認知無線電網絡中頻譜分配算法

【文章摘要】
隨著科學技術的發展，無線通信技術逐漸趨于成熟，雖然頻譜資源日益增多，但是認知無線電的頻譜仍是處于緊缺狀態，在一定程度上對無線通信的發展有著阻礙和抑制的作用。比如一些用戶的需求在認知無線電網絡中并沒有得到滿足，這一問題具體表現在頻譜分配算法的不夠嚴謹，存在很大的欠缺。
【關鍵詞】
認知無線電；算法；頻譜分配；頻譜共享
通過計算機技術的普及，人們對網絡的需求是不斷加深的，業務內容日益豐富起來，業務數量逐漸曾多。雖然有很多學者、科學家、技術員也在無線通信技術領域不斷研究和深入解析使得頻譜資源日益增多，可是仍然無法滿足人們對其的需要。但眾多的研究結果顯示，很多頻譜分配方法分配得不恰當、不合理是造成資源緊缺的重要原因，甚至有些資源閑置起來沒有充分發揮它的作用，并不是是頻譜資源本身的匱乏。
1 對認知無線電的介紹
在無線移動通信領域，認知無線電技術是該領域革命性的技術。無線電頻譜資源是國家重要的戰略性資源之一。無線電頻譜資源并不是取不盡、用不完的公共資源，它是非常有限的。用戶通過借助于該技術進行搜索可用頻譜資源、定位周圍環境以及動態的接入頻譜, 進而提高通信系統的頻譜利用率和容量。因此，認知無線電技術被大家公認為解決無線電頻譜資源緊缺辦法之一。認知無線電網絡，它的頻譜資源是隨著授權用戶的活動情況、地理位置、時間的不同而不斷變化的。該頻譜資源之所以能夠隨著用戶的活動環境、詳細時間、具體位置的改變而改變，是因為通過無線電技術可以對頻譜分配進行一定的算法。
2 認知無線電網絡頻譜分配
以前的無線網絡的頻譜可用頻段被頻分復用技術劃為成若干信道，在滿足無干擾的條件下進行分配可用信道，以滿足用戶需求的最大化，這個問題也被稱之為信道指配問題。但是認知無線電網絡中有關動態頻譜分配問題與傳統的信道指配問題不盡相同。在認知無線電網絡中, 可用信道是時常動態變化的，主要是會隨著廣大用戶地理位置和時間的變化而改變、隨著戶行為的多變會導致空閑頻段變得較為零碎而大小各異。而信道指配中還未指配、即將指配的可用信道通總是固定不變的。認知無線電網絡頻譜分配的相關問題可以具體為：主用戶和次用戶兩者之間建立起一種動態的頻譜共享機制、滿足主用戶使用頻譜資源、滿足用戶在使用的時候及時避免信號的干擾、如何把空閑頻段有效地分配給次用戶或者其他用以及優化頻譜利用的效率。
3 無線電網絡頻譜的具體算法
在實際的無線電網絡中, 在達到頻譜利用率最大化的同時, 需要最大限度地考慮分配算法的設計目標的公平性、高效性、擴展性、有效性。頻譜分配算法的設計通常需要在公平性和高效性之間達到某種平衡, 不僅要使得系統滿足某種性能的要求，而且要保證一定的公平性；高效性頻譜分配的是做到對可用頻譜的合理化分配，使得系統的頻譜利用率與吞吐量達到最佳；認知無線電網絡頻譜在參與共享的節點數目處于動態變化的狀態，為此算法的可擴展性，能夠滿足規模的可伸縮性；算法有效性的重要衡量標準表現在它的執行時間，頻譜需要對隨時空閑頻段及時做出分配響應，以保證算法的實效性與時效性。滿足以上設計目標的公平性、高效性、擴展性、有效性這幾個特點的算法有如下。
3.1 關于ABUR 算法
認知無線電網絡中，在保證用戶得到基本的頻譜通信的前提下進行頻譜動態分配的目標是，盡最大可能通過算法的優點有效提高頻譜的利用率，加大信道效益。因此，學者提出了ABUR 算法。ABUR 算法不僅考慮到了廣大用戶的滿意度，而且延續了IASA 算法的一些思想，像如縮短了分配時間、強化了用戶的滿意度。
3.2 基于博弈論的頻譜分配算法
認知無線電網絡系統中的每一個節點都被看作智能的自治系統，Etkin、Neel、Cao 等人采用博弈理論對無線電技術軟件的適應機制與調制機制進行了全面的分析，并且借用潛博弈模型對認知無線網絡功率的控制進行詮釋。議價博弈是Etkin、Neel、Cao 等人所提出的一個分布式的無線網絡頻譜分配算法。通過議價博弈, 有利于優化分配沒有必要在每次拓撲結構發生變化時進行再次計算，同時為博弈算法有助于考慮算法的公平性。
3.3 CSGC 算法
CSGC 算法主要考慮無線電網絡頻譜分配之中的頻譜干擾差異性和頻譜效益的差異性，與此同時分析了在非協作式和協作式條件下無線電網絡頻譜分配算法的差異。在CSGC 算法中提出了四種基于標號的準則: 協作式最大比例公平準則、非協作式最大總計帶寬準則、協作式最大總計帶寬準則、非協作式最大比例的公平準則。
CSGC 的算法采用最高標號值的節點同時把無線電網絡的相關頻譜分配給各個節點, 接下來考慮不同位置所產生不同的關聯頻段列表、干擾約束條件以及頻段效益的差別化，經過多次反復反射完成對特定區域節點的頻譜分配。換句話說是指把每次分配時通過對應的標號方法把節點做上特定的標記，這樣下來每個標記都有每一個相對應的頻段，然后采用具有最高標號值的節點把對應的的頻譜分配給對應的節點用來拓展與更新，最后在頻譜列表中主動刪除已經分配的頻譜。
3.4 頻譜拍賣的分配算法
頻譜交易的模式之一就是頻譜拍賣分配模型，它的交易方式是“拍賣”，主要是待拍賣的商品被賣家告知拍賣商。經由拍賣商組織拍賣活動，而買家則是向拍賣商進行投標，拍賣商進而根據利益最大化的基本原則確定獲得商品的贏家，并且有權向獲取商品的贏家索要支付。所以頻譜拍賣是把頻譜的擁有者當作賣家，用戶被看做是買家，而接入點或者基站則主要充當著拍賣商.
頻譜拍賣的分配算法與傳統拍賣很不相同，頻譜拍賣必須考慮它的干擾限制能不能使得頻譜具有空間可以利用；在另一個方面要提供經濟快速的收斂速度和魯棒性以滿足有效性。這些要求使得目前的頻譜拍賣在設計方面非常的困難，這也和傳統的拍賣設計無法保證誠信、嚴重退化的頻譜利用率、指數級計算復雜度有著千絲萬縷的聯系。
4 結束語
本文首先介紹了認知無線電網絡了解什么是認知無線電，有什么作用以及實際生活中的存在意義。然后詳細闡述了認知無線電網絡頻譜分配，它的工作環境與內容。最后主要介紹了幾種有代表性的認知無線電網絡頻譜分配的算法，以基于博弈論的頻譜分配算法和頻譜拍賣的分配算法為例，簡要的介紹了博弈論的頻譜分配的思想意義，算法內容。深切的表達了一個好的無線電網絡頻譜算法應當使用了盡量少的網頁面積從而給廣大的用戶提供盡可能的滿意結果，即無線電網絡頻譜算法效益的最大化。
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