具有频谱分配功能的认知车载通信方法和系统技术方案

本发明专利技术公开一种具有频谱分配功能的认知车载通信方法和系统，包括设置在车辆上的车载认知用户和设置在路边的路边单元；其中路边单元中包含有频谱分配模块；每个车载认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元；本发明专利技术利用基于混合模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用频段进行分配，不仅能够有效的解决布谷鸟算法在搜索过程中容易陷入局部最优的问题，而且相比于基于GA算法的频谱分配本发明专利技术所用方法还能有效的提升网络吞吐量，达到较好的效果。

Cognitive vehicular communication method and system with spectrum allocation function

The present invention discloses a cognitive vehicle communication method and system with a spectrum allocation function, including a vehicular cognitive user and a roadside unit set on a roadside. The roadside unit contains a spectrum allocation module, and each of the on-board cognitive users includes a cognitive center processor, a cognitive communication machine, a base station pass. Letter machine, base station center processor, control center, RF front end, baseband processing module and vehicle unit. The invention uses a cuckoo search algorithm based on hybrid simulated annealing to allocate the available frequency bands, not only can effectively solve the problem that the cuckoo algorithm can easily fall into local optimal in the search process, but also can be used to solve the problem. Compared with the spectrum allocation based on the GA algorithm, the method used in the invention can effectively improve the network throughput and achieve better results.

【技术实现步骤摘要】
具有频谱分配功能的认知车载通信方法和系统
本专利技术涉及通信
，具体涉及一种具有频谱分配功能的认知车载通信方法和系统。
技术介绍
当前，伴随着汽车数量的与日俱增，可供汽车之间进行通信的频谱资源供需矛盾日益突出。于是，将认知无线电与车载通信结合起来，具有很重要的研究价值。认知用户可以对授权但未被使用的频带加以利用，从而缓解车载网络中频谱资源匮乏的问题。而作为车载认知无线电核心技术之一的频谱分配，则是在符合特定的分配规则下，将未被充分利用的授权频段进行合理有效的分配，以供认知用户使用。频谱分配模型是建立在相应的干扰和约束条件之上的。现在常见的算法模型主要有：图论着色、博弈论、拍卖竞价等。在这些模型中，利用一个冲突图来对频谱分配问题进行表示，并且依照不同的目标函数和规则将空闲频段分配给认知用户使用的图论着色模型则是一种理论较为成熟的算法。研究人员已经证实了频谱分配问题是一个NP难问题，而对这个难题进行有效的求解方法则是利用智能算法。目前主要利用遗传算法、人工蜂群算法等来对基于图论着色模型的频谱分配问题进行求解。而这些算法中最为经典的就是利用遗传算法(geneticalgorithm，GA)对空闲频段进行分配，但该算法有一个缺点：搜索精度不高，这个缺点会降低频谱利用率。
技术实现思路
本专利技术旨在将感知到的空闲频段进行合理的分配，提供一种具有频谱分配功能的认知车载通信方法和系统，以期有效的提高频谱的利用率。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：具有频谱分配功能的认知车载通信方法，包括步骤如下：步骤1、发起通信的车载认知用户把通信请求发至路边单元；步骤2、路边单元对DSRC频段的使用情况进行判断：如果判断出DSRC存在空闲频段，则把结果告知通信双方车载认知用户，通信双方车载认知用户直接利用DSRC频段发起通信；若DSRC频段没有空闲，此时需要进行频谱感知，路边单元将频谱感知命令发送给附近的所有车载认知用户；步骤3、接收到路边单元发出频谱感知命令的车载认知用户，启动认知功能对DVB-T授权频段进行准确的感知，并把感知结果即频谱使用情况发送给路边单元；步骤4、路边单元根据车载认知用户返回的感知结果判决DVB-T授权频段的各个子频段是否可用，并采用基于模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用的子频段即空闲频谱进行分配。步骤4中所述采用基于模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用的子频段即空闲频谱进行分配的具体步骤如下：步骤4.1、将待通信车载认知用户数目设为种群的数目Q、可用的子频段的个数设为搜索空间维数D、设定莱维飞行的步长因子α，设定最大迭代次数Niter和设定发现概率Pa；步骤4.2、随机生成Q个鸟巢，并将鸟巢的位置向量进行映射得到分配矩阵；步骤4.3、计算各个鸟巢的适应度值，并保留适应度值最大的鸟巢作为最优鸟巢；步骤4.4、基于设定的步长因子α对鸟巢位置进行莱维飞行迭代，更新鸟巢位置；计算更新后的各个鸟巢的适应度值，并与更新前的鸟巢进行比较，留下两者中适应度值最大的鸟巢；步骤4.5、判断鸟巢是否陷入局部最优；若其中有一个鸟巢陷入局部最优，则任意抽取部分鸟巢执行模拟退火机制，同时把余下的未被抽取到的鸟巢进行交叉，之后计算所得到的鸟巢的适应度值，保留适应度值最大的鸟巢作为最优鸟巢，并转入步骤4.6；否则，直接转入步骤4.6；步骤4.6、鸟巢宿主以概率Pa发现外来鸟蛋，并生成满足均匀分布的随机数r；若r＞Pa，则对当前最优鸟巢进行更新，并以新的鸟巢代替旧的，求出所有鸟巢的适应度值，然后对适应度值最大的鸟巢进行保留作为最优鸟巢，并转入步骤4.7；否则，直接转入步骤4.7；步骤4.7、判断是否达到最大迭代次数Niter；如果达到，将当前最优鸟巢输出，路边单元据此对空闲频谱进行分配；否则，转入步骤4.4。具有频谱分配功能的认知车载通信系统，包括设置在车辆上的车载认知用户和设置在路边的路边单元；其中路边单元中包含有频谱分配模块；每个车载认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元；认知中心处理器与认知通信机连接，认知通信机上设有天线；基站通信机上设有天线，基站通信机与基站中心处理器连接，基站中心处理器经由控制中心连接车载单元，车载单元上设有天线；射频前端上设有天线，射频前端与基站中心处理器连接，基站中心处理器与基带处理模块连接。与现有技术相比，本专利技术利用基于混合模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用频段进行分配，不仅能够有效的解决布谷鸟算法在搜索过程中容易陷入局部最优的问题，而且相比于基于GA算法的频谱分配本专利所用方法还能有效的提升网络吞吐量，达到较好的效果。附图说明图1为具有频谱分配功能的认知车载通信方法流程图。图2为认知车载网络模型。图3为具有频谱分配功能的认知车载通信系统框图。图4本专利技术频谱分配算法与遗传算法在不同频谱数下的平均网络吞吐量对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。参见图1，一种具有频谱分配功能的认知车载通信方法，该方法基于如图2所示的认知车载网络模型，具体实现步骤如下：步骤1、将要发起通信的车载认知用户把通信请求发至路边单元；步骤2、路边单元对DSRC(专用短程通信)频段的使用情况进行判断：如果判断出DSRC存在空闲频段，则把结果告知待通信车辆，待通信车辆直接利用DSRC频段发起通信；若DSRC频段没有空闲，此时需要进行频谱感知，路边单元将此命令发送给附近的所有车载认知用户；步骤3、车载认知用户在收到路边单元开启频谱感知的命令后，启动认知功能，并依据相关的算法对DVB-T的授权频段进行准确的感知，最后，车载认知用户把感知的频谱使用情况发送给路边单元；步骤4、路边单元根据所有车载认知用户返回的感知结果判决DVB-T频段的各个子频段是否可用，并将可用的子频段进行合理的分配。根据最终感知出来的空闲频谱结果，我们将可用的空闲频谱矩阵L用一个M×N维的矩阵来进行如下表示：L＝{lm,n|lm,n∈{0,1}}M×N其中，m为认知用户；n为授权频段；M为认知用户的个数；N为空闲频段的个数；lm,n为可用的n能否被m利用，lm,n＝1，表示可用，lm,n＝0，表示不可用。效益矩阵B表示如下：B＝{bm,n}M×N其中，m为认知用户；n为授权频段；M为认知用户的个数；N为空闲频段的个数；bm,n为认知用户对授权频段进行使用时所能取得的诸如传输速率和吞吐量等指标的最大效益，且在lm,n＝0的情况下，bm,n＝0。干扰矩阵C表示如下：C＝{cm,k,n|cm,k,n∈{0,1}}M×M×N其中，m为认知用户；n为授权频段；M为认知用户的个数；N为空闲频段的个数；cm,k,n为车载认知用户m、k同时对授权频段n进行使用时是否会有干扰产生，cm,k,n＝0表示不会产生干扰；cm,k,n＝1时表示会产生干扰。分配矩阵A表示如下：A＝{am,n|am,n∈{0,1}}M×N其中，m为认知用户；n为授权频段；M为认知用户的个数；N为空闲频段的个数。A表明了一种可行的频谱分配方案。且有如下规则：am,n＝1表示认知用户对m对授权频段n进行了使用；am,n＝0则表示没有进行分配使用。本专利技术所采用的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有频谱分配功能的认知车载通信方法，其特征是，包括步骤如下：步骤1、发起通信的车载认知用户把通信请求发至路边单元；步骤2、路边单元对DSRC频段的使用情况进行判断：如果判断出DSRC存在空闲频段，则把结果告知通信双方车载认知用户，通信双方车载认知用户直接利用DSRC频段发起通信；若DSRC频段没有空闲，此时需要进行频谱感知，路边单元将频谱感知命令发送给附近的所有车载认知用户；步骤3、接收到路边单元发出频谱感知命令的车载认知用户，启动认知功能对DVB‑T授权频段进行准确的感知，并把感知结果即频谱使用情况发送给路边单元；步骤4、路边单元根据车载认知用户返回的感知结果判决DVB‑T授权频段的各个子频段是否可用，并采用基于模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用的子频段即空闲频谱进行分配。

【技术特征摘要】
1.具有频谱分配功能的认知车载通信方法，其特征是，包括步骤如下：步骤1、发起通信的车载认知用户把通信请求发至路边单元；步骤2、路边单元对DSRC频段的使用情况进行判断：如果判断出DSRC存在空闲频段，则把结果告知通信双方车载认知用户，通信双方车载认知用户直接利用DSRC频段发起通信；若DSRC频段没有空闲，此时需要进行频谱感知，路边单元将频谱感知命令发送给附近的所有车载认知用户；步骤3、接收到路边单元发出频谱感知命令的车载认知用户，启动认知功能对DVB-T授权频段进行准确的感知，并把感知结果即频谱使用情况发送给路边单元；步骤4、路边单元根据车载认知用户返回的感知结果判决DVB-T授权频段的各个子频段是否可用，并采用基于模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用的子频段即空闲频谱进行分配。2.根据权利要求1所述具有频谱分配功能的认知车载通信方法，其特征是，步骤4中所述采用基于模拟退火的布谷鸟搜索算法对可用的子频段即空闲频谱进行分配的具体步骤如下：步骤4.1、随机生成Q个鸟巢，并将鸟巢的位置向量进行映射得到分配矩阵；其中Q为将待通信车载认知用户数目；步骤4.2、计算各个鸟巢的适应度值，并保留适应度值最大的鸟巢作为最优鸟巢；步骤4.3、对鸟巢位置进行莱维飞行迭代，更新鸟巢位置；计算更新后的各个鸟巢的适应度值，并与更新前的鸟巢进行比较，留下两者中适应度值最大的鸟巢；步骤4....

【专利技术属性】
技术研发人员：肖海林，张玉冰，邱斌，蒋为，马得森，金晓晴，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45