認知無線電網絡中的頻譜分配模型與算法

白浩　鄭麗萍

[摘要]認知無線網絡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鍵技術。文章按照不同的分類標準對頻譜分配進行了分類，并分析了不同的分配模型的優缺點，最后給出了頻譜分配算法的設計原則，可以為相關研究提供借鑒。

[關鍵詞]認知無線網絡；頻譜分配；分配模型；分配算法

1 引言

無線頻譜資源是一種緊缺的不可再生資源，現有的頻譜分配機制導致頻譜資源緊缺和浪費共存。認知無線電網絡技術是一種智能的頻譜共享技術。在認知無線電網絡中，用戶分為主用戶（授權用戶）和次用戶（認知用戶）兩類，次用戶可以在不影響主用和的前提下，機會使用空閑頻譜，從而提高頻譜使用效率。認知無線網絡的主要優勢是認知用戶可以通過機會接入頻譜資源，因此頻譜感知是其首要任務。由于通過感知獲得的頻譜資源具有時變性。需要相應的無線資源管理機制對頻譜資源進行有效管理。無線資源管理圍繞頻譜的有效利用展開。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感知到的空閑頻譜資源在認知用戶間進行有效的優化分配，滿足主用戶和次用戶的通信需求。頻譜的有效分配是無線資源管理的終極目標，具有重要的研究意義。

2 頻譜分配方法的分類

目前，頻譜分配技術的分類有多種。按照頻譜分配技術分類，可以分為靜態頻譜分配、動態頻譜分配、混合式（靜態和動態結合）頻譜分配；按網絡結構分類，可以分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配；按協作方式分類，可分為協作式頻譜分配和非協作式頻譜分配。

2.1 按照頻譜分配技術分類

按照頻譜分配方式的不同，可以分為靜態頻譜分配和動態頻譜分配。靜態頻譜分配中是指預先給用戶分配好頻譜資源，不根據用戶自身需求的變化而變化。靜態分配的方式雖然簡單，但不夠靈活，不能滿足用戶多變的需求，也造成了頻譜資源的浪費。動態頻譜分配是指根據不同用戶的需求動態對頻譜資源進行分配，可以有效的提高頻譜的利用率?；旌鲜絼t是兩種方式的結合。

2.2 按照接入方式進行分類

按照是否完全受限于授權用戶。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機會式頻譜分配，屬于“見縫插針”式接入。此接入方式下，認知用戶的頻譜分配完全受限于授權用戶的頻譜占用情況，一旦授權用戶出現，要使用該頻譜，認知用戶必須立即停止通信并釋放該頻譜。部分受限頻譜分配，也稱為覆蓋式頻譜共享。此方式下，次用戶可以使用與授權用戶完全相同的頻譜資源，只是受限于其發射功率不能對主用戶造成有害干擾。

2.3 按照網絡分類

按照網絡分類，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，由中心控制器來統一管理空閑頻譜在認知用戶中的使用，優點是能夠實現頻譜分配的全局優化。而缺點在于中心控制器需要維護過多的控制信道，運算量較大，并且有可能成為整個網絡性能的瓶頸。分布式頻譜分配中，參與頻譜分配的每個用戶都是自私的，通過自己觀察周圍環境中授權用戶的頻譜使用信息，進而根據頻譜感知結果進行分配。分布式頻譜分配方式比較靈活，但協作方式比較復雜。

2.4 按照合作方式分類

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認知用戶之間進行協作，互相交換信息、協商分配。其優點是可以逼近全局最優，但合作開銷較大。非合作式頻譜分配中，認知用戶節點是自私的，不同的認知用戶使用不同的手段滿足自身對資源的需要，不考慮其他用戶的收益。非合作式分配通信開銷比較低。但頻譜利用率難以達到最優，因此，需要綜合進行折中。

以上幾種分配機制，并不是獨立存在的，經常需要聯合起來考慮，針對特定的應用場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之間進行交易分配。提供頻譜資源的主用戶稱為頻譜賣家，需要使用頻譜的認知用戶稱為頻譜買家。買家和賣家可直接交易或通過經紀人交易。

基于拍賣的頻譜分配是頻譜交易的一種，但交易方式為拍賣。拍賣競價目的是對資源更加合理的利用與分配。頻譜拍賣將主用戶視為賣家，認知用戶視為買家，一般情況下，基站充當拍賣商，采用集中式網絡架構。在每一次拍賣中，每個投標者為滿足自己的最大化頻譜效益，由拍賣人根據最大化網絡效益來確定最終的中標者。

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。多個認知用戶之間根據自己所能獲取的資源進行博弈，尋找頻譜資源分配的最優均衡點。基于博弈論的頻譜分配方法將認知用戶的實時交互過程映射為博弈模型，將認知用戶視為博弈玩家，認知用戶的行為集合視為節點的策略集合。根據優化目標的不同選擇合適的效用函數。

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知無線網絡拓撲結構抽象成無向連接圖。其中頂點表示參與分配的次用戶，每個頂點有可用信道集合，圖的邊集則由干擾限制決定：當且僅當兩認知用戶節點不能同時使用某信道時，相應頂點用一條邊連接，稱為干擾圖。

4 頻譜分配算法的設計目標

理想的頻譜分配算法應該能夠最大化頻譜利用率或系統吞吐量。在實際應用中，還需權衡其它因素，如公平性、收斂性等。頻譜分配算法一般需要考慮幾個目標：

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

（2）公平性——最大化認知用戶的公平性，滿足通信需求。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到某種平衡：

（3）時效性——由于可用頻譜隨時間和地點而變化，頻譜分配算法必須對感知到的空閑頻段做出快速響應。因此，算法必須系統開銷及計算量。

4 結束語

認知無線電網絡為解決無線頻譜資源的緊缺問題提供了有效的解決途徑。頻譜分配是認知無線網絡的關鍵問題；有效的頻譜分配是提高頻譜資源利用率的支撐技術，也是一個具有重要研究意義的課題。