摘 要

在当今世界上，随着各个领域中无线电的通信需求日益增长，人们趋向于以无线的方式接入网络，无线电资源已经成为一种宝贵的不可再生的稀缺资源。然而，通过认知无线电CR(Cognitive Radio)，可以实现一种无线电资源动态分配管理的技术，提高频谱利用率，实现频谱资源的有效分配。由于用户在进行频谱共享时发射功率会对用户产生干扰，所以必须对需要一套功率控制算法对用户的发射功率进行限制

本文研究了非合作博弈论认知无线电系统的功率控制算法，首先介绍了非合作博弈论功率控制模型（NPG）和引入了线性代价函数的功率控制模型（NPGP），并且对他们进行了比较和分析。由于NPGP模型有着不能保证用户公平共享频谱的缺陷，将原有的NPGP模型进行改进，提出了一种基于非线性代价函数的非合作博弈论功率控制算法（NPGP-NL),仿真结果表明该算法在限制发射功率方面有着明显改善。

关键词：认知无线电；功率控制；博弈论

Abstract

In today's world, along with the growing need for radio communication in various fields, people tend to access the network in the form of wireless, radio resource has become a kind of precious nonrenewable scarce resources.However, the Cognitive Radio （CR） , can achieve a Radio resource dynamic allocation management of technology, improve the utilization rate of spectrum, realize effective allocation of spectrum.Due to the user in the spectrum sharing may cause interference when they transmit power to the user, so we must to need a power control algorithm for the user to limit the transmission power.
This paper studies the power control algorithm based on non-cooperative game theory in cognitive radio system.The paper first introduces the non-cooperative power control game theory model (NPG), and introduces the power control model (NPGP) of the linear cost function, and on the basis of the comparison and analysis on them.Because NPGP models have not guarantee user fair sharing spectrum defects, in order to improve the original NPGP model, this paper proposes a non-cooperative game theory based on nonlinear cost function (NPGP - NL) power control algorithm, the simulation results show that the algorithm has improved significantly in limiting transmission power

Key words: cognitive radio; power control; game theory

目 录

摘 要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究课题的发展背景以及国内外研究现状 1

1.3本课题研究的内容和工作 2

2 认知无线电功率控制技术 4

2.1 认知无线电技术的含义 4

2.2 认知无线电关键技术 5

2.2.1 频谱检测 5

2.2.2 动态频谱分配 7

2.2.3 功率控制 7

2.3 认知无线电系统中功率控制技术分析 8

2.3.1 上行链路及下行连路控制 9

2.3.2 开环功率控制及闭环功率控制 10

2.3.3 集中式功率控制和分布式功率控制 10

3 博弈论的概念及数学模型分析 11

3.1 博弈论的基本概念 11

3.2 博弈论的基本结构 11

3.3 博弈论的分类 12

3.4 纳什均衡与帕累托最优 13

3.5 超模博弈 14

4 基于博弈论的功率控制算法 15

4.1 基于非合作博弈论功率控制算法（NPG） 16

4.2 基于代价函数的NPGP算法 18

4.3 基于非线性代价函数的NPGP-NL算法 19

4.4 功率迭代算法步骤 20

4.5 三种博弈论功率控制算法仿真结果比较 20

5.总结及展望 22

致谢 23

参考文献 24

附录 26

绪论

研究背景与意义

现阶段无线通信技术的应用十分广泛，随处可见无线通信技术的应用成果，无线通信技术与我们的生产生活密不可分。在我国，存在着着全世界最为庞大的的无线通信网络系统，移动电话的用户数量超过8亿，几乎人手一台手机。无线通信技术在尖端领域也有着较为广泛的利用，譬如在制造火箭和卫星的过程中，如何保持和地面通信的有效性和可靠性是设计系统很关键的一个环节。

随着科技的进步，认知无线电网络中可以容纳更多的设备。但是频谱资源是非常有限的，接入系统的用户数目越多表明每个用户所占用的频段资源就越少。为了解决这个问题，通过给不同的用户分配不同的频段范围来保证用户之间不会产生干扰。然而随着时间的推移，暴露出来了很多问题：因为网络中接入了大量的用户，而且每个用户对数据的需求量急剧的增加，会导致通信网络的资源不够分配，造成通信质量的下降。在现有条件下，利用有限的资源解决上述问题的有效方法是找出一个拥有大容量的信道编解码方法，以便同时传输更多的信息；此外，我们也希望找到一种高效利用频谱的方法，来避免频谱资源的浪费。在这个过程中，科学家们提出了很多新的技术概念。

认知无线电技术^[1] 这个概念在这几年才逐渐走进了我们的视野，其提出的目的是解决用户数目激增的情况下，频谱资源如何合理分配的问题。换句话来说，认知无线电系统包括几个十分关键的步骤，这些步骤组建成了认知无线电系统的整体框架。认知无线电技术的主要作用是如何尽可能的提高频谱的利用率，保证频谱资源利用的最大化。

1.2 研究课题的发展背景以及国内外研究现状

Joseph博士是最先在论文中提出认知无线电概念的人^[1]。传统意义上来说，科研人员都觉得认知无线电技术是通过软件无线电发展演变而来。我们可以这么说，但是二者还是存在很大的差别。软件无线电的含义是借助软件程序的编写，人为的调控无线通信的过程。然而随着时期的流逝，软件无线电技术并不能起到很好的作用，发展逐渐放缓。其原因是人们不希望一个一尘不变的通信模式，人们更加渴望通信系统可以自主的根据当前的频谱环境来调节资源分配方法，提升整个系统的效率。

所以，人们提出了认知无线电的概念：通信设备有着收集环境信息的能力，并且能够自适应的对环境信息作出反应，选取一个最适合自己的策略，找到一种合适的算法完成自己的通信过程，并且保证不影响其他用户。