碩士學(xué)位論文認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制和頻譜分配技術(shù)研究與閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)人馮冀學(xué)科專(zhuān)業(yè)信息與通信工程指導(dǎo)教師羅新民副教授2008年05月STUDYOFPOWERCONTROLANDSPECTRUMALLOCATIONANDIMPLEMENTATIONOFCLOSELOOPPOWERCONTROLINCOGNITIVERADIOSYSTEMATHESISSUBMITTEDTOXIANJIAOTONGUNIVERSITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEOFMASTEROFENGINEERINGSCIENCEBYJIFENGINFORMATIONANDCOMMUNICATIONENGINEERINGSUPERVISORASSOCIATEPROFXINMINLUOMAY2008論文題目認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制和頻譜分配技術(shù)研究與閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)1學(xué)科專(zhuān)業(yè)信息與通信工程申請(qǐng)人指導(dǎo)教師副教授摘要認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠主動(dòng)檢測(cè)頻譜使用情況，自適應(yīng)的改變自身通信參數(shù)。在不影響授權(quán)用戶(hù)的前提下，擇機(jī)選擇授權(quán)用戶(hù)的空閑頻段進(jìn)行通信，具有靈活、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。由于認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)與授權(quán)用戶(hù)共享頻段，且授權(quán)用戶(hù)具有最高優(yōu)先級(jí)，使認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)技術(shù)具有新的特點(diǎn)。論文對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制和頻譜分配技術(shù)展開(kāi)研究，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的閉環(huán)功率控制模塊。首先，論文在分析認(rèn)知無(wú)線電自適應(yīng)、交互式?jīng)Q策過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立了功率控制的博弈論模型。針對(duì)采用非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，提出了基于函數(shù)的ARCTN功率控制博弈算法。仿真結(jié)果表明與已有算法相比，新算法在保證認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)信干噪比的前提下，提高了系統(tǒng)吞吐量。針對(duì)采用共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，改進(jìn)了效用函數(shù)，提出了基于指數(shù)懲罰系數(shù)的功率控制博弈算法。仿真結(jié)果表明新算法保障了授權(quán)用戶(hù)足夠低的掉線概率和認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的信干噪比，有效控制了發(fā)射功率。其次，針對(duì)采用OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中占用信道數(shù)和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)的矛盾，論文提出實(shí)際吞吐量的概念及基于此概念的一種最優(yōu)頻譜分配策略，并設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的最優(yōu)策略求解方法。仿真結(jié)果表明當(dāng)分配給認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的頻譜資源較少時(shí)，實(shí)際吞吐量隨著分配的頻譜資源的增多而增大。隨著占用的頻譜資源進(jìn)一步增多，與授權(quán)用戶(hù)發(fā)生沖突的概率增大，實(shí)際吞吐量反而呈單調(diào)下降趨勢(shì)。論文提出的策略對(duì)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)占用信道數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)性能。最后，論文在調(diào)試認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)射頻模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)功率控制模塊。調(diào)試結(jié)果表明在射頻模塊工作正常的基礎(chǔ)上，本模塊能夠?qū)Πl(fā)射功率進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制；在移動(dòng)情況下，能夠?qū)π诺涝鲆娴淖兓龀黾皶r(shí)補(bǔ)償，保障了接收端足夠高的信噪比和足夠低的誤碼率。關(guān)鍵詞認(rèn)知無(wú)線電；博弈論；功率控制；頻譜分配；閉環(huán)論文類(lèi)型應(yīng)用研究本研究得到國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）（編號(hào)2005AA123910），陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)2006F41），陜西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2005K04G11）資助。TITLESTUDYOFPOWERCONTROLANDSPECTRUMALLOCATIONANDIMPLEMENTATIONOFCLOSELOOPPOWERCONTROLINCOGNITIVERADIOSYSTEM2SPECIALITYINFORMATIONANDCOMMUNICATIONENGINEERINGAPPLICANTJIFENGSUPERVISORASSOCIATEPROFXINMINLUOABSTRACTCOGNITIVERADIOTECHNOLOGYCANDETECTTHEUTILIZATIONOFTHESPECTRUMINITIATIVELY,ANDCHANGEITSCOMMUNICATIONPARAMETERSADAPTIVELYONTHEPREMISEOFNOPREJUDICETOLICENSEDUSERS,COGNITIVERADIOCANCHOOSETHEIDLESPECTRUMOFLICENSEDUSERSTOCOMMUNICATEINPROPEROPPORTUNITIESFORITSADVANTAGESOFAGILITY,ANDHIGHSPECTRUMUTILIZATION,COGNITIVERADIOHASBEENCONCERNEDWIDELYBYTHESCHOLARSATHOMEANDABROADBECAUSELICENSEDUSERSSHARESPETRUMRESOURCEWITHCOGNITIVEUSERSANDHAVETHEHIGHESTPRIORITY,THETECHNOLOGIESINCOGNITIVERADIOHAVENEWCHARACTERISTICSTHETECHNOLOGIESOFPOWERCONTROLANDSPECTRUMALLOCATIONINCOGNITIVERADIOSYSTEMSISRESEARCHED,ANDCLOSELOOPPOWERCONTROLMODULEINCOGNITIVERADIOEXPERIMENTALSYSTEMISDESIGNEDANDIMPLEMENTEDINTHISTHESISFIRSTLY,BASEDONTHEANALYSISOFADAPTIVEANDINTERACTIVEDECISIONPROCESSINCOGNITIVERADIO,AGAMETHEORYMODELOFPOWERCONTROLISESTABLISHEDAIMEDATCOGNITIVERADIOSYSTEMBASEDONEXCLUSIVEMODEL,APOWERCONTROLGAMEALGORITHMBASEDONARCTANFUNCTIONISPROPOSEDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATNEWALGORITHMNOTONLYGUARANTEESTHECOGNITIVEUSERSSINR,BUTALSOIMPORVESTHESYSTEMTHROUGHPUTCOMPAREDWITHOTHERALGORITHMSAIMEDATCOGNITIVERADIOSYSTEMBASEDONCOMMONMODEL,THEUTILITYFUNCTIONISIMPROVED,ANDAPOWERCONTROLGAMEALGORITHMBASEDONEXPONENTCHASTISEMENTFACTORISPROPOSEDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATNEWALGORITHMGUARANTEESTHESINROFCOGNITIVEUSERSANDLOWENOUGHOUTAGEPROBABILITYOFLICENSEDUSERS,ANDTHETRANSMITTINGPOWERISCONTROLLEDEFFECTIVELYSECONDLY,AIMEDATTHECONTRADICTIONBETWEENNUMBEROFOCCUPIEDCHANNELSANDTIMECOSTINOFDMCOGNITIVERADIOSYSTEMAGOODPUTCONCEPTANDANOPTIMALSPECTRUMALLOCATIONSTRATEGYBASEDONTHISCONCEPTAREPROPOSEDANDAMETHODBASEDONGENETICALGORITHMFORTHESOLUTIONOFTHEOPTIMALSTRATEGYISDESIGNEDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATWHENTHESPECTRUMRESOURCEALLOCATEDTOTHECOGNITIVEUSERSISSMALL,THEGOODPUTINCREASESWITHTHEINCREASEOFALLOCATEDSPECTRUMRESOURCEWHENTHEOCCUPIEDSPECTRUMRESOURCEBYCOGNITIVETHISRESEARCHWASFUNDEDBYTHENATIONALHIGHTECHRESEARCHANDDEVELOPMENTPLAN（”863”P(pán)LAN）（NO2005AA123910）,SHAANXIPROVINCENATURALSCIENCEFUND（NO2006F41）ANDSHAANXIPROVINCESCIENTIFICANDTECHNOLOGICALPLAN（NO2005K04G11）USERSINCREASESFURTHER,THECONFLICTPROBABILITYTOLICENSEDUSERSINCREASES,ANDTHEGOODPUTDECREASESMONOTONICALLYWITHTHEINCREASEOFALLOCATEDSPECTRUMRESOURCETHISSTRATEGYPROPOSEDINTHETHESISOPTIMIZESTHENUMBEROFOCCUPIEDCHANNELSBYCOGNITIVEUSERS,ANDIMPROVESTHEOFDMCOGNITIVERADIOSYSTEMPERFORMANCEFINALLY,CLOSELOOPPOWERCONTROLMODULEINCOGNITIVERADIOEXPERIMENTALSYSTEMISDESIGNEDANDIMPLEMENTEDBASEDONDEBUGGINGOFRFMODULEINEXPERIMENTALSYSTEMTHEDEBUGGINGRESULTSSHOWTHATTRANSMITTINGPOWERCANBECONTROLLEDACCURATELYANDINREALTIMEBYTHISMODULEBASEDONRFMODULESNORMALOPERATIONWHENTHEEXPERIMENTALTERMINALISMOVING,THECHANGEOFCHANNELGAINCANBECOMPENSATEDINTIME,ANDSNRANDBERINRECEIVERCANBEGUARANTEEDKEYWORDSCOGNITIVERADIOGAMETHEORYPOWERCONTROLSPECTRUMALLOCATIONCLOSELOOPTYPEOFTHESISAPPLIEDRESEARCH目錄1緒論111選題背景及意義112認(rèn)知無(wú)線電的定義及研究現(xiàn)狀213論文完成工作與結(jié)構(gòu)安排32博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用521博弈論概述5211博弈論的定義5212博弈論的基本模型及分類(lèi)6213納什均衡的分析和求解722博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用10221認(rèn)知無(wú)線電的交互作用10222博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用11223認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法的博弈論建模1223本章小結(jié)133基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法1431現(xiàn)有的基于博弈論的功率控制算法14311SINR平衡算法14312SARAYDARMANDAYAM算法15313KOSKIEGAJIC算法16314現(xiàn)有算法小結(jié)1732基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法17321基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)模型17322算法的博弈論建模19323納什均衡求解和算法流程22324算法收斂性證明2433基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法25331干擾溫度的提出背景和基本概念25332基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)模型27333算法的博弈論建模28334納什均衡求解和算法流程30335算法收斂性證明3034仿真實(shí)驗(yàn)及分析32341基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法32342基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法3835本章小結(jié)414基于實(shí)際吞吐量的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略4341問(wèn)題描述4342系統(tǒng)模型43421基于OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)43422通信模型4443基于實(shí)際吞吐量的頻譜分配策略46431實(shí)際吞吐量46432傳輸時(shí)間損失率47433遺傳算法求解4844仿真實(shí)驗(yàn)及分析4945本章小結(jié)505認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)5151認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述5152閉環(huán)功率控制的原理5253閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)方案52531工作流程52532硬件系統(tǒng)及其接口53533幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要參數(shù)5754閉環(huán)功率控制的軟件設(shè)計(jì)5955調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果62551射頻調(diào)試結(jié)果62552閉環(huán)功率控制調(diào)試結(jié)果6456本章小結(jié)666結(jié)論與展望6761論文總結(jié)6762下一步工作展望68致謝70參考文獻(xiàn)71攻讀學(xué)位期間取得的研究成果74聲明CONTENTS1PREFACE111TOPICSIGNIFICANCEANDBACKGROUND112DEFINITIONOFCOGNITIVERADIOANDSTATUSQUOOFRESEARCH213MAINWORKANDSTRUCTUREOFTHESIS32GAMETHEORYANDITSAPPLICATIONINCOGNITIVERADIO521SUMMARIZATIONOFGAMETHEORY5211DEFINITIONOFGAMETHEORY5212MODELSANDCATEGORIESOFGAMETHEORY6213ANALYSISANDSOLUTIONOFNASHEQUILIBRIUM722APPLICATIONOFGAMETHEORYINCOGNITIVERADIO10221INTERACTIONSOFCOGNITIVERADIO10222APPLICATIONOFGAMETHEORYINCOGNITIVERADIO11223MODELINGOFPOWERCONTROLBASEDONGAMETHEORYINCOGNITIVERADIO1223BRIEFSUMMARY133POWERCONTROLALGORITHMSBASEDONGAMETHEORYINCOGNITIVERADIO1431CURRENTPOWERCONTROLALGORITHMSBASEDONGAMETHEORY14311SINRBALANCEALGORITHM14312SARAYDARMANDAYAMALGORITHM15313KOSKIEGAJICALGORITHM16314SUMMARIZATIONOFCURRENTALGORITHMS1732POWERCONTROLALGORITHMINCOGNITIVERADIOSYSTEMOFEXCLUSIVEMODEL17321COGNITIVERADIOSYSTEMBASEDONEXCLUSIVEMODEL17322MODELINGOFPOWERCONTROLALGORITHMBASEDONGAMETHEORY19323NASHEQUILIBRIUMSOLUTIONANDALGORITHMPROCEDURE22324PROOFOFALGORITHMCONVERGENCE2433POWERCONTROLALGORITHMINCOGNITIVERADIOSYSTEMOFCOMMONMODEL25331BACKGROUNDANDBASICCONCEPTSOFINTERFERENCETEMPERATURE25332COGNITIVERADIOSYSTEMBASEDONCOMMONMODEL27333MODELINGOFPOWERCONTROLALGORITHMBASEDONGAMETHEORY28334NASHEQUILIBRIUMSOLUTIONANDALGORITHMPROCEDURE30335PROOFOFALGORITHMCONVERGENCE3034SIMULATIONSANDANALYSISES32341POWERCONTROLALGORITHMINCOGNITIVERADIOSYSTEMOFEXCLUSIVEMODEL32342POWERCONTROLALGORITHMINCOGNITIVERADIOSYSTEMOFCOMMONMODEL3835BRIEFSUMMARY414ASPECTRUMALLOCATIONSTRATEGYBASEDONGOODPUT4341PROBLEMDESCRIPTION4342SYSTEMMODEL43421COGNITIVERADIOSYSTEMSBASEDONOFDM43422COMMUNICATIONMODELSOFLICENSEDUSERSANDCOGNITIVEUSERS4443ASPECTRUMALLOCATIONSTRATEGYBASEDONGOODPUT46431GOODPUT46432LOSSRATIOOFTRANSMITTINGTIME47433SOLUTIONOFGENETICALGORITHM4844SIMULATIONSANDANALYSISES4945BRIEFSUMMARY505IMPLEMENTATIONOFCLOSELOOPPOWERCONTROLINCOGNITIVERADIOSYSTEM5151SUMMARIZATIONOFCOGNITIVERADIOEXPERIMENTALSYSTEM5152PRINCIPLEOFCLOSELOOPPOWERCONTROL5253IMPLEMENTATIONPROJECTOFCLOSELOOPPOWERCONTROL52531WORKFLOW52532HARDWARESYSTEMANDINTERFACES53533DESIGNOFFRAMESTRUCTUREANDWORKINGPARAMETERS5754SOFTWAREDESIGNOFCLOSELOOPPOWERCONTROL5955DEBUGGINGANDRESULTSOFEXPERIMENTATION62551DEBUGGINGANDRESULTSOFRADIOFREQUENCY62552DEBUGGINGANDRESULTSOFCLOSELOOPPOWERCONTROL6456BRIEFSUMMARY666CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS6761CONCLUSION6762EXPECTATION68ACKNOWLEDGEMENTS70REFERENCES71ACHIEVEMENTS74DECLARATION在每一章的末尾插入下一章的MATHTYPE的章標(biāo)記（打印前將其字體顏色變?yōu)榘咨?，在打印預(yù)覽中看不見(jiàn)即可）EQUATIONCHAPTER1SECTION11緒論11選題背景及意義近年來(lái)，隨著人們對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的不斷提高，各種無(wú)線通信技術(shù)得到前所未有的迅猛發(fā)展。在此過(guò)程中，無(wú)線頻譜空間被劃分給各種不同的通信技術(shù)使用，在大多數(shù)國(guó)家3GHZ以下的頻段幾乎全部分配給了已授權(quán)的無(wú)線通信系統(tǒng)（或稱(chēng)為授權(quán)用戶(hù)（LICENSEDUSER）1。一方面，這種固定的頻譜劃分方式使得可用頻譜資源變得越來(lái)越少。另一方面，已授權(quán)頻帶的不同頻段頻譜利用率相差懸殊，一些頻段使用得非常頻繁，而另一些頻段大部分時(shí)間內(nèi)卻沒(méi)有用戶(hù)使用，整體上來(lái)看目前頻譜利用率低下。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FEDERALCOMMUNICATIONSCOMMISSION,FCC）的下屬機(jī)構(gòu)SPTF（SPECTRUMPOLICYTASKFORCE）的報(bào)告2表明，目前美國(guó)的無(wú)線頻譜資源利用率一般介于15到85之間；另有文獻(xiàn)表明34GHZ頻帶利用率只有05，45GHZ頻帶利用率下降到033?？梢钥闯鲱l譜資源的緊張的一個(gè)重要原因是當(dāng)前的這種頻譜分配和管理方式限制了已授權(quán)的空閑頻段被非授權(quán)用戶(hù)使用。為了解決這種效率低下的頻譜管理方式與不斷增長(zhǎng)的頻譜資源需求之間的矛盾，JOSEPHMITOLA博士于1999年提出的認(rèn)知無(wú)線電（COGNITIVERADIO,CR）的概念得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。他描述了認(rèn)知無(wú)線電如何通過(guò)一種“無(wú)線電知識(shí)表示語(yǔ)言”（RADIOKNOWLEDGEREPRESENTATIONLANGUAGE,RKRL）的新語(yǔ)言提高個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性4。FCC于2003年12月發(fā)出以最佳方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的提議5,6，結(jié)合軟件定義無(wú)線電方法，以自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享頻譜資源的頻譜管理和利用。由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)建立在對(duì)已授權(quán)頻段利用的基礎(chǔ)上，因此下列幾個(gè)問(wèn)題需要研究如何保證授權(quán)用戶(hù)不受認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)影響；如何保障認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)通信質(zhì)量，提高認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)容量；如何合理利用有限的頻譜資源，并對(duì)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)功率進(jìn)行有效控制。功率控制和頻譜分配技術(shù)是無(wú)線資源管理（RADIORESOURCEMANAGEMENT,RRM）中的關(guān)鍵內(nèi)容7。發(fā)射功率和頻譜資源如果得到有效利用，就能夠使認(rèn)知用戶(hù)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的干擾減小，同時(shí)使認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的容量增加、通信質(zhì)量改善。因此如何設(shè)計(jì)在各種工作機(jī)制下的功率控制算法，如何確定合理的頻譜分配準(zhǔn)則來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能，是認(rèn)知無(wú)線電研究中的重要內(nèi)容。當(dāng)前，博弈論（GAMETHEORY）應(yīng)用于功率控制問(wèn)題成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。博弈論著重于緊缺資源的分布式求解，算法復(fù)雜度低，求解過(guò)程簡(jiǎn)單，所需全局信息較少，適合于應(yīng)用到認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中。同時(shí)，為了更好的驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線電的功能，在已有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)功率控制功能是十分必要和有益的。這將為以后實(shí)驗(yàn)終端的組網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)禮儀協(xié)議等功能打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。12認(rèn)知無(wú)線電的定義及研究現(xiàn)狀1999年，MITOLA博士在他的文章8中首次指出認(rèn)知無(wú)線電是“一種具有通過(guò)基于模型的推理來(lái)實(shí)現(xiàn)通信相關(guān)性能的能力的無(wú)線電設(shè)備”。隨后在他的博士論文9中，提出了認(rèn)知循環(huán)（COGNITIONCYCLE，CC）的概念，并且對(duì)各模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。FCC在2002年成立了SPTF小組專(zhuān)門(mén)研究提高頻譜資源利用率的方法，給出了一個(gè)基于干擾溫度（INTERFERENCETEMPERATURE）的認(rèn)知無(wú)線電定義2。并從發(fā)射端具體操作的角度指出認(rèn)知無(wú)線電是“一個(gè)能夠通過(guò)與外部環(huán)境交互信息來(lái)調(diào)整自己通信參數(shù)的無(wú)線電設(shè)備”10。德國(guó)的FATIHCAPAR等人給出了一種比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知無(wú)線電定義11，即認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)可以檢測(cè)出某個(gè)頻段的授權(quán)用戶(hù)是否正在發(fā)射信號(hào)，如果有則認(rèn)為有授權(quán)用戶(hù)在使用該頻段，如果沒(méi)有則認(rèn)為可以利用這個(gè)頻段來(lái)傳送信息。同時(shí)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)還必須保證，在它使用授權(quán)頻段的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶(hù)重新開(kāi)始工作，應(yīng)能夠立即停止對(duì)該頻段的使用，對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生盡可能小的干擾。繼MITOLA博士于1999年首先提出認(rèn)知無(wú)線電的概念后，他以及其他組織和學(xué)者在認(rèn)知無(wú)線電理論和技術(shù)方面不斷取得新的成果。UCBERKLEY大學(xué)的研究人員通過(guò)利用一些現(xiàn)有的軟件無(wú)線電平臺(tái)基本驗(yàn)證了由CAPAR等人提出的簡(jiǎn)化的認(rèn)知無(wú)線電定義。FCC于2004年5月開(kāi)始考慮允許認(rèn)知無(wú)線電可以在不對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生有害干擾的情況下使用電視頻段12。IEEE于2004年10月成立了80222工作組開(kāi)始著手研究和制定工作于電視頻段的、基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)（WIRELESSREGIONALAREANETWORK，WRAN）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)13。從2005年開(kāi)始，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)能看到不少關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)的研究思路和成果。國(guó)家“十一五”863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃申請(qǐng)項(xiàng)目指南中已經(jīng)將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)列為一項(xiàng)關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。本文作者所在的課題組在863項(xiàng)目資助下，在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、禮儀與協(xié)議、授權(quán)用戶(hù)檢測(cè)等方面取得了一定的成果。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制的方式提高單個(gè)鏈路的性能取得了一定的研究成果。然而，由于認(rèn)知無(wú)線電具有感知環(huán)境的能力，使得一條鏈路參數(shù)的改變將改變其他鏈路的用戶(hù)正在感知的無(wú)線環(huán)境，有可能導(dǎo)致新的自適應(yīng)調(diào)整發(fā)生，如此反復(fù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶(hù)動(dòng)態(tài)的調(diào)整和相互依存關(guān)系給認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)性能的分析帶來(lái)了很大困難。JAMESNEEL提出使用結(jié)合博弈論的方法來(lái)分析這一問(wèn)題14，尤其在多個(gè)用戶(hù)的功率控制問(wèn)題上得到了很好的效果。起源于經(jīng)濟(jì)學(xué)的博弈論是一種對(duì)緊缺資源的系統(tǒng)分布式配置問(wèn)題的求解方法。使用該理論分析通信網(wǎng)絡(luò)的功率控制、頻譜管理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成等問(wèn)題取得了豐富的研究成果1524。近年來(lái)，眾多學(xué)者在功率控制領(lǐng)域做出了許多成果。主要目的是減小共道干擾，保證用戶(hù)的信干噪比（SIGNALTOINTERFERENCEPLUSNOISERATIO,SINR），從而使系統(tǒng)具有更高的信道利用率和服務(wù)質(zhì)量（QUALITYOFSERVICE,QOS）保障。以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功率控制為例。FOSCHINI和MILJANIC等人提出了基于信干噪比平衡的功率控制分布式算法，并討論了其收斂條件15。FAMOLARI和MANDAYAM提出了干擾方程（INTERFERENCEFUNCTION）的概念，研究了功率控制迭代算法收斂的條件16。YATES等人較早研究了在上行鏈路中影響功率控制問(wèn)題的若干因素17。ALPCAN在功率控制中引入了支付函數(shù)，并提出了兩種上行鏈路中的改進(jìn)算法18。以美國(guó)伊利諾理工大學(xué)的DAVIDJGOODMAN教授為代表的國(guó)外學(xué)者和組織，自1998后相繼發(fā)表了一系列文章19,20,23。SARAYDAR和MANDAYAM等人改進(jìn)了用于多小區(qū)的分布式功率控制技術(shù)，提出了發(fā)射功率的“價(jià)格”概念，并將之作為一種影響用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)行為的控制機(jī)制19。SHAH和SARAYDAR等人在另外兩篇文獻(xiàn)中詳細(xì)討論了基于效用函數(shù)（UTILITYFUNCTION）和價(jià)格函數(shù)（PRICEFUNCITON）的功率控制機(jī)制，并談到了關(guān)于帕累托改進(jìn)（PARETOIMPROVEMENT）的問(wèn)題20,23。KOSKIE和GAJIC在引入價(jià)格函數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)信干噪比平衡算法進(jìn)行了改進(jìn)，在犧牲很小的信干噪比損失的前提下大幅降低了發(fā)射功率24。此外，一些學(xué)者將博弈論應(yīng)用于功率與傳輸速率聯(lián)合控制、功率控制與頻譜接入、功率控制與波束成形，功率控制與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成等相結(jié)合，取得了寶貴的成果2528。認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜分配是指根據(jù)需要接入系統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)數(shù)目及其服務(wù)要求將頻譜分配給一個(gè)或多個(gè)指定用戶(hù)。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶(hù)因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。德國(guó)KARLSRUHE大學(xué)FIEDRICHJONDRAL教授提出了頻譜共享池（SPECTRUMPOOLING）模型29。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了下一代XG計(jì)劃（NEXTGENERATION,XG），其中實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜分配是該計(jì)劃的主要目標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在具體的頻譜分配算法方面取得了一些成果3032。但在如何確定占用的信道數(shù)方面研究較少。本論文將對(duì)這一頻譜分配策略展開(kāi)研究。13論文完成工作與結(jié)構(gòu)安排在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助下，本文作者參與了“認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)（2005AA123910）”項(xiàng)目的研究工作。主要完成的工作如下1）提出認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)交互式?jīng)Q策過(guò)程。該過(guò)程可通過(guò)非合作博弈方法求解。并由此建立了認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制博弈論模型。2）針對(duì)基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，根據(jù)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)對(duì)信干噪比的滿意度特點(diǎn)，提出了一種新的效用函數(shù)。設(shè)計(jì)了一種基于非合作博弈的功率控制算法并證明其收斂性。證明了該博弈中納什均衡解的存在性和唯一性。通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的收斂性和穩(wěn)定性，討論了各個(gè)參數(shù)對(duì)算法性能的影響，并與其他算法的性能進(jìn)行了比較。3）在以上工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，改進(jìn)了效用函數(shù)，引入了基于指數(shù)懲罰系數(shù)的價(jià)格函數(shù)，設(shè)計(jì)了新的基于非合作博弈功率控制算法并證明其收斂性。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法收斂性、穩(wěn)定性和對(duì)授權(quán)用戶(hù)的有效保護(hù)。4）提出了一種認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略。推導(dǎo)了實(shí)際吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并分析了物理概念。設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的最優(yōu)策略求解方法。通過(guò)仿真驗(yàn)證了實(shí)際吞吐量與所分配子信道數(shù)的關(guān)系和最優(yōu)策略求解方法的有效性。5）負(fù)責(zé)了認(rèn)知無(wú)線電硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)射頻發(fā)射、接收模塊的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，并與基帶和中頻模塊實(shí)現(xiàn)了成功對(duì)接。在射頻聯(lián)調(diào)成功基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制方案。本論文的結(jié)構(gòu)安排如下第一章，緒論。本章介紹了選題的背景和意義，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的定義與研究現(xiàn)狀，論文完成的主要工作和論文結(jié)構(gòu)安排。第二章，博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用。本章介紹了博弈論的基本概念、基本模型、分類(lèi)和求解方法，分析了認(rèn)知無(wú)線電的交互作用和博弈論在其中的應(yīng)用，建立了認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法的博弈模型。第三章，基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法。本章首先介紹了已有的功率控制博弈算法。分別針對(duì)基于非共享機(jī)制和共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，提出了新的效用函數(shù)模型，設(shè)計(jì)了新的功率控制博弈算法，對(duì)算法收斂性給出了證明。最后對(duì)兩種新算法給出了仿真結(jié)果和分析。驗(yàn)證了算法收斂性，分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)算法性能的影響，并與已有算法的性能進(jìn)行了比較。第四章，基于實(shí)際吞吐量的認(rèn)知無(wú)線電頻譜分配策略。本章首先提出了采用OFDM技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)最優(yōu)占用信道數(shù)的策略選擇問(wèn)題。推導(dǎo)了實(shí)際吞吐量的概念，設(shè)計(jì)了策略選擇算法。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了實(shí)際吞吐量與分配信道數(shù)的關(guān)系和策略選擇算法的有效性。第五章，認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制實(shí)現(xiàn)。本章首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本情況和閉環(huán)功率控制的原理。接著給出了閉環(huán)功率控制的實(shí)現(xiàn)方案和各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程。最后在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上予以實(shí)現(xiàn)。第六章，結(jié)論與展望?？偨Y(jié)論文完成的工作和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，指出存在的問(wèn)題以及以后的研究方向。EQUATIONCHAPTERNEXTSECTION12博弈論及其在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用21博弈論概述211博弈論的定義在人類(lèi)的生活生產(chǎn)活動(dòng)中，經(jīng)常需要針對(duì)不同問(wèn)題研究對(duì)策。然而某些問(wèn)題的決策不僅決定于可選對(duì)策對(duì)決策人帶來(lái)的收益，也決定于此決策對(duì)其他竟?fàn)帉?duì)手產(chǎn)生的影響，這種時(shí)候決策者往往處于進(jìn)退兩難的境地。博弈論在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。博弈論，也稱(chēng)對(duì)策論，是研究決策主體的行為發(fā)生直接相互作用時(shí)候的決策以及這種決策的均衡問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)主體的決策受到其他人決策的影響，而且又反過(guò)來(lái)影響其他人的決策時(shí)，這種決策和均衡問(wèn)題就需要用博弈論的方法來(lái)解決33。眾多學(xué)者給博弈論下的定義也不盡相同，比如1）博弈論提供了一種在相互作用的決策條件下建模和分析的框架及語(yǔ)言，該決策條件是指有著（部分）相互沖突目標(biāo)的多個(gè)決策者互相產(chǎn)生影響34。2）博弈論是研究博弈情景下博弈參與者的理性行為選擇的理論；或者說(shuō)，是關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)者如何根據(jù)環(huán)境和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況變化，采取最優(yōu)策略和行為的理論35。3）博弈論是一個(gè)分析工具包，它被設(shè)計(jì)用來(lái)幫助我們理解所觀察到的決策主體相互作用的現(xiàn)象36。盡管關(guān)于博弈論的定義在描述上有些許區(qū)別，但其本質(zhì)意義是一致的，即博弈論是在決策者具有相互沖突目標(biāo)或交互作用條件下的一種策略選擇理論。博弈論與常規(guī)的優(yōu)化決策理論的不同之處在于博弈論中參與者在利益上有沖突；參與者要各自做出優(yōu)化決策，并企圖使個(gè)人的利益最大化；每個(gè)人的決策和他人之間有相互作用，即他人的決策會(huì)影響某個(gè)人，而某個(gè)人的決策也會(huì)影響他人；在博弈論中一般假定參與決策的個(gè)體均為“理性的（RATIONAL）”，從而進(jìn)行理智的邏輯思維。博弈論中的所謂“理性”，一般不是指道德標(biāo)準(zhǔn)。以博弈的參與者的眼光來(lái)看，他們?cè)噲D去實(shí)施自己認(rèn)為可能是最好的行為，盡管這種行為有可能損害了其他的參與者。因此“理性行為”似乎有點(diǎn)“利己”，而“不管是否損人”。由于參與者的相互依存性，博弈中一個(gè)理性的決策必定建立在預(yù)測(cè)其他參與者的反應(yīng)之上。這意味著參與者應(yīng)該清楚地知道自己的目標(biāo)和利益，在博弈中針對(duì)其他參與者的策略盡可能地選擇能使自己收益最大化的策略。這樣，博弈中任何一個(gè)參與者的決策不僅會(huì)影響其他參與者的選擇，也會(huì)影響博弈最終的結(jié)果。我國(guó)古代著名的“田忌賽馬”可以看作是最早的博弈論應(yīng)用案例。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，博弈理論始于1944年馮諾依曼（JOHNVONNEUMANN）和經(jīng)濟(jì)學(xué)家摩根斯坦（OSKARMORGENSTERN）合作的博弈論與經(jīng)濟(jì)行為（THETHEORYGAMESANDECONOMICBEHAVIOR）一書(shū)。在上個(gè)世紀(jì)50年代，納什（NASH）為非合作博弈的一般理論奠定了基礎(chǔ)，他提出了博弈論中最重要的概念納什均衡（NASHEQUILIBRIUM），開(kāi)辟了博弈論的一個(gè)全新領(lǐng)域。他規(guī)定了非合作博弈的形式，定義了著名的“納什均衡點(diǎn)”37。此后四十余年里，大量學(xué)者致力于發(fā)展“納什均衡點(diǎn)”理論，探討其實(shí)際應(yīng)用的可能性。到了20世紀(jì)80年代后期，博弈論進(jìn)入繁榮時(shí)期，產(chǎn)生了許多研究成果，博弈論的應(yīng)用范圍也不只是經(jīng)濟(jì)學(xué)的一個(gè)分支，而成為一種方法論，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。212博弈論的基本模型及分類(lèi)博弈論自產(chǎn)生到發(fā)展至今已形成了較成熟的理論體系，它具有其自身的基本模型。一個(gè)完整的博弈過(guò)程用以下5個(gè)方面來(lái)描述。GN,ASI,U1）參與者N在英文中譯為PLAYER，也可稱(chēng)為博弈方，是參與博弈的直接當(dāng)事人，是博弈的決策主體和策略制定者。其中，表示該博弈中有個(gè)參與者。在不同的1,23,N博弈中參與者的含義是不同的，既可以是個(gè)人也可以是團(tuán)體或者集團(tuán)，關(guān)鍵在于這些參與者是為了一個(gè)共同的目標(biāo)和利益參與博弈的。2）博弈策略A在英文中譯為ACTION，參與者可選擇的全部行為或策略的集合。即規(guī)定每個(gè)參與者在進(jìn)行決策時(shí)（同時(shí)或先后，一次或多次）可以選擇的方法、做法或經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的水平、量值等。它是參與者進(jìn)行博弈的工具和手段，每個(gè)策略集合至少應(yīng)該有兩個(gè)不同的策略。所有參與者策略集合的笛卡爾積構(gòu)成了博弈的策略空間，12NA其中，表示參與者可以選擇的策略集合。12IMA,AI3）博弈次序S在英文中譯為STRATEGY。在現(xiàn)實(shí)的各種決策活動(dòng)中，當(dāng)存在多個(gè)獨(dú)立參與者進(jìn)行決策時(shí)，有時(shí)候這些參與者必須同時(shí)做出選擇，因?yàn)檫@樣能保證公平合理。而很多時(shí)候各參與者的決策又必須有先后之分，并且在一些博弈中每個(gè)參與者還要作不止一次的決策選擇，這就產(chǎn)生了一個(gè)次序問(wèn)題。因此規(guī)定一個(gè)博弈就必須規(guī)定其中的次序。4）博弈信息I在英文中譯為INFORMATION。信息對(duì)于博弈參與者至關(guān)重要，掌握信息的多少將直接影響到?jīng)Q策的準(zhǔn)確性，從而關(guān)系到整個(gè)博弈的成敗。有經(jīng)驗(yàn)的參與者盡可能多地收集博弈信息，力爭(zhēng)在選取策略和進(jìn)行決策時(shí)掌握主動(dòng)。5）參與者效用U在英文中譯為UTILITY。也可稱(chēng)為參與者收益。是指參與者從博弈中付出的代價(jià)或得到的收益，它是所有參與者策略的函數(shù)，因此也可以稱(chēng)為效用函數(shù)?？捎霉奖硎緸椤?duì)應(yīng)于各參與者的每一組可能的決策選擇，博弈都有一個(gè)結(jié)12NU,果表示各參與者在該策略組合下的得與失。這就是效用函數(shù)。對(duì)于每一個(gè)參與者，效用函數(shù)的結(jié)構(gòu)與取值將會(huì)影響到參與者的行為，因而也影響到了博弈的最終結(jié)局。由此可知，效用函數(shù)的確定在博弈論研究中非常重要。從博弈的不同角度和參與者的不同觀點(diǎn)出發(fā)，可以產(chǎn)生許多形形色色的效用函數(shù)，并不唯一。博弈論就是系統(tǒng)研究用上述方法定義的各種各樣的博弈問(wèn)題，尋求各博弈方合理選擇策略情況下博弈的解，也就是均衡（EQUILIBRIUM）。其中最基本的三個(gè)元素是參與者、博弈策略和效用?，F(xiàn)實(shí)中各種博弈可以從不同的角度進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)參與人的多少，可以將博弈分為兩人博弈和多人博弈；根據(jù)參與人是否合作，可以將博弈分為合作博弈（COOPERATIVEGAME）和非合作博弈（NONCOOPERATIVEGAME）；根據(jù)博弈的結(jié)果，又可以將博弈分為零和博弈，常和博弈和變和博弈。在非合作博弈中，現(xiàn)在最流行也最有用的分類(lèi)方法是從博弈參與人的行動(dòng)次序和在博弈中所獲信息的差異角度來(lái)分，具體為從決策的先后次序來(lái)分，博弈可以分為靜態(tài)博弈和動(dòng)態(tài)博弈；從參與人各種博弈信息的獲得差異來(lái)分，博弈可以分為完全信息博弈和不完全信息博弈。靜態(tài)博弈指的是博弈中參與者同時(shí)做決策，或雖非同時(shí)但后做決策者并不知道前面的決策者采取的具體策略；動(dòng)態(tài)博弈指的是參與者的決策過(guò)程有先后順序，且后決策者能夠觀察到先決策者所選擇的策略。完全信息指的是每一個(gè)參與者對(duì)其他參與者的特征、策略空間及效用函數(shù)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)；否則，就是不完全信息。213納什均衡的分析和求解均衡是一個(gè)博弈過(guò)程的最終穩(wěn)定狀態(tài)。在均衡點(diǎn)上，每個(gè)參與者都不會(huì)主動(dòng)改變自己的策略。前面已經(jīng)講到非合作博弈可從兩個(gè)角度分成四類(lèi)，而這四類(lèi)博弈對(duì)應(yīng)者各自不同的均衡點(diǎn)。如表21所示。表21非合作博弈的分類(lèi)及對(duì)應(yīng)的均衡概念行動(dòng)順序博弈靜態(tài)動(dòng)態(tài)完全信息完全信息靜態(tài)博弈納什均衡完全信息動(dòng)態(tài)博弈子博弈精煉納什均衡不完全信息不完全信息靜態(tài)博弈貝葉斯納什均衡不完全信息動(dòng)態(tài)博弈精煉貝葉斯納什均衡在這里，我們重點(diǎn)分析非合作博弈中的完全信息靜態(tài)博弈及納什均衡。非合作博弈強(qiáng)調(diào)的是個(gè)體理性、個(gè)體最優(yōu)決策，每個(gè)用戶(hù)的選擇策略的原則是最大化自己的效用，即MERGEFORMAT（21）MAX,1,2IIIUNAL式中參與者在一次博弈中所選擇的策略；IAI除了參與者以外的其余個(gè)參與者在該次博弈中的策略矢量；I1N參與者的策略集合；IAI參與者的效用函數(shù)；IU本次博弈的參與者集合。N納什均衡就是各個(gè)參與者在非合作博弈過(guò)程中達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)。下面給出納什均衡的數(shù)學(xué)定義37定義21如果一個(gè)博弈過(guò)程，對(duì)有GIIAAMERGEFORMAT（22）,IIIIUAAN式中參與者在納什均衡點(diǎn)處選擇的策略，II那么這個(gè)策略是博弈的納什均衡點(diǎn)。,IA對(duì)于非合作博弈中的每一個(gè)參與者，真正成功的措施應(yīng)該是針對(duì)其他參與者所采取的決策，相應(yīng)地采取最有利于自己的策略?；蛘哒f(shuō)，對(duì)于對(duì)手的每一決策做出最有利于自己的反應(yīng)。因此，如果存在這樣一種策略組合，為了極大化自己的收益，每一個(gè)參與者所采取的策略是其對(duì)手所采取策略的最佳對(duì)應(yīng)反應(yīng)，即沒(méi)有一個(gè)博弈參與者會(huì)輕率地偏離這個(gè)策略組合而使自己蒙受損失，則博弈存在納什均衡點(diǎn)，該組策略為納什均衡策略。針對(duì)上面的分析，給出納什均衡的第二個(gè)定義定義22在集合上的連續(xù)函數(shù)的最優(yōu)策略集合稱(chēng)為的最佳IA,IIUAGIAI對(duì)應(yīng)反應(yīng)（BESTRESPONSECORRESPONDENCE）。即映射IIIMERGEFORMAT（23）,IIIIIIIIAUAA根據(jù)定義21，納什均衡點(diǎn)處應(yīng)滿足MERGEFORMAT（24）式中納什均衡點(diǎn)處所有參與者所選策略的向量，即，A12,NAL；AA納什均衡處所有參與者所選策略的最佳對(duì)應(yīng)反應(yīng)組成的向量，即，。12,NAALA納什均衡是一個(gè)博弈的穩(wěn)定狀態(tài)，是博弈最可能達(dá)到的狀態(tài)，是每一個(gè)參與者都不愿意背離的平衡點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)博弈過(guò)程達(dá)到納什均衡時(shí)，所有用戶(hù)都沒(méi)有動(dòng)機(jī)去獨(dú)自改變自己的狀態(tài)。也就是達(dá)到納什均衡后，給定其他用戶(hù)的策略不變，如果某用戶(hù)獨(dú)自改變自己的策略，那么他的效用函數(shù)將減小。圖21給出了一個(gè)2人博弈達(dá)到納什均衡的示意圖。圖中兩條直線的交點(diǎn)滿足式MERGEFORMAT（24），為納什均衡點(diǎn)。圖212人博弈納什均衡示意圖利用納什均衡概念可以對(duì)非合作博弈中各個(gè)參與者的決策選擇和博弈結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)納什均衡的定義，當(dāng)給定其他參與者采用某個(gè)納什均衡策略時(shí)，所考察的參與者同樣選擇該納什均衡的策略是符合自己利益的。因此如果一個(gè)參與者預(yù)測(cè)或判斷其他參與者都會(huì)采用某個(gè)特定的納什均衡策略，只要這個(gè)參與者是理性的，該參與者的決策選擇和博弈的結(jié)果就較易判斷。這種利用博弈中的納什均衡概念，分析判斷博弈方選擇和博弈結(jié)果的方法，就是納什均衡分析。納什均衡的定義本身并沒(méi)有說(shuō)明如何求解博弈中的納什均衡點(diǎn)，根據(jù)納什均衡的定義，最多只能檢驗(yàn)?zāi)硞€(gè)策略組合是否是納什均衡點(diǎn)。在參與者的策略集合很小的時(shí)候，可根據(jù)納什均衡的定義，對(duì)所有策略組合進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，找出其中的納什均衡點(diǎn)。此外還有嚴(yán)格下策反復(fù)消去法（REPEATEDLYELIMINATIONOFSTRICTDOMINATEDSTRATEGIES），反應(yīng)函數(shù)法（REACTIONFUNCTIONS），遞推歸納法（BACKWARDINDUCTION）等。與納什均衡對(duì)應(yīng)的另兩個(gè)概念是帕累托最優(yōu)（PARETOOPTIMALITY）和帕累托改進(jìn)（PARETOIMPROVEMENT）。定義23對(duì)于博弈過(guò)程的某個(gè)策略，如果不存在策略同時(shí)滿足GAAAA1）；,IINUA2），JJJ那么稱(chēng)策略是帕累托最優(yōu)的。定義24對(duì)于博弈過(guò)程的某個(gè)策略，如果存在策略同時(shí)滿足AA1）；,IIUA2），JJJN那么稱(chēng)策略為策略的帕累托改進(jìn)。A帕累托最優(yōu)是一種博弈的狀態(tài)，表明了一個(gè)博弈參與者如果不降低其他參與者的效用就無(wú)法提高自己的效用；帕累托改進(jìn)是一種博弈的變化，表明在沒(méi)有使任何參與者境況變壞的前提下，使得至少一個(gè)參與者變得更好。一方面，帕累托最優(yōu)是指沒(méi)有進(jìn)行帕累托改進(jìn)的余地的狀態(tài)；另一方面，帕累托改進(jìn)是達(dá)到帕累托最優(yōu)的路徑和方法。帕累托最優(yōu)是公平與效率的“理想王國(guó)”。納什均衡是指出哪些點(diǎn)是最可能的結(jié)果；帕累托最優(yōu)是指出哪些點(diǎn)是最值得達(dá)到的結(jié)果，二者沒(méi)有必然聯(lián)系。SARAYDAR在他的研究成果里詳細(xì)論述了功率控制博弈算法中的帕累托最優(yōu)和帕累托改進(jìn)問(wèn)題23。22博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用221認(rèn)知無(wú)線電的交互作用認(rèn)知無(wú)線電不同于傳統(tǒng)無(wú)線電的地方在于具有靈活的通信參數(shù)調(diào)整功能，能夠自適應(yīng)地適應(yīng)環(huán)境的變化。這種工作方式好處不言而喻，同時(shí)也產(chǎn)生了棘手的問(wèn)題，即多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)之間的交互作用問(wèn)題。公共的無(wú)線環(huán)境導(dǎo)致了任何一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)都不是在孤立狀態(tài)下工作的，通信參數(shù)的每一次調(diào)整都是對(duì)無(wú)線環(huán)境的改變，進(jìn)而影響其他認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的正常工作，導(dǎo)致一連串的通信參數(shù)調(diào)整。各個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)間形成的平衡的狀態(tài)可能因此而打破，甚至可能會(huì)衍生出無(wú)限個(gè)適應(yīng)循環(huán)。這些循環(huán)對(duì)某個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)似乎是有益的，但對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是有害的。圖22描述了一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的工作過(guò)程。某個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)圖22多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的交互作用將會(huì)對(duì)其他的具有或不具有認(rèn)知功能的用戶(hù)產(chǎn)生影響。特別是當(dāng)多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)做出調(diào)整時(shí)所影響的外部環(huán)境，本身就受多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)的調(diào)整影響，這將在一個(gè)擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上認(rèn)知無(wú)線無(wú)線電用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生交互式的參數(shù)調(diào)整過(guò)程。多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)之間的交互作用普遍存在于任何一種能夠影響外部環(huán)境的通信參數(shù)調(diào)整中，包括頻率、調(diào)制方式、多址方式等等。顯然，本文討論的重點(diǎn)是交互式作用在功率這一無(wú)線資源上的體現(xiàn)。具體地說(shuō)，就是當(dāng)所有的認(rèn)知無(wú)線電自主地決定發(fā)射功率時(shí)，是否能夠找到合適的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)單個(gè)認(rèn)知無(wú)線電的功率調(diào)整，使所有的用戶(hù)通過(guò)調(diào)整能夠最終穩(wěn)定在某一狀態(tài)，并在該狀態(tài)時(shí)達(dá)到預(yù)期的通信要求。222博弈論在認(rèn)知無(wú)線電中的應(yīng)用前面已經(jīng)分析到，交互式作用對(duì)整個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)可能造成很壞的影響。解決這個(gè)問(wèn)題就需要交互式?jīng)Q策（INTERACTIVEDECISIONPROCESS,IDP）。交互式?jīng)Q策是指多個(gè)參與者互相依存的決策過(guò)程。每個(gè)參與者能夠采取的最優(yōu)策略都取決于其它參與者的決策，反過(guò)來(lái)也會(huì)影響其他參與者。由于這種相互依存性，決策依賴(lài)于每一個(gè)參與者，沒(méi)有任何一個(gè)參與者能完全控制決策的結(jié)果，也沒(méi)有任何參與者能完全獨(dú)立地決定自己的狀態(tài)。而博弈論是解決交互式?jīng)Q策問(wèn)題的有力工具，這是因?yàn)槭紫龋┺恼撌茄芯繘Q策主體的行為發(fā)生直接相互作用時(shí)候的決策以及這種決策的均衡的問(wèn)題，符合認(rèn)知無(wú)線電交互式作用的特點(diǎn)。舉一個(gè)例子多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶(hù)在決策規(guī)則指導(dǎo)下在三個(gè)不同的頻譜空穴（頻點(diǎn)）中做出選擇。每個(gè)