论文研究-基于联盟博弈的频谱资源分配 .pdf

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基于联盟博弈的频谱资源分配,张甜甜,李美玲,由于频谱资源的匮乏,使得用户在分配资源的过程中会出现竞争。为了使资源配置更加的公平有效,本文针对如何对认知无线电网络中频
山国武技论文在线 本文研究过程中联盟博弈思想的体现 认知无线电的认知特性使得信仟度指标不高的次级用户在进行频谱利用时不仅容易对 主用户形成干扰,而且用户间的竞争还会导致无法正常使用空闲频谱这样的问题,所以要找 到一种合适的频谱资源分配方式来解决频谱分配中可能存在的问题。无论是对基于博弈论理 论的用户联盟分配方案进行对比性研究,还是在频谱资源分配过程中,联盟内按效用函数分 配,联盟间按需分配都体现了博弈的思想。本文提出的分配方案有效提晑了频谱的利用率以 及资源配置的公允性。 2联盟博弈相关理论 频谱资源分配设计思想 对于认知无线电网终,由于频谱资源缺乏,使得用户对频谱资源产生了竞争,为了频谱 瓷源能够有效公平的分配,则需要在该认知无线网终中设计有效合理的分配模式,来减少次 级用户之间可能出现的不良竞争现象。通过联盟博弈的思想来对认知无线电网终中可能出现 的频谱竞争情况建立模型,将次级用户获得频溍的概率用效用函数来袤小,把效用函数看成 是联盟博弈的收益。效用函数在传统的信仼度指标的基础上引入参与度、需求度、信噪比等 指标,使得次纵用户在关注自身信仼度的同时也会注意其他方面的指标,出」用户对频谱资 源的需求,他们会更加主动参与网络中频谱感知的过程,在提高频谱资源利用率的同吋并使 得频谱分配更加的公平。最后通过仿真来比较认知无线网络中认知用户在不同分配模型中获 得频谱的概率。 在认知无线电网络中,分析网络中的主体(主用户、次级用户等)的行为过程,利用博 弈理论讨论网终中的资源配置问题时,就需要把博弈中的要素和认知网终中的次级用户的行 为通过一一对应的方式来进行分析。频谱资源分配的设计思想的出发点正是某个联盟在进行 博弈时可看成是一个独立的参与者。 本文假设应用场景是在认知无线网络中,次级用户的个数为,可用信道的个数为 假如次纵用户所处环境是相同的,每个次级用户都是根据自u的实际需求中请使用频谱。木 文对次纵用户的需求量建立包括信道带宽,功率和可用时长三个指标的向量。次纵用 户彼此间相互协作米感知频谱,获得网络中的空闲频谱表,为每个次级用户通过各项指标求 得其联盟效用值,并依据效用函数进行频谱资源分配,保证可用的授权频谱可以被合理的分 配给提出频谱使用申请的次级用户。 形成一个稳定联盟的算法流程 形成一个稳定联盟的过程是通过对比效用函数的大小关系来比较两个联盟结构的优劣, 来决定某个用户是否选择加入该联盟。若某个用户加入该联盟使其效用值增加,则选择加入 该联盟,若某个用户加入该联盟使其效用值减少,则选择不加入该联盟,经过一系列这种判 决之后,最终形成稳定的联盟结构。 山国武技论文在线 开始 形成高时联盟结构 申新认知用广指椓(佯任度 需求度、爹与度、信嘛比 足 存在多个户可 合开 通二合并待盖? 否 字江某个用户可以 通过分裂得益? 裂 达到稳定 洁束 图形成一个稳定联盟的算法流程图 频谱资源分配设计 用户指标的定义 信仼值函数是衡量次级用户频谱感知结果的正确性以及是否遵循频谱分配规 则的行为的一个指标。表示次级用户的信任值,将其做归一化处坦后如式()所示。 其中∈ 需求函数用于表示次级用户选择此次参与频谱感知及频谱分配行为对频 增需求量的一个指标,根据次级用户的需求将信道划分等级,用表示,其中为次级用 户要申请的频谱带宽,为次级用户传输数据的功率,为次级用户占用频谱的时长,∈{, }。其需求函数可表小为式(),式()。 √++() 参与函数是次级用户在认知无线网络中参与频谱感知的行为次数并用参与 山国武技论文在线 度米衡量的一个指标。其中表示次级用户成功感知次数, 表示该认知无线 网络内总的分配次数,其参与函数如式()所示 效用函数设计 保证信仼值较高的次级用户获得频谱桃率更大的同时,也应该允许一些信仼值不高的次 级用户比如一些没有积累多少信任度的新用户积极主动参与频谱感知,提高用户获得可用频 谱的概率,并给次级用户设定一个频谱需求限制,以防有的用户恶意提高自己的频谱需求而 占用太多频谱资源,而使其他用户分不到频谱。如此,该无线网络联盟中次级用户都有获得 可用频谱的可能。又因为次级用户都有获取频谱的需求,所以这些用户会更尽力去得到止确 的感知结果并遵守频谱资源的分配规则。 关于效用函数(代表获得频谱资源的概率)的设计,本文一共提供两种设计方案并对这 两种设计方案进行对比分析找出一个针对频谱资源分配的更有效可靠的方案。为了简化指标 表达方式下文中用表示用户效用值函数,用表示用户信任值函数,用表示用户需求 函数,用表小用户参与函数,用表小可用信道信噪比。 第一种模型设计 第一种模型设计不考虑信道信噪比对效用函数的影响,其效用函数设计如式所示,控制 ,权重大小顺序不变,即为第一要素,为第二要素,为第三要素,如式所 小: 其中 第二种模型设计 第二种模型设计考虑信道信噪比对效用函数及分配结果的影响,如式所示: ×+X+×十 ≥+++ 控制 权重大小顺序不变,即为第一要素,为第二要素,为第三要 素,为第四要素 由香农公式 +一可知,当信噪比过小会降低信道容量,从而降低信 道的可利用率,传输一定量信息时,会导致传输质量变差,此时参与者可能会离开这个联盟 或去別的联盟寻求分配更好的信道。可用信道信噪比相对较大时,相应的会提高用户效 用值函数的相对值的大小,由此可见会影响联盟的最终结果。 联盟分配流程 联盟分配流程分为两个阶段,第一个阶段是把联盟视为一个整体时的频谱分配,第∵个 山国武技论文在线 阶段是考虑联盟内针对各个用户的频谱分配 第一阶段:将联盟视为一个整体按联盟效用值大小依次从空闲频谱簇中分配可用频谱 组 第阶段:在联盟内部以每个次级用户为个体分配频谱,根据信任值T的大小,确定分 配频谱的次序。若分配给该联盟的信道数大于等于该联盟内的次级用户需求数,则每个用户 都可以分到频谱。若分配给该联盟的信道数小于该联盟内的用户需求数,那么则有用户分不 到频谱,将分配到的总信道数日減去一,把剩余的信道按用户信任值高低顺序进行分配,信 任值高的优先分配。最后将剩下的最后一个信道分配给剩余用户中效用值最大的那个用户。 使得联監内每个参与的用户都有可能分到频谱。没分配到频谱的用户则去总的空闲频谱窾中 寻找符合自己需求的频谱。 3模型仿真及分析 考虑可用信道信噪比对效用函数的影响,即在考虑信任值,需求度,参与度指标的基础 上考虑可用信道信噪比对联盟博弈效用函数的影响。通过分析仿貞结果可知,当等于 时,如图所示,考虑可用信道信噪比比不考虑可用信道信噪比吋的效用函数要大,而且 值相对较大时,考虑可用信道信噪比比不考虑可用信道信噪比的效用函数相对要大的多, 值相对较小时,考虑可用信道信噪比比不考虑可用信道信噪比的效用函数相对要小的多, 其中二者除了模型的算法不同之外,所有的其他初始交量都保持一致,以得到最公正可靠的 对比结果。 相对值 考虑 不考虑 用户名称标号 图效用函数对比图 山国武技论文在线 4结论 本文给出了两种方案,从图中可以看到两和不同的方案第二种要优于第一种方案。效 用函数在考虑信道笮噪比比不考虑信道信噪比时获得频湝的概率公有所提高,在鼓励次级用 户关注信任度指标的同时,也注重其他方面的指标要求,用户对频谱资源的渴望就会使得他 们更加积极主动参与认知无线网络中的频谱感知活动并遵守分配规则,提高频谱分配的公允 性和次纵用户分配到频谱的概率。由」不是凭借单一指标来进行频谱分酉,改善了一些用户 因某指标偏弱而长吋间分配不到频谱资溟的情况,提高了频谱资源的利用和频诎分配的 公平性。改善了无线网络中可能存在的频谱资源不良竟争现象。 参考文献 谭学治,姜靖,孙洪剑认知无线电的频谱感知技术研宄通信技术, 刘洪杰,李书芳认知无线电网络中频谱池接人策眳性能分析北京邮电人学学报,,() 张爱清,叶新荣,丁绪星认知尢线电中的频谱共享技术通信技术, 刘燕茹基于中继传输的协作频谱感知方案硏究安徽:安徽大学 汪楠,夏冬梅一种基于博弈的自动信任协商模式安徽师范学院学报 蒋卫恒认知无线电网终动态资源管理与分配算法研究重庆:重庆人学 黎妍认知无线电中基于联盟博弈的协作频谱感知技术南京:南京邮电人学, 李钊基于联盟博弈的分布式认知无线网终信任管理机制硏宄西安:西安电子科技人学,

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