認(rèn)知無線電CR(Cognitive Radio)[1]是一種智能的無線通信系統(tǒng)，它通過感知頻譜實時調(diào)整參數(shù)來適應(yīng)周邊環(huán)境的變化，從而有效提高頻譜利用率。在使用授權(quán)頻譜資源過程中，認(rèn)知用戶SU(Secondary User)通過機會接入空閑信道，而主用戶PU(Primary User)擁有最高優(yōu)先權(quán)，有權(quán)強制中斷認(rèn)知用戶的當(dāng)前傳輸，因此在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中維持認(rèn)知用戶的通信質(zhì)量顯得格外重要。參考文獻(xiàn)[2]提出了鏈路維持的幾種最基本的頻譜切換方案。對于具體如何實現(xiàn)，研究人員提出了多種可行的方法。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種將切換呼叫先排隊緩存的方法，該方法在無空閑信道時等待空閑信道的出現(xiàn)再接入，存在較長的延時，不適用于實時性要求高的業(yè)務(wù)；參考文獻(xiàn)[4，5]中提出了用預(yù)留信道機制實現(xiàn)頻譜切換的方法，該方法預(yù)留一定信道給切換用戶接入，實時性強，本質(zhì)上是以犧牲新呼接入為代價換取較高的切換接入。但在認(rèn)知切換網(wǎng)絡(luò)中，由于可用頻譜是時變的，預(yù)留的信道也應(yīng)該是時變的，即預(yù)留應(yīng)該是動態(tài)性的預(yù)留。本文構(gòu)建認(rèn)知無線電博弈模型研究動態(tài)預(yù)留信道選擇方法，以解決靜態(tài)式預(yù)留不適合認(rèn)知切換網(wǎng)絡(luò)的要求這一問題。
1 認(rèn)知無線電的博弈論模型
　博弈論(Game Theory)[6]是一系列可以用來分析、研究交互決策過程的模型和工具。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)存在多個認(rèn)知用戶，每一個認(rèn)知用戶參數(shù)的調(diào)整均會影響到其他認(rèn)知用戶，由此形成交互過程。因此可以使用博弈理論分析認(rèn)知無線電交互決策問題，每個認(rèn)知用戶可以根據(jù)環(huán)境觀測結(jié)果調(diào)整參數(shù)逼近所要實現(xiàn)的目標(biāo)，一般認(rèn)知無線電觀測到的結(jié)果為網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境，比如干擾環(huán)境等。


    此時，稱行為向量a為NE。在嚴(yán)格位勢博弈中，當(dāng)節(jié)點以自私的方式進(jìn)行調(diào)整時，博弈收斂到NE，并且V的所有極大值都是NE，且至少存在一個NE。
2.2 認(rèn)知無線電的動態(tài)預(yù)留信道選擇

    由式(8)和式(9)可知，任何自私的單邊背離均會使上式值增加，從而降低網(wǎng)絡(luò)總干擾，與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)一致。隨著迭代次數(shù)的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)總干擾隨用戶選擇信道調(diào)整的不斷減小直到納什均衡點處，預(yù)留最優(yōu)m值為:
   
3 仿真分析
    采用802.11h發(fā)射功率和信道參數(shù)對本文所提出的動態(tài)預(yù)留信道選擇方法進(jìn)行仿真分析。假設(shè)認(rèn)知用戶數(shù)|N|=30，且隨機分布在1 km2的正方形區(qū)域內(nèi)，信號發(fā)射功率假設(shè)為1 W，路徑損耗指數(shù)為3，噪聲功率為90 dBm。同時假設(shè)認(rèn)知無線電工作于5.47 GHz~5.725 GHz歐洲頻段內(nèi)，并以20 MHz為一個頻段將其分為11個信道，即M=11。各參數(shù)列于表1中。

    考慮在某一較短時間內(nèi)各認(rèn)知用戶的接入節(jié)點移動性很小，可令gij=gji?坌i,j∈N，此時對所有的i,j∈N均滿足BSI條件，為嚴(yán)格位勢博弈。
    假設(shè)信道7為預(yù)留信道，m=7，圖1給出了某一較短時間內(nèi)各認(rèn)知用戶的接入節(jié)點位置及其初始化信道，其中黑點表示節(jié)點的位置，黑點右邊的數(shù)字表示初始化信道。由于網(wǎng)絡(luò)中的可用信道為互不重疊的正交子信道，所預(yù)留的信道7自然不存在受環(huán)境影響的可能，從而該預(yù)留適用于所有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

　　以下為本文所提出的動態(tài)預(yù)留信道選擇方法的仿真分析。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，所有節(jié)點觀測來自其他節(jié)點的干擾信號能量，并調(diào)整節(jié)點參數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)總干擾減小。圖2給出了具有動態(tài)預(yù)留信道和未預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)總干擾隨迭代次數(shù)的變化曲線，干擾中包括了噪聲功率，其中預(yù)留試驗在初始信道一定的條件下進(jìn)行了3次試驗。從圖中4條曲線可以看出，網(wǎng)絡(luò)總干擾隨著節(jié)點參數(shù)調(diào)整而不斷減小，這驗證了嚴(yán)格位勢博弈NE的存在性和收斂性，保證了認(rèn)知無線電DSCR方法的可行性。從圖中還可以看出，相比未預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)，具有信道預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)僅增加了少量干擾，然而收斂速度卻快于前者。

    圖3(a)和圖3(b)分別給出50次預(yù)留試驗的網(wǎng)絡(luò)總干擾和預(yù)留信道號，圖中可以明顯看出基于嚴(yán)格位勢博弈的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)以較少網(wǎng)絡(luò)總干擾為代價實現(xiàn)了動態(tài)預(yù)留信道的選擇，且具有信道預(yù)留網(wǎng)絡(luò)的干擾比未預(yù)留網(wǎng)絡(luò)的干擾起伏小。

    本文提出了一種基于嚴(yán)格位勢博弈的動態(tài)預(yù)留信道選擇方法，該方法用于在頻譜切換過程中以增加少量網(wǎng)絡(luò)總干擾為代價實現(xiàn)動態(tài)預(yù)留，解決了靜態(tài)式預(yù)留不滿足實際認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的問題。
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