网络中, 可用信道是时常动态变化的，主要是会随着广大用户地理位置和时间的变化而改变、随着户行为的多变会导致空闲频段变得较为零碎而大小各异。而信道指配中还未指配、即将指配的可用信道通总是固定不变的。认知无线电网络频谱分配的相关问题可以具体为：主用户和次用户两者之间建立起一种动态的频谱共享机制、满足主用户使用频谱资源、满足用户在使用的时候及时避免信号的干扰、如何把空闲频段有效地分配给次用户或者其他用以及优化频谱利用的效率。
3 无线电网络频谱的具体算法
在实际的无线电网络中, 在达到频谱利用率最大化的同时, 需要最大限度地考虑分配算法的设计目标的公平性、高效性、扩展性、有效性。频谱分配算法的设计通常需要在公平性和高效性之间达到某种平衡, 不仅要使得系统满足某种性能的要求，而且要保证一定的公平性；高效性频谱分配的是做到对可用频谱的合理化分配，使得系统的频谱利用率与吞吐量达到最佳；认知无线电网络频谱在参与共享的节点数目处于动态变化的状态，为此算法的可扩展性，能够满足规模的可伸缩性；算法有效性的重要衡量标准表现在它的执行时间，频谱需要对随时空闲频段及时做出分配响应，以保证算法的实效性与时效性。满足以上设计目标的公平性、高效性、扩展性、有效性这几个特点的算法有如下。
3.1 关于ABUR 算法
认知无线电网络中，在保证用户得到基本的频谱通信的前提下进行频谱动态分配的目标是，尽最大可能通过算法的优点有效提高频谱的利用率，加大信道效益。因此，学者提出了ABUR 算法。ABUR 算法不仅考虑到了广大用户的满意度，而且延续了IASA 算法的一些思想，像如缩短了分配时间、强化了用户的满意度。
3.2 基于博弈论的频谱分配算法
认知无线电网络系统中的每一个节点都被看作智能的自治系统，Etkin、Neel、Cao 等人采用博弈理论对无线电技术软件的适应机制与调制机制进行了全面的分析，并且借用潜博弈模型对认知无线网络功率的控制进行诠释。议价博弈是Etkin、Neel、Cao 等人所提出的一个分布式的无线网络频谱分配算法。通过议价博弈, 有利于优化分配没有必要在每次拓扑结构发生变化时进行再次计算，同时为博弈算法有助于考虑算法的公平性。
3.3 CSGC 算法
CSGC 算法主要考虑无线电网络频谱分配之中的频谱干扰差异性和频谱效益的差异性，与此同时分析了在非协作式和协作式条件下无线电网络频谱分配算法的差异。在CSGC 算法中提出了四种基于标号的准则: 协作式最大比例公平准则、非协作式最大总计带宽准则、协作式最大总计带宽准则、非协作式最大比例的公平准则。
CSGC 的算法采用最高标号值的节点同时把无线电网络的相关频谱分配给各个节点, 接下来考虑不同位置所产生不同的关联频段列表、干扰约束条件以及频段效益的差别化，经过多次反复反射完成对特定区域节点的频谱分配。换句话说是指把每次分配时通过对应的标号方法把节点做上特定的标记，这样下来每个标记都有每一个相对应的频段，然后采用具有最高标号值的节点把对应的的频谱分配给对应的节点用来拓展与更新，最后在频谱列表中主动删除已经分配的频谱。
3.4 频谱拍卖的分配算法
频谱交易的模式之一就是频谱拍卖分配模型，它的交易方式是“拍卖”，主要是待拍卖的商品被卖家告知拍卖商。经由拍卖商组织拍卖活动，而买家则是向拍卖商进行投标，拍卖商进而根据利益最大化的基本原则确定获得商品的赢家，并且有权向获取商品的赢家索要支付。所以频谱拍卖是把频谱的拥有者当作卖家，用户被看做是买家，而接入点或者基站则主要充当着拍卖商.
频谱拍卖的分配算法与传统拍卖很不相同，频谱拍卖必须考虑它的干扰限制能不能使得频谱具有空间可以利用；在另一个方面要提供经济快速的收敛速度和鲁棒性以满足有效性。这些要求使得目前的频谱拍卖在设计方面非常的困难，这也和传统的拍卖设计无法保证诚信、严重退化的频谱利用率、指数级计算复杂度有着千丝万缕的联系。
4 结束语
本文首先介绍了认知无线电网络了解什么是认知无线电，有什么作用以及实际生活中的存在意义。然后详细阐述了认知无线电网络频谱分配，它的工作环境与内容。最后主要介绍了几种有代表性的认知无线电网络频谱分配的算法，以基于博弈论的频谱分配算法和频谱拍卖的分配算法为例，简要的介绍了博弈论的频谱分配的思想意义，算法内容。深切的表达了一个好的无线电网络频谱算法应当使用了尽量少的网页面积从而给广大的用户提供尽可能的满意结果，即无线电网络频谱算法效益的最大化。
【参考文献】
[1] 李彬, 陈跃斌, 冯赛赛. 瑞利信道下基于信号采样自相关的信号检测技术[J]. 信息与电子工程,2011(01)。
[2] 王英伦, 李磊民, 黄玉清. 基于本体的认知无线电知识表示与推理[J]. 信息与电子工程,2012(06).
[3] 廖楚林, 陈劼, 唐友喜, 李少谦. 认知无线电中的并行频谱分配算法[J]. 电子与信息学报,2013(07).
随着科学技术的发展，无线通信技术逐渐趋于成熟，虽然频谱资源日益增多，但是认知无线电的频谱仍是处于紧缺状态，在一定程度上对无线通信的发展有着阻碍和抑制的作用。比如一些用户的需求在认知无线电网络中并没有得到满足，这一问题具体表现在频谱分配算法的不够严谨，存在很大的欠缺。
【关键词】
认知无线电；算法；频谱分配；频谱共享
通过计算机技术的普及，人们对网络的需求是不断加深的，业务内容日益丰富起来，业务数量逐渐曾多。虽然有很多学者、科学家、技术员也在无线通信技术领域不断研究和深入解析使得频谱资源日益增多，可是仍然无法满足人们对其的需要。但众多的研究结果显示，很多频谱分配方法分配得不恰当、不合理是造成资源紧缺的重要原因，甚至有些资源闲置起来没有充分发挥它的作用，并不是是频谱资源本身的匮乏。
1 对认知无线电的介绍
在无线移动通信领域，认知无线电技术是该领域革命性的技术。无线电频谱资源是国家重要的战略性资源之一。无线电频谱资源并不是取不尽、用不完的公共资源，它是非常有限的。用户通过借助于该技术进行搜索可用频谱资源、定位周围环境以及动态的接入频谱, 进而提高通信系统的频谱利用率和容量。因此，认知无线电技术被大家公认为解决无线电频谱资源紧缺办法之一。认知无线电网络，它的频谱资源是随着授权用户的活动情况、地理位置、时间的不同而不断变化的。该频谱资源之所以能够随着用户的活动环境、详细时间、具体位置的改变而改变，是因为通过无线电技术可以对频谱分配进行一定的算法。
2 认知无线电网络频谱分配
以前的无线网络的频谱可用频段被频分复用技术划为成若干信道，在满足无干扰的条件下进行分配可用信道，以满足用户需求的最大化，这个问题也被称之为信道指配问题。但是认知无线电网络中有关动态频谱分配问题与传统的信道指配问题不尽相同。在认知无线电网络中, 可用信道是时常动态变化的，主要是会随着广大用户地理位置和时间的变化而改变、随着户行为的多变会导致空闲频段变得较为零碎而大小各异。而信道指配中还未指配、即将指配的可用信道通总是固定不变的。认知无线电网络频谱分配的相关问题可以具体为：主用户和次用户两者之间建立起一种动态的频谱共享机制、满足主用户使用频谱资源、满足用户在使用的时候及时避免信号的干扰、如何把空闲频段有效地分配给次用户或者其他用以及优化频谱利用的效率。
3 无线电网络频谱的具体算法
在实际的无线电网络中, 在达到频谱利用率最大化的同时, 需要最大限度地考虑分配算法的设计目标的公平性、高效性、扩展性、有效性。频谱分配算法的设计通常需要在公平性和高效性之间达到某种平衡, 不仅要使得系统满足某种性能的要求，而且要保证一定的公平性；高效性频谱分配的是做到对可用频谱的合理化分配，使得系统的频谱利用率与吞吐量达到最佳；认知无线电网络频谱在参与共享的节点数目处于动态变化的状态，为此算法的可扩展性，能够满足规模的可伸缩性；算法有效性的重要衡量标准表现在它的执行时间，频谱需要对随时空闲频段及时做出分配响应，以保证算法的实效性与时效性。满足以上设计目标的公平性、高效性、扩展性、有效性这几个特点的算法有如下。
3.1 关于ABUR 算法
认知无线电网络中，在保证用户得到基本的频谱通信的前提下进行频谱动态分配的目标是，尽最大可能通过算法的优点有效提高频谱的利用率，加大信道效益。因此，学者提出了ABUR 算法。ABUR 算法不仅考虑到了广大用户的满意度，而且延续了IASA 算法的一些思想，像如缩短了分配时间、强化了用户的满意度。
3.2 基于博弈论的频谱分配算法
认知无线电网络系统中的每一个节点都被看作智能的自治系统，Etkin、Neel、Cao 等人采用博弈理论对无线电技术软件的适应机制与调制机制进行了全面的分析，并且借用潜博弈模型对认知无线网络功率的控制进行诠释。议价博弈是Etkin、Neel、Cao 等人所提出的一个分布式的无线网络频谱分配算法。通过议价博弈, 有利于优化分配没有必要在每次拓扑结构发生变化时进行再次计算，同时为博弈算法有助于考虑算法的公平性。
3.3 CSGC 算法
CSGC 算法主要考虑无线电网络频谱分配之中的频谱干扰差异性和频谱效益的差异性，与此同时分析了在非协作式和协作式条件下无线电网络频谱分配算法的差异。在CSGC 算法中提出了四种基于标号的准则: 协作式最大比例公平准则、非协作式最大总计带宽准则、协作式最大总计带宽准则、非协作式最大比例的公平准则。
CSGC 的算法采用最高标号值的节点同时把无线电网络的相关频谱分配给各个节点, 接下来考虑不同位置所产生不同的关联频段列表、干扰约束条件以及频段效益的差别化，经过多次反复反射完成对特定区域节点的频谱分配。换句话说是指把每次分配时通过对应的标号方法把节点做上特定的标记，这样下来每个标记都有每一个相对应的频段，然后采用具有最高标号值的节点把对应的的频谱分配给对应的节点用来拓展与更新，最后在频谱列表中主动删除已经分配的频谱。
3.4 频谱拍卖的分配算法
频谱交易的模式之一就是频谱拍卖分配模型，它的交易方式是“拍卖”，主要是待拍卖的商品被卖家告知拍卖商。经由拍卖商组织拍卖活动，而买家则是向拍卖商进行投标，拍卖商进而根据利益最大化的基本原则确定获得商品的赢家，并且有权向获取商品的赢家索要支付。所以频谱拍卖是把频谱的拥有者当作卖家，用户被看做是买家，而接入点或者基站则主要充当着拍卖商.
频谱拍卖的分配算法与传统拍卖很不相同，频谱拍卖必须考虑它的干扰限制能不能使得频谱具有空间可以利用；在另一个方面要提供经济快速的收敛速度和鲁棒性以满足有效性。这些要求使得目前的频谱拍卖在设计方面非常的困难，这也和传统的拍卖设计无法保证诚信、严重退化的频谱利用率、指数级计算复杂度有着千丝万缕的联系。
4 结束语
本文首先介绍了认知无线电网络了解什么是认知无线电，有什么作用以及实际生活中的存在意义。然后详细阐述了认知无线电网络频谱分配，它的工作环境与内容。最后主要介绍了几种有代表性的认知无线电网络频谱分配的算法，以基于博弈论的频谱分配算法和频谱拍卖的分配算法为例，简要的介绍了博弈论的频谱分配的思想意义，算法内容。深切的表达了一个好的无线电网络频谱算法应当使用了尽量少的网页面积从而给广大的用户提供尽可能的满意结果，即无线电网络频谱算法效益的最大化。
【参考文献】
[1] 李彬, 陈跃斌, 冯赛赛. 瑞利信道下基于信号采样自相关的信号检测技术[J]. 信息与电子工程,2011(01)。
[2] 王英伦, 李磊民, 黄玉清. 基于本体的认知无线电知识表示与推理[J]. 信息与电子工程,2012(06).
[3] 廖楚林, 陈劼, 唐友喜, 李少谦. 认知无线电中的并行频谱分配算法[J]. 电子与信息学报,2013(07).
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