《電子技術(shù)應用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網(wǎng)絡 > 設計應用 > 基于博弈論的動態(tài)頻譜分配技術(shù)研究
基于博弈論的動態(tài)頻譜分配技術(shù)研究
來源：電子技術(shù)應用2012年第4期
徐昌彪, 劉雪亮, 鮮永菊
重慶郵電大學 測控與信息傳輸實驗室,， 重慶400065
摘要： 提出了一種改進的動態(tài)頻譜分配博弈模型,，對現(xiàn)有的頻譜定價函數(shù)進行改進，在授權(quán)用戶對單位頻譜價格滿意的條件下,，頻譜價格與授權(quán)用戶提供帶寬數(shù)量和次用戶的頻譜需求數(shù)量有關(guān),。此外,，在次用戶的效用函數(shù)中，考慮了頻譜置換參數(shù),，并分析了置換參數(shù)和信道質(zhì)量對次用戶動態(tài)博弈以及次用戶達到納什均衡的影響,。最后，分別用靜態(tài)博弈和動態(tài)博弈分析了次用戶之間的競爭頻譜行為,，并通過仿真驗證,，次用戶的策略最終可以收斂到納什均衡。
中圖分類號: TP915
文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2012)04-0102-04
Dynamic spectrum allocation in cognitive radio based on game theory
Xu Changbiao, Liu Xueliang, Xian Yongju
Measuring-control and Information Transmission Research Laboratory, Chongqing University of Posts and Telecommunications,， Chongqing 400065, China
Abstract： In this paper, an improved dynamic spectrum allocation model(Improved-DSA) was proposed ,the improved model modified the existing spectrum pricing function, based on the satisfaction of primary users(PUs) on the unit spectrum price, considering the spectrum price has associated with the quantity of spectrum of primary users lease and the quantity of spectrum demand of secondary users(SUs). In addition, the utility function takes the spectrum substitutability into account through the parameter , analyze the impacts of substitutability parameter and channel quality on the dynamic game and Nash equilibrium of SUs. Finally, static game and dynamic game were be used to analyze the competitive behavior of SUs, and simulation results reveal that the strategies of SUs will ultimately converge to the Nash equilibrium.
Key words : cognitive radio; dynamic spectrum allocation; game theory; Nash equilibrium

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,，尤其是隨著無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)及無線區(qū)域網(wǎng)絡WRAN(Wireless Regional Area Network)等技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信業(yè)務需求的不斷增加與無線頻譜資源的匱乏之間的矛盾越來越尖銳,。針對頻譜資源的不足,，認知無線電網(wǎng)絡中的動態(tài)頻譜分配技術(shù)能夠靈活地使用空閑頻譜[1]，實現(xiàn)空閑頻譜的再利用,，從而提高頻譜利用率,。為了達到這一目的，認知無線電需要擁有感知周圍環(huán)境以及根據(jù)周圍環(huán)境的變化自適應地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的能力,，從而能夠感知到授權(quán)用戶的空閑頻譜并利用其進行通信,。然而,，授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶在授權(quán)頻段的和平共存是一個具有挑戰(zhàn)性的課題,。目前，認知無線電系統(tǒng)的頻譜分配研究方法很多,，基于博弈論[2]的頻譜分配方法是研究的熱點,。參考文獻[3,4]中用博弈論分析了主用戶相互競爭提供頻譜的行為，主用戶根據(jù)次用戶的頻譜需求大小以及其他主用戶所采取的策略動態(tài)調(diào)整自身的策略,，從而使得自己的效用達到最大化,，而對次用戶之間競爭頻譜的博弈行為沒有考慮。參考文獻[5,6]中應用寡頭市場模型來解決頻譜分配中授權(quán)用戶的博弈問題,，并用Bertrand均衡理論提出了授權(quán)用戶信道競價的Bertrand博弈算法,。參考文獻[7]中考慮了基于用戶業(yè)務需求的頻譜分配，根據(jù)用戶的業(yè)務等級不同進行頻譜分配,。參考文獻[8]中用博弈理論分析認知網(wǎng)絡中多個策略主用戶與多個策略次用戶的博弈問題, 主用戶的頻譜價格是通過AP唯一確定的,，但在實際的認知無線電環(huán)境中，主用戶的頻譜價格是不斷變動的,。參考文獻[9]中提出基于Cournot博弈的次用戶頻譜分配模型,，目前,，有很多工作基于該文獻進行改進，如在次用戶的頻譜分配中考慮了頻譜差異性對次用戶的影響[10],，考慮頻譜拍賣的多買家,、多賣家博弈模型[11]等。在以上模型中,，都沒有考慮到主用戶的頻譜價格函數(shù)受到主用戶和次用戶之間的頻譜供需關(guān)系的影響,。

　    本文用博弈論方法解決認知無線電網(wǎng)絡中的動態(tài)頻譜分配問題，將次用戶的頻譜分配模型轉(zhuǎn)換為相應的博弈論模型,，在完全信息和不完全信息環(huán)境下,，分別用靜態(tài)博弈和動態(tài)博弈對次用戶的頻譜分配進行分析，并考慮了頻譜可置換參數(shù)v對次用戶納什均衡以及動態(tài)博弈穩(wěn)定性的影響,最后給出改進博弈模型的仿真分析結(jié)果,。
1 系統(tǒng)模型
1.1 認知網(wǎng)絡模型
     在認知網(wǎng)絡中,，認知用戶能夠伺機利用授權(quán)用戶的空閑頻譜。當授權(quán)用戶重新占用該頻譜時,，認知用戶需要切換到其他授權(quán)用戶的空閑頻譜上進行通信,。文中考慮有M個授權(quán)用戶和N個次用戶的模型，每個授權(quán)用戶擁有一個授權(quán)頻譜,，授權(quán)用戶的頻譜占用情況會隨著時間及其空間變化而發(fā)生變化,。次用戶的行為是自私、理性的,，次用戶為了最大化自己的效用相互競爭并最終達到納什均衡,。納什均衡點即為次用戶的最佳頻譜分配結(jié)果。如圖1所示,，基站把所有主用戶的空閑頻譜匯聚成一個頻譜池,，將頻譜池中的頻譜劃分為若干個子信道，子信道是頻譜分配的基本單位,。主用戶以每單位帶寬價格p向次用戶收費,，p是頻譜價格函數(shù),與主用戶提供的頻譜數(shù)量以及次用戶的頻譜需求數(shù)量有關(guān)。


2 頻譜分配的博弈模型
    首先假定所有次用戶都知道其他次用戶在博弈中所采取的策略以及各自的效用函數(shù)信息,，并用靜態(tài)博弈模型分析次用戶的行為,。然而，由于在實際的認知無線電網(wǎng)絡中,，次用戶并不知道或只知道一部分次用戶的策略和效用信息,，次用戶需要不斷調(diào)整自己的策略從而使自身的策略達到最優(yōu)，因此,，用動態(tài)博弈模型對次用戶的策略調(diào)整行為進行分析,。
2.1 靜態(tài)博弈
    在上面的系統(tǒng)模型中，博弈的參與者是次用戶，策略是次用戶的頻譜請求大小,，用bi表示,，每個策略用戶的效用函數(shù)與它所獲得的總收益以及成本有關(guān)，用Ui表示,。對參考文獻[9]中的頻譜價格函數(shù)進行改進,，在主用戶對頻譜價格滿意的基礎(chǔ)上，考慮了頻譜價格受到頻譜供需關(guān)系的影響,，即與主用戶空閑頻譜的數(shù)量以及次用戶的頻譜需求相關(guān),。頻譜價格函數(shù)為：



 


    

定區(qū)間內(nèi)取值時,次用戶間的頻譜共享是穩(wěn)定的并最終可以達到納什均衡,而在區(qū)間外取值時，次用戶的策略會上下波動進而導致無法收斂到納什均衡,。    

    文中提出了一種改進的基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案,，考慮了存在多個主用戶和次用戶共享頻譜的情形，在保證不對主用戶產(chǎn)生干擾的前提下,，利用Cournot博弈模型對次用戶間的競爭頻譜行為進行了分析,。改進了現(xiàn)有的頻譜定價函數(shù)，并在次用戶的效用函數(shù)中考慮了頻譜置換參數(shù)v,。最后分別用靜態(tài)博弈和動態(tài)博弈分析了次用戶的頻譜分配行為,。通過仿真驗證證明，次用戶的策略能較快收斂到納什均衡,，并且頻譜利用率有一定的提高,。
    文中提出了一種改進的基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案，考慮了存在多個主用戶和次用戶共享頻譜的情形,，在保證不對主用戶產(chǎn)生干擾的前提下,，利用Cournot博弈模型對次用戶間的競爭頻譜行為進行了分析。改進了現(xiàn)有的頻譜定價函數(shù),，并在次用戶的效用函數(shù)中考慮了頻譜置換參數(shù)v,。最后分別用靜態(tài)博弈和動態(tài)博弈分析了次用戶的頻譜分配行為。通過仿真驗證證明,，次用戶的策略能較快收斂到納什均衡,，并且頻譜利用率有一定的提高,。
參考文獻
[1] MITOLA J. Cognitive radio for flexible multimedia communications. in Proc.MoMuC’99,，1999:3-10.
[2] FUDENBERG D, TIROLE J. GAME T. Mit Press,1991.
[3] MOHAMMADIAN H S, ABOLHASSANI B. Optimal quality competition for spectrum sharing in cognitive radio networks[C].Electrical Engineering (ICEE),2010:231-236.
[4] Zu Yunxiao, Li Peng. Study on spectrum allocation of primary users for cognitive radio based on game theory[C].  in IEEE WiCOM.2010:1-4.
[5] 譚學治，劉玉濤,，魏守明.基于博弈理論的認知無線電頻譜分配[J].華南理工大學學報,2010(5):22-26.
[6] NIYATO D,，HOSSAIN E．Competitive pricing for spectrum  sharing in cognitive radio networks：dynamic game，inefficiency of nash equilibrium and collision[J].IEEE Journal  on Selected Areas in Communications, 2008,26(1):192-202.
[7] He Shibiao, Zhang Xinchun, Ge Lijia,et al. Research of  dynamic spectrum allocation based on service demand[C].in IEEE NSWCTC,2010:348-351.
[8] Lin Peng, Jia Juncheng, Zhang Qia. Mounir ham di dynamic spectrum sharing with multiple primary and secondary users[J].in IEEE Transactions on,2011(60):1756-1765.
[9] NIYATO D, HOSSAIN E. Competitive spectrum sharing in cognitive radio networks:a dynamic game approach[J].IEEE  Transaction on Wireless Transaction on Wireless Communications,2008,7(7)：2651-2660.
[10] Zhang Xinchun, He Shibiao, Sun Jiang. A game algorithm of dynamic spectrum allocation based on spectrum difference[C]. in IEEE WOCC,2010:1-4.
[11] NIYATO D, HOSSAIN E, HAN Z. Dynamics of multipleseller and multiple-buyer spectrum trading in cognitive radio networks: a game-theoretic moeling approach[J]. Mobile Computing, IEEE Transactions on,2009,8(8):1009-1022.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。