摘要：认知无线电在实际应用的过程中，可以二次利用空闲频谱资源一样能够帮助用户在不干扰通信质量的前提下，使用多段空闲资源实现了空洞的共享。
关键字：博弈论；无线电频谱；网络动态
1 前言
今天的认知无线电技术，被认为是新一代无线通信发展当中的最重要的技术之一，认知无线电当中频谱接入技术作为核心技术能够有效地帮助用户在多变的环境下提供空闲频谱资源的传输过程。
2 相关背景
认知无线电（CognitiveRadio，CR）由于其对空闲频谱资源有“二次利用”的特性，能够帮助次用户在不干扰主用户通信质量的前提下动态地使用某一段或者多段空闲频谱资源，实现了次用户与主用户之间对未占用的频谱空洞的共享，解决了对不可再生频谱资源再利用的问题以及频谱利用率低下的问题。本文详细阐述了频谱接入技术具体研究的两大领域，即MAC协议和频谱分配技术。首先，对MAC协议做了详细的分析，并根据频谱接入方式的不同，将MAC协议进行具体的分类，并着重分析了每个MAC协议的利与弊；其次，详细分析了频谱分配技术，并对其进行了分类；最后，对按照不同性质分类的频谱分配技术通过经典数学模型或者微观经济学理论模型等进行了分析研究，并给出了具体的解决方法主要包括以下四个点：基于图论的图着色模型，基于干扰温度模型，基于拍卖竞价模型和基于博弈论模型。此外，本文重点阐述了采用博弈论模型来研究CR中的频谱接入问题、给出了基于博弈论模型的CR中频谱接入的一般模型、构建了适合于CR中频谱接入的系统模型，并设计了两种基于双寡头博弈模型的CR频谱接入算法，即古诺博弈模型和斯坦科尔伯格博弈模型。将频谱接入这种抽象的问题更加形象、直观的表示为次用户为最大化自己的效益在租借频谱时的博弈过程，及主用户为了最大化自己的收益，合理地决定频谱出售价格的行为。最后，使用Matlab7.1对所设计的算法进行了验证。分别从纳什均衡、博弈过程和收敛性、次用户租借频谱总量以及次用户收益四方面分析次用户合理地调整频谱带宽租借的行为。仿真结果显示，该方案充分利用了空闲频谱资源及同时最大化了次用户和主用户的效用。
3 认知无线电网络动态频谱接入算法
近几年，无线电通信技术的发展非常迅速，应用几乎涉及到日常生活中的方方面面，比如WIFI的应用，它已经覆盖了整个世界范围内，不论走在大街上还是在咖啡厅，都能够收到附近很多WIFI信号，有时候还时不时的打开自己的WIFI，尝试着连接一下。由此可见，无线电通信技术都在潜移默化的改变着生活方式，已经成为不可缺少的一部分。正是因为如此，人们对无线电通信业务的需求也越来越大，从而导致无线电频谱资源的需求量成指数迅速增长。但是无线电频谱资源量是有限的，频谱资源显得越来越匮乏，已经制约着无线通信业务的发展。全球范围内0～6GHz频段内的频谱利用率情况的测试结果，它是由美国加利福尼亚大学伯克利分校测试的数据。从测试图中可以看出，在全部已授权频段中，300MHz～3GHz频段属于信号质量以及传播特性比较理想的频段而且需求也是非常紧张的，可是其频段的利用率也不到30%；3～4GHz频段的利用率呈指数下降，仅为0.5%；在4～6GHz频段上，频段利用率更低甚至接近于0。也就是说经常利用的频段只是占了非常少的一部分，有一些频谱是很少被频繁占用的，而这些根本没有被占用或者很少被占用的频谱却占了整个频谱的绝大部分。由此可以得到，目前频谱资源的匮乏其实并不是没有可以使用的空闲频段，而是由于现有的频谱资源管理分配方案的不合理以及频谱资源没有得到充分的使用导致的。因此，在全球范围内将大量空闲的授权频谱得以充分利用就成为了无线电通信研究者们所研究的重点。
4 基于博弈论的接入算法
认知无线电的频谱接入系统包括三个部分:主用户系统、次用户、频谱池。系统模型如图3.1所示。在这里，本文只探讨次用户间的博弈过程，并将主用户系统看作一个整体。下面分别介绍一下各个部分的构成：:主用户系统由一个基站和和多个用户驻地设备构成。频谱池就像一个指挥官，用于完成一定范围内可用空闲频谱资源的集中分配。次用户没有使用频谱资源的权限,它只能伺机的接入到主用户系统的空闲频谱资源进行数据信息传输。
频谱池将主用户的频谱出租请求信息广播给各次用户，假设各次用户租借频谱的价格是一样的，但随频谱资源的供需情况上下浮动。各次用户在租借频谱带宽的过程中，随时观察频谱资源的供需情况，并及时调整自己租借的频谱带宽，使自己的效益最大化。频谱池会不定时的判断次用户间的博弈是否达到稳定状态，也就是说各次用户所租借的频谱带宽值是不是达到稳定状态。若为否的话，则执行第三步，如果已经达到稳定状态时，则把租借的频谱带宽值广播给各次用户。各次用户收到频谱池的广播消息后，表明博弈过程完成，则向主用户发送请求并建立连接，并将频谱池广播的频谱带宽值以当前的租借价格向主用户申请占用。各次用户申请到主用户的频谱资源后进行数据通信，并在数据通信完成后主动把频谱资源归还给主用户。
图3.1
另外，美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）也给出了一份权威的调查报告，这份报告的数据显示：目前来说，全球的频谱资源的利用率大概只占有15%-85%，出现这种现象的根本原因归根到底就是因为现有的频谱管理分配方案是固定式的，由此可以得出，固定式的频谱管理分配方案是非常不合理的。那么这种分配方案那么不合理为什么不改变，其根本原因在于这种分配方案有着非常大的经济以及政治背景在里面，因此，这种频谱分配机制想要在短时间内改变是比较困难的。在这种背景下，Motorola于1999年首次提出了认知无线电的概念，认知无线电的出现为解决不可再生频谱资源稀缺以及频谱资源没有得到充分利用问题提供了一个新途径。认知无线电感知无线通信环境，通过依靠人工智能的支持来学习和推理无线电环境，因此被认为是一种智能的无线通信系统。依据感知到的无线通信环境，系统会实时自适应的调整工作参数，如发射功率等。认知无线电利用动态检测技术来有效利用空闲频谱，使通信系统在时间及空间上对频谱进行高效共享和多维复用，所以认知无线电技术为解决提高频谱利用率，降低频谱和带宽限制对无线技术发展束缚的问题带来了希望。因此，认知无线电技术也被认为是未来最有前途的无线通信技术。CR能够智能地感知周边的无线通信环境，通过频谱感知技术来获取可用的空闲频谱资源，从而实时的调整自身工作参数，如频率、调制方式、发射功率等以适应CR环境进行数据信息交换的新一代无线电通信技术。认知无线电技术的一个最主要的特点就是它的智能学习、动态调整的能力，认知无线电设备通过及时与外部无线电环境交互信息、调整自身的相关参数和通信方式，从而更好地利用空闲频谱资源，使通信系统在频域、时域及空域上对空闲的频谱资源进行高效共享和多维复用，所以CR技术为解决频谱资源利用率低的问题，以及降低频谱和带宽限制对无线电技术发展束缚的问题带来了希望。CR技术的实质就是使无线通信系统具有能够发现“频谱空穴”并合理利用的能力，以实现对频谱资源的动态访问。频谱空穴指的是在时间上、空间上或频率中出现的可以被利用的空闲频谱资源。这些空闲频谱资源在CR技术下，可以进行二次利用，既能充分利用频谱资源，又能满足迅速增长的无线业务需求。因此，CR技术被称为是新一代无线通信发展最有前途的技术之一。
结语：认知无线电技术在应用的过程中，可以有效地解决现有的频谱资源紧缺的问题，与此同时可以提高应用率，能够接入到主频谱资源中，二次利用空闲频谱资源，最大化频谱资源的利用率。
参考文献：
[1]王瑞.认知无线电网络MAC层频谱管理技术研究[D].华南理工大学,2018.
[2]李静.基于潜在博弈论的频谱分配优化问题研究[D].兰州理工大学,2018.
论文作者:代萍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/25
标签：频谱论文; 无线电论文; 用户论文; 资源论文; 认知论文; 频段论文; 技术论文; 《基层建设》2019年第24期论文;