基于演化博弈的大规模动态频谱接入技术及其安全性研究

Spectrum sensing is one of the core technologies for dynamic access technology, and cooperative spectrum sensing is an effective way to improve the accurary of spectrum sensing. Considering existing difficulties for cooperative spectrum sensing technology, such as the low spectrum utilization caused by selfish behavior of the users, the security problem caused by malicious interference, as well as the long playing time of numerous users,to this end, by utilizing partial differential equations and linear matrix inequalities, coupled with the stability analysis methods for the multiple equilibrium points system in control theory, the equilibrium problem of multi-dimensional game can be sovled. Furthermore, based on the neighbor information and concept of gene mutation in genetic algorithm, an effective strategy adjusmment algorithm is proposed to drive the system to reach the equibrium quickly and to meet the demand in engineering application . Based on the principle of economics, the compensation and regulatory mechanisms is introduced to reduce the influence of the selfish behavior of the users, and then the overall spectrum utilization is improved. The statistical principle is also introduce to prevent strategy adjusment algorithm useful to avoid spiteful interference by some users.Based on the detailed analysis of the dynamic cooperative spectrum sensing, the systematic cooperative spectrum sensing model is established to provide a theoretical framework for the development of cognitive wireless networks.

频谱感知是动态频谱接入的核心技术之一，而协同频谱感知是提高频谱感知准确率的有效方法。针对协同频谱感知技术中存在的因用户自私行为而导致的频谱利用率低下、恶意干扰，以及用户数目过多导致博弈时间过长等问题，本项目拟引入控制理论多平衡点系统稳定性分析方法，求解多维博弈的最优均衡问题；结合遗传算法中的变异思想和基于邻域信息设计有效策略更新算法，提高参与博弈的频谱感知用户收敛到纳什均衡的快速性，满足实际工程应用的需求；根据经济学原理建立补偿和调控机制，减少因用户的自私行为而造成的对频谱利用率的影响，并利用统计学原理，建立避开恶意干扰的有效算法；深入分析动态协同频谱感知博弈理论，建立系统的动态协同频谱感知模型，为认知无线网络技术的发展和应用提供理论依据。

有限的频谱资源与无限的通信业务需求之间的矛盾是当今无线通信技术在发展过程中需要应对的主要挑战，因此以改变频谱资源固定分配策略的动态频谱分配技术成为了新的研究热点。而协同频谱感知是动态频谱分配的一个重要技术手段，能够有效提高频谱感知结果的准确率和频带的利用率。本研究报告以能量感知模型为基础，首先以两用户场景为例，详细分析了协同频谱感知博弈的特点和存在的问题，并将重复博弈概念引入演化博弈中，有效地解决了协同频谱感知博弈频谱利用率低的问题。进一步的，在深入研究双人协同频谱感知博弈的基础上，分析了多用户协同频谱感知博弈的特点，提出基于演化博弈的博弈环境感知概念。研究结果表明，基于环境感知的演化博弈算法能有效地解决单纯演化博弈理论应用于多用户协同频谱感知所造成的频谱利用率低下的问题。同时，为了解决多用户协同频谱感知博弈难以达到最优均衡以及博弈过程耗时较长等问题，本研究报告提出了基于分布式决策的集中式控制协同频谱感知算法，将自由博弈与集中式控制的思想结合起来，极大缩短了博弈过程所需要的时间，并实现达到全局最优均衡的目的。