认知无线电网络资源分配

出版者:电子工业出版社

作者:徐友云

页数:256

价格:59.00元

装帧:平装

isbn号码:9787121212420

具体描述

本书主要探讨如何利用博弈论方法解决认知无线电网络的资源分配问题，重点阐述三种典型认知无线电网络应用场景（即中心式、分布式和混合式）的资源分配博弈模型、均衡解及性能分析。第1章概述认知无线电网络资源分配问题的技术背景；第2章介绍博弈论基础；第3章针对中心式认知无线电网络，给出了认知MIMO博弈预编码、认知MIMO功率控制技术和基于拍卖和契约理论的频谱分配方法及合作频谱接入的问题；第4章针对分布式认知无线电网络，阐述多跳博弈动态频谱分配、多用户协同速率分配、分布式博弈MIMO预编码等；第5章针对混合式认知无线电网络，介绍异构协商式动态频谱接入、多卖家-多买家步进式频谱接入等资源分配方法。

作者简介

序 言

在过去的数年间，数据业务对话音业务的超越一刻没有停止。多个移动网络并存和移动互联网的快速发展不仅给人们带来了更便捷、美好的生活，也使得移动通信业务的频谱缺口问题越来越严重。但与此同时，有些频段的无线电业务由于开展得不充分，频谱利用率较低，甚至还存在频谱资源闲置的状况。认知无线电的核心思想就是令无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力，被认为是未来无线通信技术的发展方向之一。

徐友云教授是我国无线通信领域的知名专家，曾参与完成了中国第一套WCDMA试验系统、中国第一套B3G宽带移动通信试验系统和中国数字电视地面传输系统的研究与开发，也是我国在认知无线电领域十分活跃的研究者之一。徐教授熟悉国内外无线通信领域的动态和最新进展，并不断将国外的先进技术和理念引入到教学、科研和研究生培养工作中。二十几年来，徐教授始终工作在教学和科研第一线，参与了国家第四代移动通信关键技术研究和相关技术标准推进工作，并担任国内多个通信学术机构和组织的专家和顾问，为我国无线移动通信技术进步和产业的发展进行着不懈的努力。

由徐友云教授领衔的团队所编著的《认知无线电网络资源分配——博弈模型与性能分析》一书共五章，内容涉及中心式、分布式和混合式认知无线电网络组网方法、优缺点分析、资源分配博弈模型、均衡解及性能分析。本书不仅汇集了博弈建模分析的经典方法，融入了编者科研成果，也反映了现阶段认知无线电领域的最新进展。书中关于频谱管理、频谱市场开放、定价、异构网间互联和普遍服务等问题的分析，都有新颖而富有启发性的见解。

在出版之际，我深切地期待该专著的出版能够引起我国通信界对认知无线电网络的关注和研究热情，增强学术研究工作的建设性和科学性，结合我国国情，创造性地加以吸收、运用。此外，正如该书提到的，它是为广大读者——学术人士和学生（高年级本科生和研究生）， 行业从业人员（设备商、运营商、电信主管人员）撰写的，因而我也期待有更多的读者从书中得到启发。我同时更期望本领域各种专著和教材的出版，能够有力地推动我国认知无线电技术的创新发展，特别是政府频谱管理政策的改革。

南京邮电大学 杨震

2013年8月28日

前 言

我们已看到一个令人振奋的事实：中国已成为世界信息与通信产业的大国。这不仅是因为中国有着巨大的潜在用户市场，而且有一大批献身信息与通信事业的优秀科研人员为之不懈奋斗。

随着无线通信技术的飞速发展，越来越多的用户以无线的方式接入互联网。在此过程中，无线频谱资源被不断划分（授权）给各种不同的通信系统使用，导致可用的频段变得越来越少，无线频谱成为越来越紧缺的资源。认知无线电的出现使得频谱的“二次利用”成为可能，从而为在频谱资源不足的情况下实现频谱动态管理、提高频谱利用率的构想开创了一个崭新的局面。

认知无线电网络频谱分配技术的主要目的是在避免对授权用户造成干扰的同时，实现认知无线电用户之间高效地、公平地共享可用频谱资源。与传统网络不同，认知无线电网络的频谱分配必须考虑三个方面的问题：一是认知无线电用户对授权用户的干扰；二是认知无线电用户之间的干扰；三是认知无线电系统的效益和用户之间的公平性。博弈论正是研究博弈行为中竞争与合作各方是否存在着最合理的行为方案，以及如何找到这个合理的行为方案的数学理论和方法。从认知无线电用户的行为和目的来看，博弈论模型可用于分析认知无线电系统中各类用户的竞争与合作行为。在基于博弈论的频谱分配模型中，博弈者既可以是所有期望获取频谱的认知无线电用户，也可以是拥有频谱所有权的授权系统。当前，基于博弈论的频谱管理方法已得到了业界的广泛关注。

本书是对作者多年从事无线通信、认知无线电前沿领域研究成果的梳理与总结，较深入地阐述了博弈论在认知无线电网络资源分配中的应用及其性能分析。 本书针对不同网络场景，将无线资源分配问题建模为各种博弈模型，对各模型相应的均衡特性、收敛算法、资源分配优化性能等逐一加以分析和讨论，其中详细的理论推导和较丰富的计算机仿真结果可为从事认知无线电网络研究和工程开发的科研人员提供一定的理论依据，也可为相关专业的高校教师、研究生进行相关领域的研究提供参考。

全书包含五章内容。第1章概括介绍认知无线电网络及其资源分配技术发展状况；第2章简要阐述与本书内容相关的博弈理论基本概念与基本原理；第3、4章分别详细讨论中心式和分布式两种场景下认知无线电网络资源分配的博弈论方法；第5章着重介绍异构网络场景下认知无线电网络资源分配博弈论方法。

徐友云教授负责本书内容与结构的策划并参与每一章的编写与校对；南京邮电大学李大鹏博士主要负责第1章和第3.4、3.5、5.1、5.3节的编写；钟卫主要负责第2章和第3.1、3.2、4.3节的编写；高林主要负责第3.3、5.2节的编写。另外，上海交通大学孙高飞博士、解放军理工大学谢威教员和田辉博士也参与了部分章节的编写工作。

本书编撰出版得到了国家973项目（2009CB320402）、江苏省自然科学基金重点项目（BK2011002）、工业和信息产业科技与教育专著出版资金的资助。

由于水平有限，成书时间也较为仓促，书中难免出现疏漏及不足之处，恳请业界专家、学者和使用本书的广大专业技术人员批评、指正。

作 者

2013年8月

目录信息

目 录
第1章 认知无线电网络概述 1
1.1 认知无线电基本概念 1
1.1.1 认知无线电的定义 1
1.1.2 认知无线电的特征 5
1.2 认知无线电关键技术 5
1.2.1 频谱感知技术 6
1.2.2 频谱分配技术 6
1.2.3 功率控制技术 7
1.3 认知无线电研究现状 8
1.3.1 国内外研究现状 8
1.3.2 标准化进程 11
1.4 认知无线电系统模型 13
1.4.1 认知无线电的体系结构 13
1.4.2 认知无线电的网络架构 16
1.5 认知无线电频谱共享模型 17
1.5.1 频谱共享方式 18
1.5.2 频谱接入方式 20
1.5.3 频谱使用方式 21
1.6 认知无线电频谱分配概述 21
1.6.1 频谱分配技术的分类 22
1.6.2 频谱分配技术的原则 23
1.6.3 频谱分配的关键技术 23
1.6.4 基于博弈论的频谱分配技术 24
1.6.5 基于竞价拍卖模型的频谱分配技术 26
第2章 博弈论基础 27
2.1 博弈论简介 27
2.1.1 博弈和博弈论 27
2.1.2 博弈的分类 27
2.2 非合作博弈 28
2.2.1 策略式博弈（Strategic Form Games） 28
2.2.2 重复博弈（Repeated Games） 31
2.2.3 S模博弈（S-modular Games） 33
2.2.4 潜博弈（Potential Games） 33
2.2.5 拍卖与契约博弈模型 36
2.3 合作博弈 39
2.3.1 合作博弈概述 39
2.3.2 联盟博弈的核 41
2.3.3 联盟博弈其他解的形式 44
2.4 博弈论应用的条件与方法 50
2.4.1 应用博弈论的方法 50
2.4.2 应用博弈论的条件 51
第3章 中心式认知无线电网络资源分配 53
3.1 功率控制博弈 54
3.1.1 收益函数与代价函数设计 54
3.1.2 认知无线网络中的功率控制博弈案例 59
3.2 博弈MIMO预编码 67
3.2.1 认知MIMO多接入系统中的机会频谱共享策略选择博弈 68
3.3 二级频谱市场模型 88
3.3.1 基于拍卖的动态频谱分配中二级用户收益最大化分析 89
3.3.2 基于契约的动态频谱接入 100
3.4 运营商合作频谱分配 120
3.4.1 联盟博弈模型 121
3.4.2 博弈核 123
3.4.3 博弈的核仁及夏普里值 124
3.4.4 不同解的概念下服务保证的最优选择 125
3.5 用户合作频谱接入 127
3.5.1 协作传输和二级频谱接入 127
3.5.2 支付转移联盟博弈模型及其解 130
3.5.3 非支付转移联盟博弈 134
3.5.4 计算博弈的解 136
3.5.5 系统的实现及仿真分析 141
第4章 分布式认知无线电网络资源分配 146
4.1 单跳认知无线电网络的动态频谱接入 146
4.1.1 系统模型描述 147
4.1.2 非合作博弈模型 148
4.1.3 均衡分析 149
4.1.4 收敛算法 152
4.2 多跳认知无线电网络的动态频谱接入 153
4.2.1 系统模型描述 153
4.2.2 混合博弈模型 154
4.2.3 均衡分析 155
4.2.4 收敛算法 162
4.2.5 性能仿真 164
4.3 多用户协同速率分配 167
4.3.1 信道模型与合作方案 167
4.3.2 接收端合作 168
4.3.3 发射机合作 171
4.4 分布式认知MIMO预编码博弈 179
4.4.1 系统模型 179
4.4.2 基于博弈论的有限反馈频谱共享策略选择 181
4.4.3 分布式算法 182
4.4.4 仿真分析 183
第5章 异构认知无线电网络资源分配 187
5.1 异构协商式动态频谱接入 187
5.1.1 系统模型描述 188
5.1.2 Stackelberg博弈建模 190
5.1.3 均衡分析 192
5.1.4 协议描述 194
5.1.5 仿真结果分析 195
5.2 多运营商异构网络中基于拍卖的动态频谱接入 196
5.2.1 频谱拍卖模型 196
5.2.2 频谱分配问题 198
5.2.3 频谱拍卖模型 199
5.2.4 步进式频谱拍卖 200
5.2.5 MAP均衡分析 204
5.2.6 仿真结果分析 208
5.3 面向服务的动态异构频谱接入 209
5.3.1 网络模型与问题阐述 210
5.3.2 相同频带服务中的频谱分配 211
5.3.3 不同频带服务的频带分配 214
5.3.4 性能评估 220
5.4 频谱云：基于会话的多跳认知无线网络频谱交易系统 221
5.4.1 网络模型 222
5.4.2 跨层限制条件下多跳认知无线网络最佳频谱交易 224
5.4.3 一种频谱交易中基于拍卖价格-速率需求比的启发式算法 228
5.4.4 性能分析 229
附录 本书中涉及的重要缩略语 234
参考文献 237
· · · · · · (收起)

用户评价

这本书的内容之丰富，分析之深入，让我不禁为作者的博学和严谨所折服。我一直对如何实现智能化的无线网络资源分配充满兴趣，而认知无线电网络正是实现这一目标的关键技术之一。这本书在“频谱接入与共享机制”方面，进行了非常详尽的阐述，例如，书中对不同共享模式（如频谱传感、频谱租用、频谱拍卖等）的优劣势进行了深入的分析，并为实际应用提供了宝贵的参考。同时，书中在“基于博弈论的资源分配”方面的讨论，也让我对如何解决不同用户之间的资源竞争和协调问题有了更深刻的理解。我尤其欣赏书中对“考虑能耗和时延的联合资源分配”的探讨，这对于构建绿色、高效的无线通信网络具有重要的意义。我能够感受到作者在内容的组织和叙述上所花费的心思，使得原本可能晦涩的技术知识，变得清晰易懂。这本书不仅仅是知识的传递，更是一种解决问题的思维方式的启迪，它鼓励我去探索更高效、更智能的网络解决方案，这对于我未来的职业发展和技术进步都将产生深远的影响。

作为一名在无线网络运营商工作的技术人员，我一直在寻找能够提升网络整体性能的解决方案，尤其是在当前频谱资源日益紧张的背景下。这本书为我提供了一个全新的思路，它详细阐述了认知无线电的核心技术，以及如何将这些技术应用于实际的网络资源分配中。我印象最深刻的是书中关于“基于联邦学习的分布式资源分配”的章节，它提供了一种在不泄露用户数据隐私的前提下，对网络资源进行协同优化的方法，这对于我们运营商来说具有极大的价值。此外，书中对不同认知无线电技术（如频谱感知、频谱共享、频谱接入等）的详细介绍，以及它们在资源分配中的具体应用，都让我受益匪浅。我能够清晰地感受到作者在梳理和组织这些复杂的技术信息时所付出的努力，使得读者能够系统地了解认知无线电网络资源分配的各个方面。这本书不仅具有理论深度，更具有很强的实践指导意义，我非常期待能够将书中的一些算法应用到我们现有的网络优化工作中，以期达到更好的网络性能。

从一个对通信理论的初学者角度来看，这本书的难度虽然不低，但其价值却远远超出了我最初的预期。我一直对无线通信领域所面临的频谱资源瓶颈问题感到担忧，而认知无线电的出现，似乎为我们指明了一条新的道路。这本书在“频谱感知的关键技术”方面，进行了非常详尽的阐述，例如，书中对各种感知算法的原理、优缺点以及适用场景的分析，都帮助我建立了一个初步的认识。更重要的是，书中在“资源分配策略”方面，也提供了多种不同的解决方案，从传统的优化算法到新兴的机器学习方法，都进行了详细的介绍。我特别喜欢书中关于“考虑用户行为和网络环境的动态资源分配”的讨论，它强调了在资源分配过程中，需要充分考虑实际情况，而不是简单地应用固定的规则。虽然有些数学推导对我来说需要花费更多的时间去理解，但我能感受到作者在力求让复杂的概念变得易于理解方面付出的努力。这本书为我打开了认知无线电世界的大门，让我对未来的无线通信技术充满了好奇和期待。

这本书的出版，对于我这样一名在学术界进行无线通信理论研究的学者来说，是一项非常有意义的贡献。认知无线电网络作为未来无线通信的重要发展方向，其资源分配问题一直是研究的焦点。这本书在这一领域的研究成果，为我们提供了一个坚实的理论基础和丰富的研究思路。我特别欣赏作者在阐述各种资源分配算法时所采用的严谨数学推导和详尽的性能分析，这对于我们进行理论验证和算法改进非常有帮助。书中对“干扰对齐”和“联合通信与感知”等前沿问题的深入探讨，更是让我看到了该领域未来的发展潜力。此外，作者还对认知无线电网络在不同应用场景（如物联网、5G/6G通信）下的资源分配进行了展望，这为我们未来的研究方向提供了宝贵的启示。这本书不仅仅是一篇学术论文的集合，它更像是一部百科全书，系统地概括了认知无线电网络资源分配的最新研究进展，对提升该领域的学术水平具有重要作用。

在我接触过的众多无线通信领域的书籍中，这本《认知无线电网络资源分配》无疑是其中最令我印象深刻的一本。它以一种非常生动且深入浅出的方式，为我揭示了认知无线电的核心奥秘，以及如何在错综复杂的无线环境中实现资源的智能分配。我尤其被书中关于“认知用户与初级用户之间的博弈论建模”所吸引，它将经济学的概念巧妙地融入了通信理论，为理解和解决频谱分配中的冲突提供了一种全新的视角。同时，书中对“基于机器学习的动态频谱接入策略”的详细讲解，让我看到了人工智能技术在无线通信领域的广阔应用前景。我能感受到作者在内容的组织和叙述上所花费的心思，使得原本可能晦涩难懂的技术知识，变得清晰易懂。这本书不仅仅是知识的传递，更是一种思维的启迪，它鼓励我去探索更高效、更智能的网络解决方案，这对于我未来的职业发展和技术进步都将产生深远的影响。

这本书无疑是为那些对无线通信领域有深入了解，并且渴望掌握前沿技术的人量身定制的。我一直对认知无线电在解决频谱短缺问题上的巨大潜力感到好奇，而这本书则将这种好奇心转化为了一套清晰的认知框架。作者在书中对“频谱感知算法的准确性和鲁棒性”的深入分析，让我意识到，准确的感知是有效资源分配的前提。书中提出的多种感知算法，如能量检测、循环平稳检测等，并对其性能进行了详细的对比分析，这为我选择合适的感知技术提供了重要的参考。此外，书中在资源分配策略方面，也涵盖了从经典优化理论到最新机器学习方法的广泛内容，例如，书中关于“基于深度学习的动态频谱共享”的探讨，就为我们应对复杂的动态网络环境提供了新的思路。我必须说，这本书的作者在将理论与实践相结合方面做得非常出色，它不仅提供了扎实的理论基础，更给出了具有指导意义的应用方法，这对于我们这些在实际工作中需要解决复杂网络问题的工程师来说，无疑是一笔宝贵的财富。

阅读这本书的过程，就像是与一位经验丰富的导师进行了一场深度对话。我一直对认知无线电在提升频谱利用率方面的潜力感到着迷，但如何将其转化为实际可行的网络资源分配方案，始终是我心中的一个难题。这本书的出现，恰好填补了我知识体系中的这一空白。作者以一种非常系统化、逻辑清晰的方式，将复杂的认知无线电理论与具体的资源分配算法相结合。我特别喜欢书中关于“博弈论在频谱共享中的应用”这一章节，它巧妙地运用了纳什均衡等概念，来解释不同频谱用户之间的协调博弈，为实现公平高效的频谱分配提供了理论依据。同时，书中也探讨了机器学习在资源分配中的作用，例如，利用支持向量机（SVM）进行频谱感知，或使用神经网络预测频谱可用性，这些前沿技术在书中的呈现，让我大开眼界。我能够感受到作者在梳理和阐述这些复杂概念时所付出的巨大努力，使得非专业人士也能相对容易地理解其中的精髓。这本书不仅仅是一本技术手册，更是一种思维方式的启迪，它让我对未来的无线通信网络充满了期待。

这本书的问世，对于我这样一个在无线通信领域摸爬滚打多年的工程师来说，无疑是一场及时雨。长期以来，我们一直在思考如何在日益拥挤的频谱资源下，最大化网络效率，提升用户体验。传统的资源分配算法，虽然在特定场景下表现良好，但在面对动态变化、高度不确定的认知无线电网络时，显得力不从心。这本书的出现，让我看到了新的希望。它深入剖析了认知无线电的核心机制，从频谱感知、频谱决策到频谱共享，每一个环节都进行了详尽的阐述。我尤其欣赏作者在资源分配策略上的创新性思考，例如，书中提出的基于强化学习的动态频谱分配算法，能够自适应地根据网络状态和用户需求进行优化，这对于解决当前网络中存在的“碎片化”和“低效利用”等问题具有重要的指导意义。此外，书中对干扰协调、用户公平性等关键问题的探讨也相当深入，为我们设计更鲁棒、更友好的网络提供了宝贵的思路。我迫不及待地想将书中的理论知识应用于实际的网络优化工作中，相信它一定能帮助我们克服许多现有的技术难题，引领我们迈向更智能、更高效的无线通信时代。

这本书的阅读体验，对我来说是一次“拨云见日”的过程。我长期以来都在思考如何才能在日益拥挤的无线频谱中，实现资源的有效分配，尤其是当网络中存在不同类型的用户，并且它们的行为模式都可能发生变化时，这个问题就变得更加棘手。这本书恰恰系统地解答了我的疑惑。书中关于“认知无线电网络中的用户公平性保障机制”的章节，让我对如何在最大化网络效率的同时，确保每个用户的基本通信需求得到了满足有了更深刻的理解。我尤其欣赏书中对“基于强化学习的自适应频谱分配”的详尽阐述，它提供了一种能够让网络自主学习并优化资源分配策略的方法，这对于应对无线通信网络中的不确定性和动态性至关重要。作者在内容的组织上非常用心，从基础概念到复杂算法，循序渐进，使得读者能够逐步掌握核心技术。这本书不仅仅是知识的堆砌，更是一种解决问题的思维方式的引导，它让我对未来的无线通信网络充满了新的想象。

这本书的章节编排非常合理，从基础概念的引入，到高级算法的探讨，层层递进，让读者能够循序渐进地掌握认知无线电网络资源分配的核心技术。我一直以来都对无线通信网络的动态性和不确定性感到困扰，而认知无线电的出现，似乎为解决这些问题提供了一种全新的视角。书中对频谱感知技术的深入分析，尤其是各种感知算法的优劣势对比，让我对如何准确、快速地探测可用频谱有了更清晰的认识。此外，在资源分配策略方面，我发现书中提出的几种基于优化理论的方法，如凸优化、半定规划等，都能够有效地解决复杂约束下的资源分配问题。我尤其欣赏作者在处理用户隐私和安全问题时的细致考量，在资源分配的过程中，如何平衡效率与隐私，这是一个非常现实且重要的问题。这本书为我们提供了一个非常全面的框架，帮助我们理解和构建下一代智能无线网络，为解决频谱短缺和网络拥堵提供了切实可行的方案。