开题报告：认知无线电网络中基于图论的频谱分配算法研究

认知无线电网络中基于图论的频谱分配算法研究报告人：杨劲松导师：曾碧卿硕士研究生学位论文开题报告目录页contents01选题背景02国内外研究进展03研究内容和计划1、选题背景频谱资源使用现状美国0-6GHz频谱资源利用率的测量结果绝大多数频段未被充分使用高频频段的频谱使用率非常低Fig.1美国0-6GHz频谱资源的使用情况频率(GHz)0-11-22-33-44-55-6利用率(%)54.435.17.60.0250.1284.6Tab.1美国0-6GHz的频谱资源利用率硕士研究生学位论文开题报告2020/3/243/161、选题背景认识无线电技术的发展频分复用时分复用蜂窝小区如何才能提高频谱利用率呢？硕士研究生学位论文开题报告2020/3/244/161、选题背景认识无线电技术提出JosephMitola在软件无线电概念的基础上提出。---认知无线电(CognitiveRadio)表述•一种智能化的软件无线电；•通过无线电知识表示语言与网络进行智能交流；---JosephMitola表述•通过与频谱环境进行交互而改变传参数；•采用动态频谱接入的方式使用授权频谱，使其具有认知和重配置能力；---FCC无线电环境（外部环境）频谱感知频谱分析传输调整干扰温度射频前端量化信道容量射频激励频谱空洞决策：传输信号推理和学习推理数据Fig.2认识循环硕士研究生学位论文开题报告2020/3/245/161、选题背景CRN频谱分配问题描述频谱分配问题可描述为：建立动态频谱共享机制空闲频谱分配给次用户避免对主用户通信造成干扰避免次用户之间的干扰优化频谱利用率Fig.3频谱分配描述硕士研究生学位论文开题报告2020/3/246/162、国内外研究进展认知无线电网络的研究国外研究机构与项目美国国防部制定的下一代通信计划（NextGenerationCommunicationProgram,XG）美国佐治亚理工学院提出了基于OFDM的认知无线电宽带频谱池系统美国加州大学伯克利分校和柏林技术大学合作研发的一种利用虚拟无许可频谱的认知无线电系统（CORVUS系统）欧洲委员会第六次框架工程中E2R项目融合端到端重配置网络和软件定义无线电美国加州大学智能网实验室研发的采用可升级的分布式频谱共享方案的Nautilus系统FCC与2005年提出了第一个基于认知无线电的标准化协议IEEE802.22，也叫无线区域网（WirelessRegionalAreaNetworks,WRAN）国内会议和基金2008年5月，北京邮电大学承办了中欧认知无线电研讨会2011年中国通信与网络国际学术会议认知无线电专题973计划、863计划和国家自然科学基金都对认知无线电进行了立项支持硕士研究生学位论文开题报告2020/3/247/162、国内外研究进展CRN频谱分配的研究CRN频谱分配的研究现状加利福利亚大学的学者将CRN中频谱分配问题抽象成图着色问题，使用图着色理论来实现对频谱的无干扰分配美国加州大学的郑海涛教授以图着色为模型，提出了一种颜色敏感图论着色算法国内电子科技大学的学者，针对计算开销与频谱数关系，提出了一中并行分配的算法弗吉尼亚理工研究所学者深入分析研究博弈理论在CRN中建模与分析等方面的可能性加利福利亚大学提出提出了一种单频段多赢家拍卖分配算法，有效的提高了拍卖的经济收益国内学者赵知劲将群智能引入到认知无线电的频谱分配领域，并验证了在该领域应用的有效性硕士研究生学位论文开题报告2020/3/248/163、研究内容和计划图论模型介绍4个主用户：Ⅰ~Ⅳ5个次用户：1~5可选信道：A,B,C图论模型•网络拓扑抽象成图，拓扑结构实时改变•顶点表示认知无线电用户•每一条边表示一对顶点存在冲突或者干扰Fig.4CRN中图论模型•空闲频谱矩阵•效益矩阵•干扰矩阵集合•无干扰的频谱分配矩阵数学模型描述分配目标•干扰的前提下最大化系统效益硕士研究生学位论文开题报告2020/3/249/163、研究内容和计划图论模型算法简介目标：最大化频谱分配数特点：基于贪心，快速收敛不足：未考虑频谱效益差异列表着色算法目标：最大化频谱效益特点：引入频段利益，考虑差异不足：运算量较大，随频谱数增加，计算量成非线性增加颜色敏感着色算法目标：多目标特点：优先给出可行解，能够跳出局部最优启发式分配算法目标：最大化频谱效益特点：分解成多个子图并行分配不足：解效益不高，必须执行完才能得到解方案并行频谱分配算法硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2410/163、研究内容和计划研究目标启发式分配模型设计启发式算法联合功率控制和用户需求•启发式算法解向量设计Fig.5解向量编码方式示例•干扰矩阵改进不同频谱下，认知用户与认知用户的干扰矩阵频谱与解向量表示的干扰矩阵作用：干扰矩阵查找操作去干扰操作硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2411/163、研究内容和计划研究目标启发式分配模型设计启发式算法联合功率控制和用户需求•干扰矩阵改进（示例）1000100100010101000000010L11100000C频段认知用户认知用户1001000110110011000100100001000011000C1去干扰矩阵：•去干扰操作1101110p0硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2412/1611Cp2=23、研究内容和计划研究目标•在认知用户容许的时延内，启发式算法搜索到的解往往能得到更优的系统效益。•模拟退火算法的概率突跳性，有利于跳出局部最优找到全局最优解。•采用多次退火过程，来提高模型搜索效率。•与其他智能算法的结合也为频谱分配提供了良好的思路。启发式分配模型设计启发式算法联合功率控制和用户需求硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2413/16Fig.6模拟退火频谱分配算法寻解示例3、研究内容和计划研究目标•现有的研究工作通常将频谱分配和功率控制分开考虑。•认识用户采用的通信功率影响着认知用户之间和主用户的干扰范围。•由于实际接入CRN中认知设备的不同，必然会有不同的频谱需求。启发式分配模型联合功率控制和用户需求设计启发式算法•如何在认知用户选择可用频谱同时考虑认知用户的功率选择。•如何针对用户的频谱需求和认知用户的功率选择设计新的效用函数。•如何设计多目标优化的分配算法，使其具有较好的系统效益，同时考量算法对于认知用户之间的公平性也非常重要。硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2414/16待解决问题3、研究内容和计划研究计划2014.05-2014.06进一步搜集频谱分配方面的资料，进行总结、归纳；2014.07-2014.08分析认知用户功率控制和频谱分配关系和约束，改进现有模型；2014.09-2014.11分析如何在频谱分配过程中兼顾用户需求因素，设计新的效用函数；2015.12-2015.02设计基于启发式算法的频谱分配算法，仿真实验，并对比；2015.02-2015.04定论文初稿；2015.04-2015.05修改论文并定稿；进度安排：硕士研究生学位论文开题报告2020/3/2415/16谢谢！