認(rèn)知無(wú)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(wú)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(wú)線電的頻譜仍是處于緊缺狀態(tài)，在一定程度上對(duì)無(wú)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中并沒(méi)有得到滿足，這一問(wèn)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(wú)線電；算法；頻譜分配；頻譜共享
通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，人們對(duì)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(lái)，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(wú)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(wú)法滿足人們對(duì)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(lái)沒(méi)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(duì)認(rèn)知無(wú)線電的介紹
在無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是該領(lǐng)域革命性的技術(shù)。無(wú)線電頻譜資源是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源之一。無(wú)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(guò)借助于該技術(shù)進(jìn)行搜索可用頻譜資源、定位周圍環(huán)境以及動(dòng)態(tài)的接入頻譜, 進(jìn)而提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和容量。因此，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被大家公認(rèn)為解決無(wú)線電頻譜資源緊缺辦法之一。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，它的頻譜資源是隨著授權(quán)用戶的活動(dòng)情況、地理位置、時(shí)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(dòng)環(huán)境、詳細(xì)時(shí)間、具體位置的改變而改變，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)無(wú)線電技術(shù)可以對(duì)頻譜分配進(jìn)行一定的算法。
2 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配
以前的無(wú)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(wú)干擾的條件下進(jìn)行分配可用信道，以滿足用戶需求的最大化，這個(gè)問(wèn)題也被稱之為信道指配問(wèn)題。但是認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)動(dòng)態(tài)頻譜分配問(wèn)題與傳統(tǒng)的信道指配問(wèn)題不盡相同。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中, 可用信道是時(shí)常動(dòng)態(tài)變化的，主要是會(huì)隨著廣大用戶地理位置和時(shí)間的變化而改變、隨著戶行為的多變會(huì)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的相關(guān)問(wèn)題可以具體為：主用戶和次用戶兩者之間建立起一種動(dòng)態(tài)的頻譜共享機(jī)制、滿足主用戶使用頻譜資源、滿足用戶在使用的時(shí)候及時(shí)避免信號(hào)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜的具體算法
在實(shí)際的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中, 在達(dá)到頻譜利用率最大化的同時(shí), 需要最大限度地考慮分配算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)的公平性、高效性、擴(kuò)展性、有效性。頻譜分配算法的設(shè)計(jì)通常需要在公平性和高效性之間達(dá)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(duì)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(dá)到最佳；認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜在參與共享的節(jié)點(diǎn)數(shù)目處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，為此算法的可擴(kuò)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(shí)間，頻譜需要對(duì)隨時(shí)空閑頻段及時(shí)做出分配響應(yīng)，以保證算法的實(shí)效性與時(shí)效性。滿足以上設(shè)計(jì)目標(biāo)的公平性、高效性、擴(kuò)展性、有效性這幾個(gè)特點(diǎn)的算法有如下。
3.1 關(guān)于ABUR 算法
認(rèn)知無(wú)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(jìn)行頻譜動(dòng)態(tài)分配的目標(biāo)是，盡最大可能通過(guò)算法的優(yōu)點(diǎn)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(shí)間、強(qiáng)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都被看作智能的自治系統(tǒng)，Etkin、Neel、Cao 等人采用博弈理論對(duì)無(wú)線電技術(shù)軟件的適應(yīng)機(jī)制與調(diào)制機(jī)制進(jìn)行了全面的分析，并且借用潛博弈模型對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功率的控制進(jìn)行詮釋。議價(jià)博弈是Etkin、Neel、Cao 等人所提出的一個(gè)分布式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法。通過(guò)議價(jià)博弈, 有利于優(yōu)化分配沒(méi)有必要在每次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行再次計(jì)算，同時(shí)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(wú)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(shí)分析了在非協(xié)作式和協(xié)作式條件下無(wú)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(hào)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(jì)帶寬準(zhǔn)則、協(xié)作式最大總計(jì)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(hào)值的節(jié)點(diǎn)同時(shí)把無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)頻譜分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn), 接下來(lái)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(guò)多次反復(fù)反射完成對(duì)特定區(qū)域節(jié)點(diǎn)的頻譜分配。換句話說(shuō)是指把每次分配時(shí)通過(guò)對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)方法把節(jié)點(diǎn)做上特定的標(biāo)記，這樣下來(lái)每個(gè)標(biāo)記都有每一個(gè)相對(duì)應(yīng)的頻段，然后采用具有最高標(biāo)號(hào)值的節(jié)點(diǎn)把對(duì)應(yīng)的的頻譜分配給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)用來(lái)拓展與更新，最后在頻譜列表中主動(dòng)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(dòng)，而買家則是向拍賣商進(jìn)行投標(biāo)，拍賣商進(jìn)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(diǎn)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(gè)方面要提供經(jīng)濟(jì)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(jì)方面非常的困難，這也和傳統(tǒng)的拍賣設(shè)計(jì)無(wú)法保證誠(chéng)信、嚴(yán)重退化的頻譜利用率、指數(shù)級(jí)計(jì)算復(fù)雜度有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文首先介紹了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)了解什么是認(rèn)知無(wú)線電，有什么作用以及實(shí)際生活中的存在意義。然后詳細(xì)闡述了認(rèn)知無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(dá)了一個(gè)好的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜算法應(yīng)當(dāng)使用了盡量少的網(wǎng)頁(yè)面積從而給廣大的用戶提供盡可能的滿意結(jié)果，即無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜算法效益的最大化。
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