矿井下认知无线系统及其固定周期多次竞争的频谱分配方法技术方案

本发明专利技术涉及无线电通信领域，具体涉及一种矿井下认知无线电系统固定周期多次竞争的频谱分配方法。为减少认知用户SU对主用户PU的干扰并降低SU之间的竞争。本发明专利技术无线系统采用的基本模型中，主用户随机释放的频谱信息和各个认知用户对频谱资源的需求均由系统设置的频谱管理中心进行统一地收集和管理，频谱池用来收集当前系统中各主用户对各自频谱的使用情况。本发明专利技术从多次竞争的次数角度出发，提出固定周期多次竞争的认知无线电系统及其频谱分配方法，分析了时间域方面SU与PU的概率性干扰矛盾，空间方面的SU数和PU空闲的信道数量的关系，频率域方面不同SU彼此的竞争关系。本发明专利技术适用于矿井的某一段巷道环境中的无线通讯。

【技术实现步骤摘要】
矿井下认知无线系统及其固定周期多次竞争的频谱分配方法
本专利技术涉及一种认知无线电系统频谱分配方法，具体涉及一种矿井下认知无线电系统固定周期多次竞争的频谱分配方法。
技术介绍
现有的通信系统为固定方式通信，可能适用于矿井的某一段巷道环境，但整个矿井的通信效果差，存在可靠性差、造价高等缺点。矿井生产对建立一个良好的无线通信系统有迫切的要求。在使用频谱空洞的矛盾是主用户(primaryuser,PU)和认知用户(secondaryuser,SU)之间的冲突，为了保证主用户在其频段上的正常通信，在主用户回归的时候，认知用户需要释放其所占用的信道，将其“归还”给主用户。然而鉴于主用户回归至某频段是一种随机行为，而且认知用户突然切换到空闲信道，系统的性能在不同程度上受到影响，这样为了使认知用户在其使用的频谱空洞内能够完整地实现自己的通信需求，需要分析信道的状态及其所保持的时间长度。空闲的频谱是由于主用户没有使用所产生的频谱空洞，一个频谱空洞一般具有空域、频域和时域三方面的属性，即在某一个地区内(认知用户的数量)、在某段频谱(某几个信道)上、在某段时间范围内均没有主用户的出现。在该领域的研究中，频谱资源的“空间-时间-频域”特性并未受到足够的重视，大多数的研究主要考虑如何分配信道数量或者不同空闲的信道怎么分配给各个认知用户，从而提高系统的吞吐量。但是若不考虑空闲频谱在时间域上的变化特性和空间域上认知用户的数量和频域上主用户空闲信道的情况，就会出现分配的信道不能够满足认知用户的实际需求的问题，影响系统的可行性。一种随机过程理论被俄国数学家A.A.马尔科夫提出，相应的定义如下：假如Xn表示在时刻n的状态，随机变量Xi的集合构成状态空间，那么Xn+1对过去状态的条件概率分布只是Xn的表达式，即P(Xn+1＝m|X0,X1,...,Xn)＝P(Xn+1＝m|Xn)(1)该理论属于可靠性研究领域的一种重要的模型，当随机过程在t0时刻所处状态确定时，在t(t0<t)时刻的状态与在t0时刻之前的状态无关。设状态离散参数连续的齐次马尔可夫过程{X′(t),t≥0}的状态空间S＝{1,2,…,N}，其转移概率矩阵为P(t)，密度矩阵为Q，初始分布为P＝{p1,p2,…,pN}。假定当系统处于状态1,2,…,K时，系统能正常工作；而当处于状态K+1,…,N时，系统故障不能正常运行，需要修复。认知用户n的预期占用时间需求tn大于该信道的空闲时间，如图1所示。由于主用户的回归具有随机特性，信道的实际空闲时长有可能大于该值，也有可能小于该值。为了能够达到数据传输需求并避免干扰，若在传输数据量和速率已知的情况下，频谱池能够合理分配给认知用户期望使用的时间长度和需要的信道数，如图2所示。
技术实现思路
在本领域的研究中，频谱资源的“空间-时间-频域”特性并未受到足够的重视，大多数的研究主要考虑如何分配信道数量或者不同空闲的信道怎么分配给各个认知用户，从而提高系统的吞吐量。但是若不考虑空闲频谱在时间域上的变化特性和空间域上认知用户的数量和频域上主用户空闲信道的情况，就会出现分配的信道不能够满足认知用户的实际需求的问题，影响系统的可行性。针对这一问题，本专利技术从多次竞争的次数角度出发，提出矿井下认知无线系统及其固定周期多次竞争的频谱分配方法。本专利技术为解决上述问题采取的具体技术方案是：本专利技术采用的系统模型，所述矿井下认知无线系统所采用的基本模型包括频谱池、频谱管理中心、N个主用户、N个认知用户。所述频谱池中包括n0个单位信道，所述频谱池连接N个主用户，用来收集当前系统中各主用户对各自频谱的使用情况，动态的释放和收回信道,所述频谱管理中心分别连接N个认知用户SU和频谱池SP，对主用户随机释放的频谱信息和各个认知用户对频谱资源的需求统一处理。本专利技术提出了矿井下无线电系统中固定周期多次竞争的频谱分配算法，其物理含义是频谱管理中心收集频谱池的频谱，若竞争频谱的时间超过固定周期T0，发起新一次竞争频谱，否则SMC继续伺服等待，分配给SU的频谱资源包括：期望使用信道时间长度(时域特性)、SU的数量(频谱空洞的空域特性)和空闲信道数量(频域特性)。本专利技术提出的矿井下无线电系统中固定周期多次竞争的的频谱分配算法：首先根据认知用户竞争频谱的时间，判断是否发起新一次的竞争，然后根据各SU的传输速率进行降序排列，依次从大到小选取SU，当新加入的SU被分配一定频谱，计算吞吐量能否增大，假设增大，就把相应的频谱给新加入的SU，同理继续判断其他SU，相反，如果减少，不能够提高系统的总效用。具体步骤如下所示：步骤1：若认知用户竞争频谱的时间超过固定周期T0，发起新一次竞争频谱，否则SMC继续伺服等待；步骤2：N个认知用户SU向SMC提交各自投标步骤3：初始化参数；步骤4：对N个认知用户按照降序进行排列；根据首先确定的数据传输需求Dn求出每个认知用户在其获得的信道上的预期占用时长tn；步骤5：按照预期占用时长tn能够得到认知用户成功占用预期占用时长的概率P(tn)，该概率表明系统的统计平均吞吐量，由P(tn)得出系统总吞吐量TR；步骤6：选择分享信道的新加入的认知用户n′：I1＝{n|mn≥mn',n,n'∈[0,q-1]}(15)式(15)中，I1表示满足mn≥mn′时认知用户的集合，mn表示认知用户n获得的空闲信道数，mn'表示认知用户n'获得的空闲信道数，I2＝{n|mn≥1,n∈I1}(16)式(16)中，I2表示满足mn≥1时认知用户的集合，式(17)中，I3表示满足时认知用户的集合，代表频谱mq的带宽B，代表频谱认知用户n在频谱mq上的传输速率，判断I3是否为空，如果为空，频谱分配结束，转到步骤7，如果没有空，转至步骤5；步骤7：为新加入的认知用户n′预分配：mn′＝mn′/2,tn′＝2tn′；步骤8：根据新加入的认知用户n′当前所占各信道中的最小值μ，确认是否试分配；步骤9：本次分配结束，更新mq和tq值，并将结果反馈给认知用户SUs，各认知用户接入各自获得的信道，更新竞争频谱时间为0，转至步骤1。开始为其他认知用户进行分配，当获得频谱的用户不能再减少其信道数时，执行步骤10；步骤10：分配结束。进一步地，所述矿井下认知无线系统中固定周期多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤3中初始化参数的具体参数包括：系统总吞吐量TR、数据传输需求Dn、单位信道宽度△f、被初分配的认知用户数q，频谱传输速率进一步地，所述矿井下认知无线系统中固定周期多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤4中根据首先确定的数据传输需求Dn求出每个认知用户在其获得的信道上的预期占用时长tn的公式为：其中mn表示认知用户n获得的空闲信道数。进一步地，所述矿井下认知无线系统中固定周期多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤5中由认知用户成功占用预期占用时长的概率P(tn)得出总吞吐量的公式为：其中mq表示q个认知用户获得的信道数。进一步地，所述矿井下认知无线系统中固定周期多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤8中确认是否试分配的具体方法为：新加入的认知用户n′当前所占各信道中的最小值为μ，如果μ>tn′，确认试分配，更新参数：q＝q+1，转到步骤9；如果μ≤tn′，本文档来自技高网...

【技术保护点】
矿井下认知无线系统，其特征在于，所述矿井下认知无线系统所采用的基本模型包括频谱池SP、频谱管理中心SMC、N个主用户PU、N个认知用户SU，所述频谱池SP中包括n

【技术特征摘要】
1.矿井下认知无线系统，其特征在于，所述矿井下认知无线系统所采用的基本模型包括频谱池SP、频谱管理中心SMC、N个主用户PU、N个认知用户SU，所述频谱池SP中包括n0个单位信道，所述频谱池SP连接N个主用户PU，用来收集当前系统中各主用户对各自频谱的使用情况，动态的释放和收回信道,所述频谱管理中心SMC分别连接N个认知用户SU和频谱池SP，对主用户随机释放的频谱信息和各个认知用户对频谱资源的需求统一处理。2.基于权利要求1所述的矿井下认知无线系统中固定周期多次竞争的频谱分配方法,其特征在于，包括如下步骤：步骤1：若频谱竞争超过固定周期T0，发起新一次竞争频谱，否则频谱管理中心SMC继续伺服等待；步骤2：N个认知用户SU向频谱管理中心SMC提交各自投标步骤3：初始化参数；步骤4：对N个认知用户按照降序进行排列；根据首先确定的数据传输需求Dn求出每个认知用户在其获得的信道上的预期占用时长tn；步骤5：按照预期占用时长tn能够得到认知用户成功占用预期占用时长的概率P(tn)，该概率表明系统的统计平均吞吐量，得到整个系统的总吞吐量TR；步骤6：选择分享信道的新加入的认知用户n′：I1＝{n|mn≥mn',n,n'∈[0,q-1]}(15)式(15)中，I1表示满足mn≥mn′时认知用户的集合，mn表示认知用户n获得的空闲信道数，mn'表示认知用户n'获得的空闲信道数，I2＝{n|mn≥1,n∈I1}(16)式(16)中，I2表示满足mn≥1时认知用户的集合，式(17)中，I3表示满足时认知用户的集合，代表频谱mq的带宽B，代表频谱认知用户n在频谱mq上的传输速率，判断I3是否为空，如果为空，频谱分配结束，转到步骤7，如果没有空，转至步骤5；步骤7：为新加入的认知用户n′预分配：

【专利技术属性】
技术研发人员：谢玉鹏，边莉，张起晶，赵志信，江晓林，谢雪东，孙桂芝，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23