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认知无线网络中基于频谱合约的协作频谱共享策略研究

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随着各类无线通信设备对宽带服务需求的持续增长，无线频谱资源的需求日益增加，频谱资源匮乏问题早已成为制约无线通信领域快速发展的关键因素。为了解决这一问题，认知无线电技术通过动态的频谱管理和接入机制，允许非授权用户共享授权频带，进而达到提高频谱利用率的目的。而协作频谱共享技术作为认知无线网络中的关键技术，允许网络中的主用户和次用户之间建立合作，双方根据需要和约定进行货币交易（出售频谱）和资源交易（中继协作）来保证频谱共享。在中继协作频谱共享机制中，与基于货币交易的协作频谱共享相比，基于资源交易的协作频谱共享通过设计合约条款以激励双方的合作意愿，并在保证网络通信性的同时实现频谱资源的共享，因而已成为研究热点。在基于资源交易的协作频谱共享中，主次用户交易的是频谱和功率，交易的前提是满足双方的合约。因此，公平的合约设计是达成资源共享、利益双赢的关键，本文将该问题建模为经济学中的劳动市场，通过合约理论为主用户和次用户构建有效的合约，论文的主要工作和创新点如下：
　　1.在非对称网络信息场景下，针对多个主用户存在空闲频段的情况，提出了多个次用户基于频谱分配策略的协作频谱共享问题，并将主用户提供多个频谱接入时间、功率方案与次用户协作的问题建模为以主用户获得期望总速率最大化为目标的最优合约设计问题。通过获得频谱使用时间激励次用户的中继服务意愿，结合合约被接受概率得到主用户期望总速率最大化的优化问题，利用遗传算法得到主用户的最优合约方案（多个中继功率和频谱接入时间对）。数值仿真表明所提的合约设计方法有效提高了主用户的总期望数据传输速率，与基于匹配的DMA-UI算法相比，能够使主用户实现更高的能效和谱效。
　　2.针对主用户不存在空闲频段场景下的协作共享问题，提出了在不中断主用户可靠传输的约束下，主用户和次用户间以underlay方式共享频谱的策略。在保证次用户的数据传输大于中继服务意愿的条件下，将主用户提供中继服务阈值、功率方案与次用户协作的问题建模为使主用户获得最大平均数据传输速率的最优合约设计问题，并利用差分进化算法求解。仿真结果表明，存在最优合约设计使得次用户在满足干扰约束下积极参与中继协作并与主用户共享频谱；同时，在交易中主用户获得了协作增益，通过协作节省了发送功率，并且有效的提高了数据传输速率，进而提高了能效和谱效。

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