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基于频谱合约的协作频谱共享的技术创新

  0 引言
  随着无线通信技术的发展,频谱资源紧缺已成为无线通信领域的严峻问题[1-2]。协作频谱共享充分利用授权用户或主用户(Primary User, PU)和非授权用户或次要用户(Secondary User, SU)之间相互合作所带来的分集增益,能有效地提高系统的频谱利用率[3]。协作频谱共享技术的关键在于如何建立准确的协作频谱共享模  本文由WwW. 511959.com提供,511959论文网专业代写教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务,欢迎光临511959.com型,这通常需要尽可能完备的网络信息[4]。然而,在实际的认知网络和协作无线网络中,普遍存在着非对称网络信息现象,即因占有无线频谱资源优先级的不同、所处网络环境位置的不同、能力的差别等因素导致PU和SU所获得的网络信息是不一致的[5],使得建立具有准确性较高的无线频谱资源协作共享模型相当困难。
  针对非对称性信息条件下的频谱共享技术研究正得到研究者的关注。文献[6-9]利用频谱拍卖策略解决非对称信息的频谱共享问题,然而,当PU自身对频谱需求大或者授权信道容量低时,可用于出售或拍卖的频谱资源就非常少,难以满足频谱共享的需求。于是,基于频谱合约的共享策略进入了研究者的视野。文献[10]侧重于研究单个PU和单个SU的频谱合约共享机制以避免拍卖过程中的人为操纵;文献[11]提出了一种基于质量价格的合约以用于垄断频谱市场中的频谱交易;文献[12]研究了一种静态网络中基于合约的协作频谱共享机制;文献[13]在文献[12]的基础上,探讨了不同应用场景下单个PU与多个SU的合约设计问题;文献[14]将合约机制应用于传统频谱市场和二级市场的频谱交易;文献[15]研究频谱共享合约机制中的能量敏感度问题。然而,频谱合约签订后,由网络信息非对称性而产生道德风险问题[16]:一方面SU可能不按照合约的规  本文由WwW. 511959.com提供,511959论文网专业代写教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务,欢迎光临511959.com定提供协作中继服务,影响PU通信的质量;另一方面,PU亦可能不按照合约的规定向SU支付相应的报酬,影响协作频谱共享的实现。但是,针对基于频谱合约机制中的道德风险问题,目前尚未见国内外专门针对道德风险问题的报道和研究。
  本文将多用户协作频谱共享映射成市场环境中的劳动力市场,将基于市场驱动的合约模型引入到协作频谱共享机制中,结合通信双方的自私性需求,研究和提出对称网络信息条件下多用户协作频谱共享合约系统建模方法。在此模型基础上,针对非对称网络信息的特点,结合激励相容和个人理性的约束条件,研究不同信息非对称情况下的道德风险问题建模方法,激励双方行为以保证协作频谱共享的实现。  1 系统模型
  假设认知无线电网络中存在一个授权用户(PU)和多个非授权用户(SU),如图1所示。PU拥有授权频谱的使用权,但授权用户发射机(Primary Transmitter, PT)和授权用户接收机(Primary Receiver, PR)之间较差的信道状态,影响着PU的数据传输。M个SU的非授权用户发射机(Secondary Transmitter, ST)和接收机(Secondary Receiver, SR){STk-SRk}Mk=1均不同,每一SU都希望获得授权频带的接入机会,以传输自身的数据。于是,PU利用SU作为协作中继,通过两方协作,在PU容量提升的同时,PU也将一部分频谱资源释放给SU作为酬谢。
  在如图1所示的协作频谱共享策略中,首先,在前一半协作通信时段(T0/2)内,PU的PT向PR和SU发射机广播数据;接着,在后一半协作通信时段(T0/2)内,收到PU数据的ST利用PU分配的时空编码将PU数据中继传给PR。由于采用时空编码,因此,每一SU的中继在PU的PR处不会相互干扰[17]。最后,PU给参与协作传输的SU分配一定的时间供其接入授权频段,SU使用时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)接入该频段以保证相互之间无干扰。
  然而,PU和SU是自私的,PU希望SU以较高的功率为其传输数据,以提高PU的传输速率,而这会提高SU的能耗;SU期望能获得尽可能多的频谱资源以改善其性能,但这会降低PU的效用。为此,本文借助合约策略来解决双方利益相冲突的问题。合约参数包括SU参与协作通信的中继功率pk以及PU给予SU的接入时间tk。一旦PU与SU签订关于协作频谱共享的合约(pk,tk),双方就必须遵守合约的规定以保证协作频谱共享的实现。SU需发射足够的功率以保证在授权用户接收端能获得pk的中继功率;协作通信完成后,PU需分配SU一定的授权频带接入时间tk作为报酬。
  4 实验结果及分析
  本章通过实验分析本文提出的协作频谱合约机制性能。实验参数设置如下:T0=1s和n0=1W。
  从第2章和第3.1节的分析中可知,对称信息情况和pk隐匿tk可观测情况的最优合约设计相同,通过求解式(11),可获得PU的效用最大化。
  首先,分析最优合约策略下PU效用随R0和χN的变化情况,如图2所示。图2中实线标明PU直接通信所获得的效用。随着R0的增加,PU与SU协作频谱共享的动机将减弱。当R0足够大时,PU不会选择与SU进行协作通信。PU  本文由WwW. 511959.com提供,511959论文网专业代写教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务,欢迎光临511959.com直接通信实线将图2分成上下两个区域。当PU最大效用U*PU落到右下非中继区域时,PU将选择直接通信;当PU最大效用U*PU落到左上中继区域时,PU最优效用U*PU为χN的严格增函数,U*PU与实线的距离就是PU通过协作频谱共享增加的效用,且该增加的效用随着χN的增大而增大。因此,PU要选择雇用那些信道状态好、速率高、传输成本低的SU,以获得较高的协作频谱共享效用。
  接着,分析PU最优总时间分配与χN的关系,如图3所示。从图3可以看出,最优总时间分配随PU直接传输速率R0的增大而减小。
  当R0=0时,PU只能依赖SU的协作通信,当χN较小时,PU需要分配较多的接入时间给SU以获得所需的传输速率;当χN较大时,PU只需分配SU较少的接入时间就能获得较高的中继速率,因而,当R0=0时,最优总时间分配为χN的严格减函数。
  当R0>0时,PU分配给SU时间的动机较少,尤其在χN较小的情况下。随着χN增大,PU愿意分配较多的时间给SU以获得SU的协作通信。当χN足够大时,PU只需要分配SU较少的时间就能获得足够的中继服务,因而,最优总时间分配先随χN增加后减小。
  图4也显示出本文方法与文献[15]系统容量提升性能对比。由于PU自身都需要SU协作频谱共享,以帮助其提高通信质量,很难有用于出售的空闲频谱,因此,在这里不考虑文献[15]中PU出售给SU频谱的情况。与文献[15]相比,本文综合考虑SU用户的速率、传输代价和功率等信息以及PU直接通信的情况, χN信息更全面,系统容量整体提升得更高,因此,本文所提出的协作频谱共享合约机制,可以提高整个认知无线网络的频谱利用率。
  5 结语
  本文针对授权频谱资源不足的问题,提出多用户协作频谱共享合约机制的设计与实现。将基于市场驱动的合约模型引入到协作频谱共享机制中,结合通信双方的自私性需求,提出对称网络信息条件下多用户协作频谱  本文由WwW. 511959.com提供,511959论文网专业代写教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务,欢迎光临511959.com共享合约系统建模方法;针对非对称网络信息的特点,结合激励相容和个人理性的约束条件,研究信息非对称情况下的道德风险问题建模方法,激励非授权用户行为以保证协作频谱共享的实现。实验结果表明,本方法能在非授权用户行为隐匿情况下获得最优的协作频谱合约共享策略。本文所提出的基于频谱合约协作共享方法可为无线频谱的高效利用和资源共享提供一种新思路。
  参考文献:
  [1]HAYKIN S. Cognitive radio: brainempowered wireless communications [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2): 201-220.
  [2]ZHAO N, PU F, XU X, et al. Optimisation of multichannel cooperative sensing in cognitive radio comworks [J]. IET Communications, 2013, 7(12): 1177-1190.
  [3]SI P, JI H, YU F, et al. Optimal cooperative intercomwork spectrum sharing for cognitive radio systems with spectrum pooling [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(4): 1760-1768.

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