認(rèn)知無(wú)線電CR(Cognitive Radio)[1]是一種智能的無(wú)線通信系統(tǒng)，它通過(guò)感知頻譜實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)來(lái)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(guò)程中，認(rèn)知用戶SU(Secondary User)通過(guò)機(jī)會(huì)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(qiáng)制中斷認(rèn)知用戶的當(dāng)前傳輸，因此在認(rèn)知無(wú)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(duì)于具體如何實(shí)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(duì)緩存的方法，該方法在無(wú)空閑信道時(shí)等待空閑信道的出現(xiàn)再接入，存在較長(zhǎng)的延時(shí)，不適用于實(shí)時(shí)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(jī)制實(shí)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(shí)時(shí)性強(qiáng)，本質(zhì)上是以犧牲新呼接入為代價(jià)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(shí)變的，預(yù)留的信道也應(yīng)該是時(shí)變的，即預(yù)留應(yīng)該是動(dòng)態(tài)性的預(yù)留。本文構(gòu)建認(rèn)知無(wú)線電博弈模型研究動(dòng)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(wèn)題。
1 認(rèn)知無(wú)線電的博弈論模型
　博弈論(Game Theory)[6]是一系列可以用來(lái)分析、研究交互決策過(guò)程的模型和工具。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)存在多個(gè)認(rèn)知用戶，每一個(gè)認(rèn)知用戶參數(shù)的調(diào)整均會(huì)影響到其他認(rèn)知用戶，由此形成交互過(guò)程。因此可以使用博弈理論分析認(rèn)知無(wú)線電交互決策問(wèn)題，每個(gè)認(rèn)知用戶可以根據(jù)環(huán)境觀測(cè)結(jié)果調(diào)整參數(shù)逼近所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，一般認(rèn)知無(wú)線電觀測(cè)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(shí)，稱行為向量a為NE。在嚴(yán)格位勢(shì)博弈中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)以自私的方式進(jìn)行調(diào)整時(shí)，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(gè)NE。
2.2 認(rèn)知無(wú)線電的動(dòng)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(huì)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(diǎn)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(duì)本文所提出的動(dòng)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(jī)分布在1 km2的正方形區(qū)域內(nèi)，信號(hào)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(shí)假設(shè)認(rèn)知無(wú)線電工作于5.47 GHz~5.725 GHz歐洲頻段內(nèi)，并以20 MHz為一個(gè)頻段將其分為11個(gè)信道，即M=11。各參數(shù)列于表1中。

    考慮在某一較短時(shí)間內(nèi)各認(rèn)知用戶的接入節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性很小，可令gij=gji?坌i,j∈N，此時(shí)對(duì)所有的i,j∈N均滿足BSI條件，為嚴(yán)格位勢(shì)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(shí)間內(nèi)各認(rèn)知用戶的接入節(jié)點(diǎn)位置及其初始化信道，其中黑點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)的位置，黑點(diǎn)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(dòng)態(tài)預(yù)留信道選擇方法的仿真分析。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，所有節(jié)點(diǎn)觀測(cè)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的干擾信號(hào)能量，并調(diào)整節(jié)點(diǎn)參數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)總干擾減小。圖2給出了具有動(dòng)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(yàn)在初始信道一定的條件下進(jìn)行了3次試驗(yàn)。從圖中4條曲線可以看出，網(wǎng)絡(luò)總干擾隨著節(jié)點(diǎn)參數(shù)調(diào)整而不斷減小，這驗(yàn)證了嚴(yán)格位勢(shì)博弈NE的存在性和收斂性，保證了認(rèn)知無(wú)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(yàn)的網(wǎng)絡(luò)總干擾和預(yù)留信道號(hào)，圖中可以明顯看出基于嚴(yán)格位勢(shì)博弈的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)以較少網(wǎng)絡(luò)總干擾為代價(jià)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(shì)博弈的動(dòng)態(tài)預(yù)留信道選擇方法，該方法用于在頻譜切換過(guò)程中以增加少量網(wǎng)絡(luò)總干擾為代價(jià)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)留，解決了靜態(tài)式預(yù)留不滿足實(shí)際認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。
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