一种短波下行通信中的发射机信道分配模型及方法技术

本发明专利技术公开了一种短波下行通信中的发射机信道分配模型及方法。该模型为：将概率统计模型和下行信道分集技术相结合，构建相应的用户通信概率模型，通过调整下行发射机信道分配策略，优化系统通信概率。该方法为：将决策空间大的问题分解为信道匹配和发射机分配两个子问题；针对信道匹配问题，构建多对一匹配博弈模型，计算最大化系统期望通信概率下的稳定的发射机‑信道匹配；针对发射机分配问题，构建势能博弈模型，计算最大化系统通信概率下的最优分配策略，得到最优分配策略；最后计算系统通信概率。本发明专利技术解决了短波通信中决策空间大的问题，保证了短波用户通信的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种短波下行通信中的发射机信道分配模型及方法
本专利技术属于无线通信
，特别是一种短波下行通信中的发射机信道分配模型及方法。
技术介绍
短波通信具有维护费用低、设备简单、组网方便等优点，在未来发展中具有巨大的潜力。然而，短波信道传播质量不稳定、干扰严重、频率资源有限等缺点，限制了短波通信的发展。针对短波下行传输过程，为了提高通信可靠性，往往采用信道分集的方式。随着短波用户增多和业务需求增大，因为短波频谱资源有限，如何高效分配短波信道资源变得越来越重要。针对信道资源分配问题，在移动网络场景下有很多研究。有人提出了载波聚合(参考文献，YuanhuiZhang,ChunrongKan,KunXu,etal,"Distributedcarrieraggregationinsmallcellnetworks:agame-theoreticapproach,"KsiiTransactionsonInternet&InformationSystems,vol.9,no.12,2015.)的接入方法，提高了频谱利用效率。然而，目前关于短波信道资源分配的研究较少，现有短波信道研究大部分都是关注如何从传播质量不稳定的短波信道中选择合理的信道。目前关于短波信道的研究中，有研究工作(参考文献，Bernard.Lacaze,"ModelingtheHFchannelwithGaussianrandomdelays,"Signalprocessing,vol.64,no.2,pp.215-220,1998.)利用高斯随机延迟对短波信道建模。有相关研究(参考文献，ZhiqiangQin，JinlongWang,JinChenetal,"Opportunisticchannelaccesswithrepetitiontimediversityandswitchingcost:ablockmulti-armedbanditapproach,"WirelessNetworks,vol.24,no.5,pp.1683-1697,2018.)将多臂老虎机思想应用到建链信道选择中。但是因为之前短波用户较少，下行分集信道资源充足，目前少有人将短波下行分集技术和信道资源分配优化结合进行研究，往往采用依据经验随机均匀分配方式，这样频谱资源的利用率较低，不能满足日益增长的频谱资源需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种短波下行通信中的发射机信道分配模型及方法，在短波下行传输场景下面向业务需求，通过优化系统通信概率得到可靠下行分集策略。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种短波下行通信中的发射机信道分配模型，该模型对短波系统通信概率进行如下刻画：在短波系统下行传输场景中，采用信道分集技术来保证短波通信的可靠性；短波信道分集指站台用多个发射机在不同信道上给用户发送相同信号，用户将接收的多个信号整合来提高接收稳定性；对于任意的用户，其成功通信的概率由分集信道的可用度、用户通信需求概率和占用相同信道的发射机干扰概率决定；通过调整下行发射机信道分配策略，实现系统总通信概率最大化的目标。一种短波下行通信中的发射机信道分配方法，包括以下步骤：步骤1，将短波下行信道分集优化问题，分解为发射机-信道匹配和发射机分集分配两个子问题；步骤2，将发射机-信道匹配问题，建模为多对一匹配博弈，匹配双方是所有发射机和可用信道；步骤3，各发射机根据可用信道的可用度和所有用户的业务需求，定义发射机在各可用信道上的期望通信概率，并分别得到发射机和可用信道的匹配偏好列表；步骤4，计算最大化系统期望通信概率下的稳定的发射机-信道匹配策略；步骤5，在稳定的发射机-信道匹配策略下，将发射机分集分配问题，建模为势能博弈模型，博弈的参与者是短波系统中所有具有任务需求的用户；步骤6，各用户构建自己的发射机分集策略，引入空间局部互利博弈模型，根据是否选择相同发射机将其他用户划分为邻居和非邻居用户，并定义局部通信概率效用函数；步骤7，计算最大化系统通信概率下的最优分配策略，得到最优分配策略。进一步地，步骤2所述的将发射机-信道匹配问题，建模为多对一匹配博弈，具体如下：该博弈模型G1定义为：其中为可用信道集合，为发射机集合；偏好关系＞m和＞f分别为发射机m的信道偏好关系和信道f的发射机偏好关系；一个多对一匹配u是一个从集合到集合的映射和两个偏好关系＞m和＞f，其中映射关系指一个发射机只占用一个信道，一个信道可被多个发射机占用：1)对于每一个信道并且|μ(f)|∈{1,2,...,qc}；2)对于每一发射机且|μ(f)|＝1；3)f∈μ(m)当且仅当m∈μ(f)；μ(f)是指使用信道f的发射机的子集，μ(m)是由发射机m访问的短波信道的子集，配额是每个信道可以匹配的发射机的最大数目。进一步地，步骤3所述的各发射机根据可用信道的可用度和所有用户的业务需求，定义发射机在各可用信道上的期望通信概率，并分别得到发射机和可用信道的匹配偏好列表，具体如下：考虑整个短波系统的通信概率，并用rm表示发射机m在某一信道上的期望通信概率：其中fm为发射机m的可用信道；表示发射机m在信道fm发送数据给用户n的信道可用，表示信道不可用；表示发射机m在信道fm发送数据给用户n时的信道可用概率；pn表示用户n的通信需求；对于两个可用信道f1m和f2m，每个发射机m的偏好为：对于可用发射机中的两个发射机m1和m2，每个信道f的偏好为：进一步地，步骤4所述计算最大化系统期望通信概率下的稳定的发射机-信道匹配策略，具体如下：步骤4.1、初始化：每个发射机和每个信道获得匹配偏好列表，并计算匹配轮次；步骤4.2、匹配：未匹配发射机向自己偏好列表中优先级最高的信道发送请求，并将该信道从偏好列表中删除；每个信道根据自己的配额和偏好列表，从请求列表和当前匹配发射机中选择最好的发射机；步骤4.3、收敛：循环步骤4.2直到所有的发射机匹配或者偏好列表为空，匹配过程结束，得到稳定的发射机-信道匹配策略。进一步地，步骤5所述的在稳定的发射机-信道匹配策略下，将发射机分集分配问题，建模为势能博弈模型，具体如下：该博弈模型定义为：其中为用户集合；A2n为用户n选择的发射机策略集合；u2n为用户通信概率效用函数集合。进一步地，步骤6所述的定义局部通信概率效用函数，具体如下：每个用户n的局部通信概率效用函数u2n(mn,m-n)为：其中mn,m-n分别表示用户n信道分集选择的发射机策略和除用户n以外的所有用户的发射机策略集合，Jn是和用户n选择了相同的发射机的用户集合，是Jn中所有用户选择的发射机策略；其中是用户k的通信概率，定义为：其中R(m,f,n)为链路m-f-n的通信概率，定义为：其中δm,f,n＝1表示发送机m通过信道f发送数据给用户n即链路m-f-n)，δm,f,n＝0表示链路m-f-n是不可用的；θm,f,n表示发射机m在信道f发送给用户n时的信道可用概率；Im选择了发射机m的用户集合；pk表示用户通信需求概率；If表示所有选择信道f的发射机集合；发射机决策函数f(θm,f,n,θm1,f,n)定义为Jn是和用户n选择了相同的发射机并可能对用户n造成干扰的用户集合，定义为：其中mn和m′n分别表示用户n当前和准备选择的发射机策略本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短波下行通信中的发射机信道分配模型，其特征在于，该模型对短波系统通信概率进行如下刻画：在短波系统下行传输场景中，采用信道分集技术来保证短波通信的可靠性；短波信道分集指站台用多个发射机在不同信道上给用户发送相同信号，用户将接收的多个信号整合来提高接收稳定性；对于任意的用户，其成功通信的概率由分集信道的可用度、用户通信需求概率和占用相同信道的发射机干扰概率决定；通过调整下行发射机信道分配策略，实现系统总通信概率最大化的目标。

【技术特征摘要】
1.一种短波下行通信中的发射机信道分配模型，其特征在于，该模型对短波系统通信概率进行如下刻画：在短波系统下行传输场景中，采用信道分集技术来保证短波通信的可靠性；短波信道分集指站台用多个发射机在不同信道上给用户发送相同信号，用户将接收的多个信号整合来提高接收稳定性；对于任意的用户，其成功通信的概率由分集信道的可用度、用户通信需求概率和占用相同信道的发射机干扰概率决定；通过调整下行发射机信道分配策略，实现系统总通信概率最大化的目标。2.一种短波下行通信中的发射机信道分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将短波下行信道分集优化问题，分解为发射机-信道匹配和发射机分集分配两个子问题；步骤2，将发射机-信道匹配问题，建模为多对一匹配博弈，匹配双方是所有发射机和可用信道；步骤3，各发射机根据可用信道的可用度和所有用户的业务需求，定义发射机在各可用信道上的期望通信概率，并分别得到发射机和可用信道的匹配偏好列表；步骤4，计算最大化系统期望通信概率下的稳定的发射机-信道匹配策略；步骤5，在稳定的发射机-信道匹配策略下，将发射机分集分配问题，建模为势能博弈模型，博弈的参与者是短波系统中所有具有任务需求的用户；步骤6，各用户构建自己的发射机分集策略，引入空间局部互利博弈模型，根据是否选择相同发射机将其他用户划分为邻居和非邻居用户，并定义局部通信概率效用函数；步骤7，计算最大化系统通信概率下的最优分配策略，得到最优分配策略。3.根据权利要求2所述的短波下行通信中的发射机信道分配方法，其特征在于，步骤2所述的将发射机-信道匹配问题，建模为多对一匹配博弈，具体如下：该博弈模型G1定义为：其中为可用信道集合，为发射机集合；偏好关系和分别为发射机m的信道偏好关系和信道f的发射机偏好关系；一个多对一匹配u是一个从集合到集合的映射和两个偏好关系和其中映射关系指一个发射机只占用一个信道，一个信道可被多个发射机占用：1)对于每一个信道并且|μ(f)|∈{1,2,...,qc}；2)对于每一发射机且|μ(f)|＝1；3)f∈μ(m)当且仅当m∈μ(f)；μ(f)是指使用信道f的发射机的子集，μ(m)是由发射机m访问的短波信道的子集，配额是每个信道可以匹配的发射机的最大数目。4.据权利要求2所述的短波下行通信中的发射机信道分配方法，其特征在于，步骤3所述的各发射机根据可用信道的可用度和所有用户的业务需求，定义发射机在各可用信道上的期望通信概率，并分别得到发射机和可用信道的匹配偏好列表，具体如下：考虑整个短波系统的通信概率，并用rm表示发射机m在某一信道上的期望通信概率：其中fm为发射机m的可用信道；表示发射机m在信道fm发送数据给用户n的信道可用，表示信道不可用；表示发射机m在信道fm发送数据给用户n时的信道可用概率；pn表示用户n的通信需求；对于两个可用信道f1m和f2m，每个发射机m的偏好为：对于可用发射机中的两个发射机m1和m2，每个信道f的偏好为：5.据权利要求2所述的短波下行通信中的发射机信道分配方法，其特征在于，步骤4所述计算最大化系统期望通信概率下的稳定的发射机-信道匹配策略，具体如下：步骤4.1、初始化：每个发射机和每个信道获得匹配偏好列表，并计...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐煜华，李文，徐以涛，程云鹏，张玉立，张晓博，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32