認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配模型與算法

白浩　鄭麗萍

[摘要]認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為提高頻譜資源的利用率提供了有效途徑，而頻譜分配是提高頻譜資源利用率的關(guān)鍵技術(shù)。文章按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻譜分配進(jìn)行了分類(lèi)，并分析了不同的分配模型的優(yōu)缺點(diǎn)，最后給出了頻譜分配算法的設(shè)計(jì)原則，可以為相關(guān)研究提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；頻譜分配；分配模型；分配算法

1 引言

無(wú)線(xiàn)頻譜資源是一種緊缺的不可再生資源，現(xiàn)有的頻譜分配機(jī)制導(dǎo)致頻譜資源緊缺和浪費(fèi)共存。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種智能的頻譜共享技術(shù)。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)分為主用戶(hù)（授權(quán)用戶(hù)）和次用戶(hù)（認(rèn)知用戶(hù)）兩類(lèi)，次用戶(hù)可以在不影響主用和的前提下，機(jī)會(huì)使用空閑頻譜，從而提高頻譜使用效率。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)是認(rèn)知用戶(hù)可以通過(guò)機(jī)會(huì)接入頻譜資源，因此頻譜感知是其首要任務(wù)。由于通過(guò)感知獲得的頻譜資源具有時(shí)變性。需要相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)資源管理機(jī)制對(duì)頻譜資源進(jìn)行有效管理。無(wú)線(xiàn)資源管理圍繞頻譜的有效利用展開(kāi)。主要包括頻譜分析、頻譜決策、頻譜分配等。頻譜分配主要研究如何對(duì)感知到的空閑頻譜資源在認(rèn)知用戶(hù)間進(jìn)行有效的優(yōu)化分配，滿(mǎn)足主用戶(hù)和次用戶(hù)的通信需求。頻譜的有效分配是無(wú)線(xiàn)資源管理的終極目標(biāo)，具有重要的研究意義。

2 頻譜分配方法的分類(lèi)

目前，頻譜分配技術(shù)的分類(lèi)有多種。按照頻譜分配技術(shù)分類(lèi)，可以分為靜態(tài)頻譜分配、動(dòng)態(tài)頻譜分配、混合式（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)合）頻譜分配；按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可以分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配；按協(xié)作方式分類(lèi)，可分為協(xié)作式頻譜分配和非協(xié)作式頻譜分配。

2.1 按照頻譜分配技術(shù)分類(lèi)

按照頻譜分配方式的不同，可以分為靜態(tài)頻譜分配和動(dòng)態(tài)頻譜分配。靜態(tài)頻譜分配中是指預(yù)先給用戶(hù)分配好頻譜資源，不根據(jù)用戶(hù)自身需求的變化而變化。靜態(tài)分配的方式雖然簡(jiǎn)單，但不夠靈活，不能滿(mǎn)足用戶(hù)多變的需求，也造成了頻譜資源的浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)頻譜分配是指根據(jù)不同用戶(hù)的需求動(dòng)態(tài)對(duì)頻譜資源進(jìn)行分配，可以有效的提高頻譜的利用率。混合式則是兩種方式的結(jié)合。

2.2 按照接入方式進(jìn)行分類(lèi)

按照是否完全受限于授權(quán)用戶(hù)。頻譜分配可以分為完全受限頻譜分配和部分受限頻譜分配。完全受限頻譜分配也稱(chēng)機(jī)會(huì)式頻譜分配，屬于“見(jiàn)縫插針”式接入。此接入方式下，認(rèn)知用戶(hù)的頻譜分配完全受限于授權(quán)用戶(hù)的頻譜占用情況，一旦授權(quán)用戶(hù)出現(xiàn)，要使用該頻譜，認(rèn)知用戶(hù)必須立即停止通信并釋放該頻譜。部分受限頻譜分配，也稱(chēng)為覆蓋式頻譜共享。此方式下，次用戶(hù)可以使用與授權(quán)用戶(hù)完全相同的頻譜資源，只是受限于其發(fā)射功率不能對(duì)主用戶(hù)造成有害干擾。

2.3 按照網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)

按照網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)，頻譜分配可分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配。集中式頻譜分配中，由中心控制器來(lái)統(tǒng)一管理空閑頻譜在認(rèn)知用戶(hù)中的使用，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜分配的全局優(yōu)化。而缺點(diǎn)在于中心控制器需要維護(hù)過(guò)多的控制信道，運(yùn)算量較大，并且有可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。分布式頻譜分配中，參與頻譜分配的每個(gè)用戶(hù)都是自私的，通過(guò)自己觀察周?chē)h(huán)境中授權(quán)用戶(hù)的頻譜使用信息，進(jìn)而根據(jù)頻譜感知結(jié)果進(jìn)行分配。分布式頻譜分配方式比較靈活，但協(xié)作方式比較復(fù)雜。

2.4 按照合作方式分類(lèi)

按照合作方式，頻譜分配可以分為合作式頻譜分配與非合作式頻譜分配。合作式分配是指多個(gè)認(rèn)知用戶(hù)之間進(jìn)行協(xié)作，互相交換信息、協(xié)商分配。其優(yōu)點(diǎn)是可以逼近全局最優(yōu)，但合作開(kāi)銷(xiāo)較大。非合作式頻譜分配中，認(rèn)知用戶(hù)節(jié)點(diǎn)是自私的，不同的認(rèn)知用戶(hù)使用不同的手段滿(mǎn)足自身對(duì)資源的需要，不考慮其他用戶(hù)的收益。非合作式分配通信開(kāi)銷(xiāo)比較低。但頻譜利用率難以達(dá)到最優(yōu)，因此，需要綜合進(jìn)行折中。

以上幾種分配機(jī)制，并不是獨(dú)立存在的，經(jīng)常需要聯(lián)合起來(lái)考慮，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景提出具體的組合方案。如集中式完全受限頻譜，合作式的分布式完全受限頻譜分配。

3 頻譜分配的主要模型

頻譜分配的模型主要有基于頻譜交易的分配模型，基于博弈論的頻譜分配模型，基于圖著色理論的頻譜分配模型等。

3，1 基于頻譜交易的頻譜分配模型

這種模型借鑒商品交易的思想，將頻譜視為商品在用戶(hù)之間進(jìn)行交易分配。提供頻譜資源的主用戶(hù)稱(chēng)為頻譜賣(mài)家，需要使用頻譜的認(rèn)知用戶(hù)稱(chēng)為頻譜買(mǎi)家。買(mǎi)家和賣(mài)家可直接交易或通過(guò)經(jīng)紀(jì)人交易。

基于拍賣(mài)的頻譜分配是頻譜交易的一種，但交易方式為拍賣(mài)。拍賣(mài)競(jìng)價(jià)目的是對(duì)資源更加合理的利用與分配。頻譜拍賣(mài)將主用戶(hù)視為賣(mài)家，認(rèn)知用戶(hù)視為買(mǎi)家，一般情況下，基站充當(dāng)拍賣(mài)商，采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在每一次拍賣(mài)中，每個(gè)投標(biāo)者為滿(mǎn)足自己的最大化頻譜效益，由拍賣(mài)人根據(jù)最大化網(wǎng)絡(luò)效益來(lái)確定最終的中標(biāo)者。

3.2 基于博弈論的頻譜分配模型

基于博弈理論的頻譜資源分配。大部分是基于非合作的分布式完全受限頻譜分配。多個(gè)認(rèn)知用戶(hù)之間根據(jù)自己所能獲取的資源進(jìn)行博弈，尋找頻譜資源分配的最優(yōu)均衡點(diǎn)?；诓┺恼摰念l譜分配方法將認(rèn)知用戶(hù)的實(shí)時(shí)交互過(guò)程映射為博弈模型，將認(rèn)知用戶(hù)視為博弈玩家，認(rèn)知用戶(hù)的行為集合視為節(jié)點(diǎn)的策略集合。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同選擇合適的效用函數(shù)。

3.3 基于圖著色模型的頻譜分配

基于圖論的分配方法將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成無(wú)向連接圖。其中頂點(diǎn)表示參與分配的次用戶(hù)，每個(gè)頂點(diǎn)有可用信道集合，圖的邊集則由干擾限制決定：當(dāng)且僅當(dāng)兩認(rèn)知用戶(hù)節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)使用某信道時(shí)，相應(yīng)頂點(diǎn)用一條邊連接，稱(chēng)為干擾圖。

4 頻譜分配算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)

理想的頻譜分配算法應(yīng)該能夠最大化頻譜利用率或系統(tǒng)吞吐量。在實(shí)際應(yīng)用中，還需權(quán)衡其它因素，如公平性、收斂性等。頻譜分配算法一般需要考慮幾個(gè)目標(biāo)：

（1）高效性——頻譜分配的最終目標(biāo)是對(duì)可用頻譜的合理分配，使得系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率等性能達(dá)到最優(yōu)：

（2）公平性——最大化認(rèn)知用戶(hù)的公平性，滿(mǎn)足通信需求。高效性與公平性通常難于兼顧，通常需要在高效性和公平性之間達(dá)到某種平衡：

（3）時(shí)效性——由于可用頻譜隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化，頻譜分配算法必須對(duì)感知到的空閑頻段做出快速響應(yīng)。因此，算法必須系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)及計(jì)算量。

4 結(jié)束語(yǔ)

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)為解決無(wú)線(xiàn)頻譜資源的緊缺問(wèn)題提供了有效的解決途徑。頻譜分配是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題；有效的頻譜分配是提高頻譜資源利用率的支撐技術(shù)，也是一個(gè)具有重要研究意義的課題。