Ανάθεση πόρων σε γνωστικά δίκτυα με χρήση θεωρίας δημοπρασιών

Abstract

Τα γνωστικά δίκτυα αποτελούν μία υλοποίηση των τεχνολογιών τηλεπικοινωνιών που φιλοδοξούν να επιλύσουν το πρόβλημα της ανεπάρκειας του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η έρευνα πάνω στα γνωστικά δίκτυα, η οποία ήταν εκτενής κατά την τελευταία δεκαετία, έχει προσφέρει πολλά ενδιαφέροντα αποτελέσματα, αλλά και έχει δημιουργήσει πολλές σημαντικές προκλήσεις που χρίζουν περαιτέρω μελέτης.

Μία από αυτές τις προκλήσεις είναι το πρόβλημα του δυναμικού διαμοιρασμού φάσματος μεταξύ των χρηστών ενός γνωστικού δικτύου. Στα μοντέλα που εξετάζονται θεωρείται, συνήθως, η ύπαρξη δύο ειδών χρηστών: των πρωτευόντων, οι οποίοι είναι εξουσιοδοτημένοι χρήστες και διαθέτουν ένα μέρος του φάσματος, και των δευτερευόντων ή μη εξουσιοδοτημένων χρηστών, οι οποίοι συνεργάζονται ή ανταγωνίζονται για την πρόσβαση σε αυτό το φάσμα. Η χρήση της θεωρίας παιγνίων και της θεωρίας δημοπρασιών βοηθά στην ανάπτυξη τεχνικών που μπορούν, πιθανώς, να δώσουν μία λύση στο προαναφερθέν πρόβλημα.

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάθεση των πόρων, δηλαδή του φάσματος, ενός γνωστικού δικτύου στους δευτερεύοντες χρήστες του. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός μηχανισμού δημοπρασίας, ο οποίος παροτρύνει τους χρήστες του γνωστικού δικτύου να καταθέτουν αληθείς προσφορές για το κομμάτι του εύρους ζώνης που επιθυμούν. Πιο συγκεκριμένα, θεωρείται ένα γνωστικό δίκτυο και υλοποιείται αλγόριθμος, ο οποίος, με βάση τις παραμέτρους του συστήματος, υπολογίζει τις προσφορές των δευτερευόντων χρηστών με στόχο την εύρεση σημείου ισοζυγίου Nash στο μη συνεργατικό παίγνιο που διεξάγεται μεταξύ τους. Αναπτύχθηκε πρόγραμμα προσομοίωσης σε περιβάλλον Matlab για την αξιολόγηση της επίδοσης του συστήματος. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, γίνεται ποσοτική και ποιοτική ανάλυση, μελετάται η συμπεριφορά των δευτερευόντων χρηστών ως προς τη μεταβολή των παραμέτρων του συστήματος και αξιολογείται ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε.

Cognitive radio networks have emerged as a promising technique in order to solve the electromagnetic spectrum inefficiency problem. The extensive research conducted over the last decade, has provided many interesting results, but has also created many important challenges that require further study.

One of those challenges is the problem of dynamic spectrum sharing among the users of a cognitive radio network. In the models that are usually examined, two types of users are considered: the primary users, who are licensed users and are allowed to use the spectrum, and the secondary or unlicensed users, who have to cooperate or compete for access to that spectrum. Game theory and auction theory constitute two techniques that can, potentially, offer a solution to the aforementioned problem.

The objective of this diploma thesis is the resource allocation (more specifically, spectrum allocation) to the secondary users in a cognitive radio network. This is achieved by the implementation of an auction mechanism, which motivates the cognitive radio users to bid truthfully for the portion of the bandwidth that they desire. More specifically an allocation mechanism for cognitive radio systems is proposed, in which the bids of the secondary users are computed, so as to find the Nash equilibrium of the corresponding non-cooperative game. The system’s performance has been evaluated through a simulation programme developed in Matlab. Based on the simulation results, a quantitative and qualitative analysis is given, a study on the behaviours of the secondary users to the variation of the system parameters is conducted and an evaluation of the algorithm in use is provided.