認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配算法

【文章摘要】
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)逐漸趨于成熟，雖然頻譜資源日益增多，但是認(rèn)知無線電的頻譜仍是處于緊缺狀態(tài)，在一定程度上對無線通信的發(fā)展有著阻礙和抑制的作用。比如一些用戶的需求在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中并沒有得到滿足，這一問題具體表現(xiàn)在頻譜分配算法的不夠嚴(yán)謹(jǐn)，存在很大的欠缺。
【關(guān)鍵詞】
認(rèn)知無線電；算法；頻譜分配；頻譜共享
通過計算機技術(shù)的普及，人們對網(wǎng)絡(luò)的需求是不斷加深的，業(yè)務(wù)內(nèi)容日益豐富起來，業(yè)務(wù)數(shù)量逐漸曾多。雖然有很多學(xué)者、科學(xué)家、技術(shù)員也在無線通信技術(shù)領(lǐng)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(jié)果顯示，很多頻譜分配方法分配得不恰當(dāng)、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(fā)揮它的作用，并不是是頻譜資源本身的匱乏。
1 對認(rèn)知無線電的介紹
在無線移動通信領(lǐng)域，認(rèn)知無線電技術(shù)是該領(lǐng)域革命性的技術(shù)。無線電頻譜資源是國家重要的戰(zhàn)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(shù)進行搜索可用頻譜資源、定位周圍環(huán)境以及動態(tài)的接入頻譜, 進而提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和容量。因此，認(rèn)知無線電技術(shù)被大家公認(rèn)為解決無線電頻譜資源緊缺辦法之一。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，它的頻譜資源是隨著授權(quán)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(huán)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(shù)可以對頻譜分配進行一定的算法。
2 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配
以前的無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜可用頻段被頻分復(fù)用技術(shù)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)動態(tài)頻譜分配問題與傳統(tǒng)的信道指配問題不盡相同。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中, 可用信道是時常動態(tài)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(dǎo)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的相關(guān)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(tài)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(yōu)化頻譜利用的效率。
3 無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜的具體算法
在實際的無線電網(wǎng)絡(luò)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(shè)計目標(biāo)的公平性、高效性、擴展性、有效性。頻譜分配算法的設(shè)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(tǒng)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(tǒng)的頻譜利用率與吞吐量達到最佳；認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜在參與共享的節(jié)點數(shù)目處于動態(tài)變化的狀態(tài)，為此算法的可擴展性，能夠滿足規(guī)模的可伸縮性；算法有效性的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)在它的執(zhí)行時間，頻譜需要對隨時空閑頻段及時做出分配響應(yīng)，以保證算法的實效性與時效性。滿足以上設(shè)計目標(biāo)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(guān)于ABUR 算法
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)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(tài)分配的目標(biāo)是，盡最大可能通過算法的優(yōu)點有效提高頻譜的利用率，加大信道效益。因此，學(xué)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(xù)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每一個節(jié)點都被看作智能的自治系統(tǒng)，Etkin、Neel、Cao 等人采用博弈理論對無線電技術(shù)軟件的適應(yīng)機制與調(diào)制機制進行了全面的分析，并且借用潛博弈模型對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法。通過議價博弈, 有利于優(yōu)化分配沒有必要在每次拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(xié)作式和協(xié)作式條件下無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法的差異。在CSGC 算法中提出了四種基于標(biāo)號的準(zhǔn)則: 協(xié)作式最大比例公平準(zhǔn)則、非協(xié)作式最大總計帶寬準(zhǔn)則、協(xié)作式最大總計帶寬準(zhǔn)則、非協(xié)作式最大比例的公平準(zhǔn)則。
CSGC 的算法采用最高標(biāo)號值的節(jié)點同時把無線電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)頻譜分配給各個節(jié)點, 接下來考慮不同位置所產(chǎn)生不同的關(guān)聯(lián)頻段列表、干擾約束條件以及頻段效益的差別化，經(jīng)過多次反復(fù)反射完成對特定區(qū)域節(jié)點的頻譜分配。換句話說是指把每次分配時通過對應(yīng)的標(biāo)號方法把節(jié)點做上特定的標(biāo)記，這樣下來每個標(biāo)記都有每一個相對應(yīng)的頻段，然后采用具有最高標(biāo)號值的節(jié)點把對應(yīng)的的頻譜分配給對應(yīng)的節(jié)點用來拓展與更新，最后在頻譜列表中主動刪除已經(jīng)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(jīng)由拍賣商組織拍賣活動，而買家則是向拍賣商進行投標(biāo)，拍賣商進而根據(jù)利益最大化的基本原則確定獲得商品的贏家，并且有權(quán)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(dāng)作賣家，用戶被看做是買家，而接入點或者基站則主要充當(dāng)著拍賣商.
頻譜拍賣的分配算法與傳統(tǒng)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(jīng)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(shè)計方面非常的困難，這也和傳統(tǒng)的拍賣設(shè)計無法保證誠信、嚴(yán)重退化的頻譜利用率、指數(shù)級計算復(fù)雜度有著千絲萬縷的聯(lián)系。
4 結(jié)束語
本文首先介紹了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)了解什么是認(rèn)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配，它的工作環(huán)境與內(nèi)容。最后主要介紹了幾種有代表性的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)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(nèi)容。深切的表達了一個好的無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜算法應(yīng)當(dāng)使用了盡量少的網(wǎng)頁面積從而給廣大的用戶提供盡可能的滿意結(jié)果，即無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜算法效益的最大化。
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