基于智能計算的認知無線電網絡頻譜分配算法研究

曹潤生 田嘉琪

摘要：隨著無線通信業務的迅速增長，有限的頻譜資源越來越搶手，同時現有的固定頻譜分配方式較難滿足通信終端對頻譜資源的需求。認知無線電技術通過感知獲取系統中的自由頻譜資源信息，并使用相應的頻譜分配算法選擇當前系統中的自由頻譜資源，供網絡用戶在系統中進行分配。頻譜分配過程中，傳統算法較難實現公平性和系統效能最大化，而對傳統算法進行智能優化往往是解決問題的有效途徑。本文將對目前認知無線電發展現狀進行分析，并通過對傳統算法及相關優化算法進行分析和敘述，以便未來更好地解決頻譜分配中的問題。

關鍵詞：認知無線電;頻譜分配;智能計算

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.13.074

1緒論

進入信息時代，人們對于無線通信需求的快速增長，導致本就十分寶貴的無線電頻譜資源變得更加緊張與稀缺。人們在對無線通信技術開展研究時，發現頻譜資源并沒有得到充分地利用，往往存在部分頻段過度擁擠、而部分頻段空閑的現象。特別是美國在進行NRT項目（國家無線網絡研究實驗床）時，實驗人員發現，低于3GHz的頻段平均綜合頻譜利用率只能達到5%左右。因此，對于如何優化分配方式和提升認知無線電頻譜這種不可再生資源的利用率，已經成為各個國家十分關心的問題。

認知無線電技術（CRT）所蘊含的巨大發展潛力引發了國內外各研究機構的普遍關注。從Joseph Mitola博士于1999年首先提出并系統性地闡述了“認知無線電”這一新概念開始，便有很多國內外的研究機構和大學便對其展開了研究。截至目前，國際上較為著名的課題研究成果有如以下項目：來自Brodersen教授的CORVUS體系，由美國DARPA研究的“下一代”項目，歐盟提出的E2R項目，Jondral教授所提出的基于OFDM的頻譜池系統等。同時，為了填補認知無線電標準化領域的空白，美國電氣與電子工程學會（IEEE）積極制定與認知無線電相關的IEEE標準，并于2004年底成立了IEEE802.22工作組。

我國對于認知無線電領域的研究相較外國進度較為落后。上世紀80年代后期，伴隨著我國對高科技的戰略需求，國內眾多知名科學家聯合提出“863”計劃（國家高技術研究發展計劃）。2005年，國家針對認知無線電技術在計劃中進行增補并設立專項研究課題，同時加大對技術的研究力度和經費支持。課題設立的三年后，國家“973”計劃（國家重點研究發展計劃）也圍繞著CRT技術的開發設立了多項課題研究，為我國無線通信領域的長足發展奠定基礎。隨著近年來認知無線電技術的普及，眾多高校如北京郵電大學、西安電子科技大學、哈爾濱工業大學等也投身其中，圍繞認知無線電頻譜分配的算法展開研究。

2認知無線電概述及頻譜分配模型

2.1認知無線電的概述

隨著科技的發展，無線電技術也有了長足的進步。認知無線電（CR）是在經歷了硬件無線電和軟件無線電迭代后形成的智能無線電技術。作為一種頻譜分配共享技術，認知無線電在處理任務時，能夠做到更加智能、精準。它可以依靠自身來識別空閑的頻譜資源并進行分配。同時，CRT具備很強的學習能力，可以對網絡環境進行感知并對自身進行針對性地修改，并結合過往頻譜分配過程中所形成的經驗規律更好地進行服務。認知無線電技術很大程度上推進了無線通信的發展。

相較于傳統的無線電技術，CRT具有以下兩點優勢能力：一是環境認知能力，正如其名一般，認知無線電技術可以對系統環境進行探測認知，感知空閑頻譜資源、分析用戶和頻譜特性、并結合特征進行頻譜分配決策;二是系統重配置能力，認知無線電技術可以在硬件條件不發生任何變動的同時對系統內頻譜的相關參數進行調整。

2.2認知無線電中的關鍵技術

科學家在研究過程中，指出認知無線電中對頻譜的感知、決策、切換與共享這四項為關鍵技術。其中：頻譜感知作為CRT的根本，可以有效地發掘到其鄰近的頻譜資源;頻譜決策可以使算法找出最符合用戶要求的空閑頻段，為其提供高質量的認知無線電服務;頻譜切換可保證頻譜發生變化時繼續保障通信;頻譜共享可以在高需求的前提下提升頻譜資源利用率，從使用角度緩解頻譜資源稀缺問題。近年來，由于頻譜利用率這一問題得到廣泛關注，因此許多研究機構都以如何共享頻譜資源為重點進行研究。

2.3常見的部分認知無線電網絡頻譜分配算法

（1）煙花爆炸算法。

基于煙花爆炸模型的頻譜分配算法的靈感來自禮花綻放的情景。該算法往往適用于連續型變量，當每個“煙花”個體爆炸時，算法將會自動開展分布式搜索，并進行大量的信息交互。與此同時，煙花爆炸半徑與產生火花數目的差異也決定了其自身信息搜索能力的差異。

（2）圖論著色算法。

基于圖論著色模型的頻譜分配算法運行時，會將待分配的用戶繪制成一張網絡拓撲圖，其中頂點代表系統中的認知無線電用戶，點與點之間連接的每一條邊代表用戶間的一條頻譜通信信道，在相應干擾和約束條件下，根據圖論著色理論原則給頂點分配顏色，進而分配系統內認知無線電頻譜資源。

（3）拍賣競價算法。

基于拍賣競價的頻譜分配算法中，授權用戶和次用戶分別充當認知無線電頻譜資源分配這場“拍賣會”的拍賣人和投標人，圍繞頻譜資源這件“商品”開展“競價拍賣”。當授權用戶有空閑頻段時，可以選擇有償轉讓使用權以此獲得一定收益，次用戶也能夠以合適的價格獲得頻段來滿足通信需求。這樣在避免資源浪費、提高利用率的同時，也為授權用戶帶來了收益。

（4）博弈論算法。

基于博弈論的頻譜分配算法適用于分布式網絡結構，將認知無線電用戶看作是博弈參與者，信道選擇看作博弈策略，最后得到信道的質量信息。整個算法依賴效益函數使用，要保證納什均衡，并確保最后結果的最優性。

3部分算法研究及優化綜述

3.1煙花爆炸算法

（1）研究方法分析。煙花爆炸算法（Fireworks Algorithm）源自非自然界，是受禮花綻放時產生火花的啟發而產生的一種算法。在算法中，每一個煙花都被視作一個可行的分配方法，進行鄰域搜索的過程類似于煙花爆炸產生火花，系統利用爆炸時產生的強大爆發性進行信息資源交互。煙花不同，則其爆炸半徑和產生的火花數也不同，這導致了煙花爆炸算法具備自我調節搜索能力的特性。煙花爆炸算法的迭代運算過程由爆炸算子、變異算子、選擇策略等部分組成，算法運行直至實現用戶分配到符合自身要求的頻譜后停止。煙花爆炸算法正如其名一般，具有隨機性、爆發性、瞬時性等特征，其算法流程如圖1所示。

（2）當前針對算法的優化。

學者在煙花爆炸算法的基礎上，對算子進行改進，并整合其他算法，以達到算法優化的目的。傳統煙花爆炸算法往往適用于連續型變量。為使算法更好地適應離散化的頻譜分配，張敏達、楊軍等人根據按需分配原則，基于煙花爆炸算法進行了優化。優化過程中，將編碼方式由十進制數改進為二進制數的0-1代碼，并對原算法中“煙花”的爆炸半徑、算法的變異算子、算法的選擇策略等方面進行改進，在運行過程中對煙花進行干擾約束，對待分配用戶個體間差異進行認知分析，分配頻譜資源時更加根據當前用戶實際情況，實現分配最優與公平最大化。

3.2基于圖論著色模型的頻譜分配算法

（1）研究方法分析。

目前，很多專家對基于圖論著色模型的頻譜分配算法進行了研究，同時該算法實際分配中也得到了諸多肯定。作為基于圖論著色模型的頻譜分配過程中存在的典型問題，也是NP難問題，“如何實現公平最大化和效益最大化”得到了研究者的重點關注。學者在研究過程中，基于原本的圖論著色模型開發出了貪婪式算法、公平式算法和顏色敏感的圖論著色算法等系列算法。

貪婪式算法會將空閑的頻譜資源優先分配給性能佳、干擾少的用戶節點，從而提高頻譜利用率，實現系統效益最大化（算法流程如圖2所示）。但運行的過程中，往往系統中連接數目越少的節點，會越“貪婪”地分配到更多的信道，導致部分節點始終無法得到頻譜資源，這樣無法保障分配過程的公平性。

為了規避上述算法的缺點，人們又改進出基于圖論著色模型的公平式算法。公平性算法使系統中各節點在分配過程中都能得到較為平均的頻譜資源，可以有效提升分配的公平性（算法流程如圖3所示）。但該算法一定程度上仍無法擺脫分配的隨機性，且算法結構復雜。但在仿真過程中發現，該算法的公平性也會隨信道數的增加而降低，不能始終保證公平性。

結合上述兩種算法的優缺點，人們在二者的基礎上，改進出了對顏色敏感的圖論著色模型算法（CSGC）。該算法在克服了貪婪性算法與公平性算法缺點的同時，更好地兼顧了分配的公平性和系統效能，為用戶提供效益更高的分配方案（算法流程如圖4所示）。但CSGC算法也存在一定的弊端，由于該算法同時段內只能針對一名用戶進行頻譜分配處理，導致其消耗的時間會隨著待分配頻段的增加而增加。

（2）當前針對算法的優化。

現行的基于圖論著色問題的算法在分配頻譜的過程中，由于無法獲取用戶需求，導致部分用戶受算法機制限制始終無法得到頻譜分配。賈杰等人通過定義干擾矩陣，在算法中提出“干擾鄰居”的概念，改進出一種優化算法。在分配頻譜時，系統會篩選待分配信道用戶，并在計算可用信道數和確認其“干擾鄰居”后，判定全部待分配用戶的優先程度，隨后根據其優先級為認知用戶分配信道。在進行算法驗證的過程中，在引入“干擾鄰居”后，可以發現在改進后的算法提升了系統接入率的同時也確保了分配公平性。

在進行信道分配過程中，除了算法本身的限制，還會受到如信道誤碼率、信噪比、帶寬等因素的限制，從而對分配的效率和公平性產生影響。于是程啟明從節點優先級角度出發，改進出了一種新的公平性優化圖論著色問題算法。在改進算法中考慮了信道因素對于分配過程的影響，分配前首先會對用戶的優先級進行計算排序，每次為當前優先級最高的用戶分配頻譜資源。隨后系統會重新計算剩余用戶的優先級，在計算中考慮信噪比、誤碼率等因素，確保分配的公平性，直至算法結束運行。優化后算法通過對用戶優先級進行了多次計算，明確了優先級的順序，彌補了不足，確保了公平性與效益最大化。

4總結

信息時代任何數據信息的傳遞都需要占用頻譜信道資源，頻譜利用率和充足程度往往決定了信息傳遞的效率。本文綜合敘述了認知無線電頻譜分配算法的發展和研究現狀，并以煙花爆炸算法和圖論著色模型算法為例，對其傳統算法及綜合優化后的算法進行分析，并從中探尋優化過程中提升公平性、計算并排列用戶優先級，認知用戶個體差異的關鍵，以便信道分配效率得到提升。

參考文獻

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基金項目：遼寧省大學生創新創業項目（201910165225）。