認知無線電動態(tài)預留信道選擇的博弈模型的構建研究

認知無線電（Cognitive Radio）是由MITRE公司的顧問、瑞典皇家技術學院JosephMitola博士和GeraldQ Maguire， JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的，是對軟件無線電的進一步的擴展。認知無線電采用無線電域的基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規(guī)則（如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時間模式等）進行推理，通過無線電知識表示語言（RKRL），表述無線電規(guī)則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡、用戶需求和應用場景的知識，以增強個人業(yè)務的靈活性，使軟件無線電技術能更好地滿足用戶需求。

認知無線電CR（Cognitive Radio）是一種智能的無線通信系統(tǒng)，它通過感知頻譜實時調整參數(shù)來適應周邊環(huán)境的變化，從而有效提高頻譜利用率。在使用授權頻譜資源過程中，認知用戶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，有權強制中斷認知用戶的當前傳輸，因此在認知無線電網(wǎng)絡中維持認知用戶的通信質量顯得格外重要。本文構建認知無線電博弈模型研究動態(tài)預留信道選擇方法，以解決靜態(tài)式預留不適合認知切換網(wǎng)絡的要求這一問題。

1 認知無線電的博弈論模型

博弈論（Game Theory）是一系列可以用來分析、研究交互決策過程的模型和工具。認知無線電網(wǎng)絡存在多個認知用戶，每一個認知用戶參數(shù)的調整均會影響到其他認知用戶，由此形成交互過程。因此可以使用博弈理論分析認知無線電交互決策問題，每個認知用戶可以根據(jù)環(huán)境觀測結果調整參數(shù)逼近所要實現(xiàn)的目標，一般認知無線電觀測到的結果為網(wǎng)絡工作環(huán)境，比如干擾環(huán)境等。

此時，稱行為向量a為NE。在嚴格位勢博弈中，當節(jié)點以自私的方式進行調整時，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 認知無線電的動態(tài)預留信道選擇

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)絡總干擾，與網(wǎng)絡優(yōu)化目標一致。隨著迭代次數(shù)的不斷增加，網(wǎng)絡總干擾隨用戶選擇信道調整的不斷減小直到納什均衡點處，預留最優(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)預留信道選擇方法進行仿真分析。假設認知用戶數(shù)|N|=30，且隨機分布在1 km2的正方形區(qū)域內，信號發(fā)射功率假設為1 W，路徑損耗指數(shù)為3，噪聲功率為90 dBm。同時假設認知無線電工作于5.47 GHz~5.725 GHz歐洲頻段內，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各認知用戶的接入節(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，為嚴格位勢博弈。

假設信道7為預留信道，m=7，圖1給出了某一較短時間內各認知用戶的接入節(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)絡中的可用信道為互不重疊的正交子信道，所預留的信道7自然不存在受環(huán)境影響的可能，從而該預留適用于所有網(wǎng)絡覆蓋范圍。

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

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

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