认知无线电网络中的频谱分配模型与算法

龙源期刊网认知无线电网络中的频谱分配模型与算法作者：白浩郑丽萍来源：《网络空间安全》2016年第05期[摘要]认知无线网络为提高频谱资源的利用率提供了有效途径，而频谱分配是提高频谱资源利用率的关键技术。文章按照不同的分类标准对频谱分配进行了分类，并分析了不同的分配模型的优缺点，最后给出了频谱分配算法的设计原则，可以为相关研究提供借鉴。[关键词]认知无线网络；频谱分配；分配模型；分配算法1引言无线频谱资源是一种紧缺的不可再生资源，现有的频谱分配机制导致频谱资源紧缺和浪费共存。认知无线电网络技术是一种智能的频谱共享技术。在认知无线电网络中，用户分为主用户（授权用户）和次用户（认知用户）两类，次用户可以在不影响主用和的前提下，机会使用空闲频谱，从而提高频谱使用效率。认知无线网络的主要优势是认知用户可以通过机会接入频谱资源，因此频谱感知是其首要任务。由于通过感知获得的频谱资源具有时变性。需要相应的无线资源管理机制对频谱资源进行有效管理。无线资源管理围绕频谱的有效利用展开。主要包括频谱分析、频谱决策、频谱分配等。频谱分配主要研究如何对感知到的空闲频谱资源在认知用户间进行有效的优化分配，满足主用户和次用户的通信需求。频谱的有效分配是无线资源管理的终极目标，具有重要的研究意义。2频谱分配方法的分类目前，频谱分配技术的分类有多种。按照频谱分配技术分类，可以分为静态频谱分配、动态频谱分配、混合式（静态和动态结合）频谱分配；按网络结构分类，可以分为集中式频谱分配和分布式频谱分配；按协作方式分类，可分为协作式频谱分配和非协作式频谱分配。2.1按照频谱分配技术分类按照频谱分配方式的不同，可以分为静态频谱分配和动态频谱分配。静态频谱分配中是指预先给用户分配好频谱资源，不根据用户自身需求的变化而变化。静态分配的方式虽然简单，但不够灵活，不能满足用户多变的需求，也造成了频谱资源的浪费。动态频谱分配是指根据不同用户的需求动态对频谱资源进行分配，可以有效的提高频谱的利用率。混合式则是两种方式的结合。2.2按照接入方式进行分类按照是否完全受限于授权用户。频谱分配可以分为完全受限频谱分配和部分受限频谱分配。完全受限频谱分配也称机会式频谱分配，属于“见缝插针”式接入。此接入方式下，认知用龙源期刊网户的频谱分配完全受限于授权用户的频谱占用情况，一旦授权用户出现，要使用该频谱，认知用户必须立即停止通信并释放该频谱。部分受限频谱分配，也称为覆盖式频谱共享。此方式下，次用户可以使用与授权用户完全相同的频谱资源，只是受限于其发射功率不能对主用户造成有害干扰。2.3按照网络分类按照网络分类，频谱分配可分为集中式频谱分配和分布式频谱分配。集中式频谱分配中，由中心控制器来统一管理空闲频谱在认知用户中的使用，优点是能够实现频谱分配的全局优化。而缺点在于中心控制器需要维护过多的控制信道，运算量较大，并且有可能成为整个网络性能的瓶颈。分布式频谱分配中，参与频谱分配的每个用户都是自私的，通过自己观察周围环境中授权用户的频谱使用信息，进而根据频谱感知结果进行分配。分布式频谱分配方式比较灵活，但协作方式比较复杂。2.4按照合作方式分类按照合作方式，频谱分配可以分为合作式频谱分配与非合作式频谱分配。合作式分配是指多个认知用户之间进行协作，互相交换信息、协商分配。其优点是可以逼近全局最优，但合作开销较大。非合作式频谱分配中，认知用户节点是自私的，不同的认知用户使用不同的手段满足自身对资源的需要，不考虑其他用户的收益。非合作式分配通信开销比较低。但频谱利用率难以达到最优，因此，需要综合进行折中。以上几种分配机制，并不是独立存在的，经常需要联合起来考虑，针对特定的应用场景提出具体的组合方案。如集中式完全受限频谱，合作式的分布式完全受限频谱分配。3频谱分配的主要模型频谱分配的模型主要有基于频谱交易的分配模型，基于博弈论的频谱分配模型，基于图着色理论的频谱分配模型等。3，1基于频谱交易的频谱分配模型这种模型借鉴商品交易的思想，将频谱视为商品在用户之间进行交易分配。提供频谱资源的主用户称为频谱卖家，需要使用频谱的认知用户称为频谱买家。买家和卖家可直接交易或通过经纪人交易。基于拍卖的频谱分配是频谱交易的一种，但交易方式为拍卖。拍卖竞价目的是对资源更加合理的利用与分配。频谱拍卖将主用户视为卖家，认知用户视为买家，一般情况下，基站充当拍卖商，采用集中式网络架构。在每一次拍卖中，每个投标者为满足自己的最大化频谱效益，由拍卖人根据最大化网络效益来确定最终的中标者。龙源期刊网基于博弈论的频谱分配模型基于博弈理论的频谱资源分配。大部分是基于非合作的分布式完全受限频谱分配。多个认知用户之间根据自己所能获取的资源进行博弈，寻找频谱资源分配的最优均衡点。基于博弈论的频谱分配方法将认知用户的实时交互过程映射为博弈模型，将认知用户视为博弈玩家，认知用户的行为集合视为节点的策略集合。根据优化目标的不同选择合适的效用函数。3.3基于图着色模型的频谱分配基于图论的分配方法将认知无线网络拓扑结构抽象成无向连接图。其中顶点表示参与分配的次用户，每个顶点有可用信道集合，图的边集则由干扰限制决定：当且仅当两认知用户节点不能同时使用某信道时，相应顶点用一条边连接，称为干扰图。4频谱分配算法的设计目标理想的频谱分配算法应该能够最大化频谱利用率或系统吞吐量。在实际应用中，还需权衡其它因素，如公平性、收敛性等。频谱分配算法一般需要考虑几个目标：（1）高效性——频谱分配的最终目标是对可用频谱的合理分配，使得系统吞吐量和频谱利用率等性能达到最优：（2）公平性——最大化认知用户的公平性，满足通信需求。高效性与公平性通常难于兼顾，通常需要在高效性和公平性之间达到某种平衡：（3）时效性——由于可用频谱随时间和地点而变化，频谱分配算法必须对感知到的空闲频段做出快速响应。因此，算法必须系统开销及计算量。4结束语认知无线电网络为解决无线频谱资源的紧缺问题提供了有效的解决途径。频谱分配是认知无线网络的关键问题；有效的频谱分配是提高频谱资源利用率的支撑技术，也是一个具有重要研究意义的课题。