多用户协同抗干扰系统及动态频谱协同抗干扰方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多用户协同抗干扰系统及动态频谱协同抗干扰方法，属于无线通信抗干扰技术领域。由多个数据采集设备和用频设备组成分布式无线网络，每个不同用频设备需要将数据上传给附近的数据采集设备；网络外部受到恶意干扰攻击。网络内用户可通过宽带频谱感知当前干扰信号所处频段，采用分布式学习调整信道接入策略。首先通信方观测干扰信号，并将干扰信号作为“推荐信号”；各用户根据推荐信号与对应的信道接入概率，挑选信道进行数据传输，并与邻居节点进行信息交互确定通信回报；之后，根据通信回报更新信道接入策略表对应的信道接入概率。本发明专利技术模型完备，物理意义清晰，既可避免同频互扰，也可避开恶意干扰，有效提高了网络通信吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
多用户协同抗干扰系统及动态频谱协同抗干扰方法
本专利技术属于无线通信抗干扰
，特别是一种多用户协同抗干扰系统以及基于分布式多模学习的动态频谱协同抗干扰方法。
技术介绍
干扰攻击对无线通信网络的威胁是非常严重的，通常是通过发射电磁干扰信号影响用频设备的合法通信。此外，随着无线通信的迅速发展，用频设备数目呈爆炸式增长，导致频谱资源逐渐紧缺，网络中通常存在多个用频设备同时通信，相互之间造成严重的同频互扰。因此，对无线通信网络而言，需要同时应对外部恶意干扰和内部同频互扰两大挑战。从内部协同的角度来看，部分研究者采用基于博弈论的方法协调内部用频冲突。例如，将分布式信道接入问题建模为非合作博弈，并采用随机学习自动机方法实现信道冲突避免关注用户间的干扰(同频互扰)消除(M.Zandi,M.DongandA.Grami,“Distributedstochasticlearningandadaptationtoprimarytrafficfordynamicspectrumaccess,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.15,no.3,pp.1675-1688,March2016.)。又比如：引入有效容量，并提出多智体学习算法优化系统可达有效容量(Y.Xu,J.Wang,Q.Wu,J.Zheng,L.Shen,andA.Anpalagan,“Dynamicspectrumaccessintime-varyingenvironment:Distributedlearningbeyondexpectationoptimization,”IEEETrans.Commun.,vol.65,no.12,pp.5305-5318,2017.)。然而，上述文献通常假设环境是静态的，而没有考虑干扰的动态变化。从外部对抗的角度来看，部分研究者采用斯坦伯格博弈对通信抗干扰问题进行建模(L.Jia,Y.Xu,Y.Sun,S.FengandA.Anpalagan,“Stackelberggameapproachesforanti-Jammingdefenceinwirelessnetworks,”IEEEWirelessCommun.,vol.25,no.6,pp.120-128,2018.)。此外，还有部分研究者考虑干扰观测误差对用户抗干扰通信性能的影响(L.Xiao,T.Chen,J.Liu,andH.Dai,“Anti-jammingtransmissionStackelberggamewithobservationerrors,”IEEECommun.Lett.,vol.19,no.6,pp.949-952,Jun.2015.)。然而，上述文献通常假设用户可以获取干扰的效用函数或干扰行为特征，而这些信息在对抗环境中通常难以直接获得。将现有方法用于解决多用户协同抗干扰问题，主要存在以下挑战：1、用户的信道选择会随时间动态变化，造成严重同频互扰，系统内部用频协调难；2、系统外部恶意干扰的存在加剧了系统的冲突水平，针对系统内部的优化方法通常无法适应于动态变化的干扰环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种模型完备、物理意义清晰、能够协调同频互扰并避免外部恶意干扰信号的动态频谱协同抗干扰方法。本专利技术同时考虑内部用频决策的动态变化和外部恶意干扰的动态变化，引入情景知觉的理念，对每种干扰信号，用户均维持一组特定的信道接入策略表。此外，采用博弈论对动态频谱协同抗干扰问题进行建模，结合分布式学习算法求解用户的信道接入策略。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种多用户协同抗干扰系统，包括一个分布式无线网络，由若干个数据采集设备和用频设备组成，用户集合设为每一个用户表示距离相近的一个用频终端设备和一个数据采集设备，可用信道集合为假设N>M。进一步，本专利技术的多用户协同抗干扰系统，为传输自身数据，所有用频设备竞争接入M条可用信道；假设系统中存在一个额外的公共控制信道，用频设备能够通过该公共控制信道与邻居交互信息；若超过两个用户选择同一信道进行通信，则这些用户可共享该同一信道；当用户n工作于可用信道m上时，用户可达期望传输速率unm为：其中，δjm表示干扰机是否干扰可用信道m，0表示未干扰，1表示干扰；B为信道带宽；Am表示用户n的邻居中选择了可用信道m的用户数量；Pn为用户n的传输功率，dn为用户n发射机到接收机的距离，α为路径衰落系数，σ2为信道的噪声功率。进一步，本专利技术的多用户协同抗干扰系统，假设每个用户在每个时隙只能选择一个信道进行传输，干扰也只能在每个时隙攻击一个信道，则用户n的可达传输速率un表示为：其中，δnm表示用户n是否选择信道m进行通信，在该模型中，超过两个邻居用户选择同一个可用信道将会使得网络性能下降，则该网络的优化目标为：进一步，本专利技术的多用户协同抗干扰系统，采用局部互利博弈对分布式抗干扰信道接入问题进行建模，并解决分布式决策优化；该博弈模型表示为其中表示干扰机；εn为用户n的邻居用户集；An是用户n的所有策略组合，且an∈An是用户n的一种可用信道选择策略；Aj是干扰机的所有可能策略，并且aj∈Aj是干扰机的一种干扰策略；在局部互利博弈中，用Un表示用户n的效用函数，如下式所示：其中，是用户n的邻居用户的可用信道选择策略；uk表示用户k的可达传输速率，ak表示用户k的信道选择策略，表示用户k的邻居用户的信道选择策略；在该博弈中，各用户的目标为un为用户n的可达传输速率；用户n的效用函数为自身满意度与其邻居用户的满意度之和，用户不仅需要优化自身满意度，同时需要考虑受其影响的邻居用户的满意度，邻居间需要进行满意度信息交互。进一步，本专利技术的多用户协同抗干扰系统，对于干扰机的一种干扰策略aj，当且仅当没有任何用户单方面改变可用信道策略能够提高其效用函数时，可用信道策略组合是纯策略纳什均衡，其中表示达到纯策略纳什均衡时用户n的信道选择策略：其中，代表从集合An中移除元素的集合，a-n＝{a1,...,an-1,an+1,...,aN}表示除n外的其他用户的决策；此外，若存在一个势能函数φe:A1×...×AN→R，使得对任意用户任意策略an∈An和a′n∈An，下列等式成立：Un(an,a-n,aj)-Un(a′n,a-n,aj)＝φe(an,a-n,aj)-φe(a′n,a-n,aj)则该博弈称为精确势能博弈，一个精确势能博弈中任意用户单方面改变策略导致的效用函数变化量和势能函数的变化量一样；其中a′n是用户n的信道选择策略，是区别于an的其他策略。进一步，本专利技术的多用户协同抗干扰系统，对于干扰机的一种干扰策略aj，所提抗干扰局部互利博弈是一个精确势能博弈，且至少存在一个博弈的纯策略纳什均衡；此外，全网用户满意度最大化问题的最优解是该博弈的纯策略纳什均衡；首先构造如下势能函数φ1(an,a-n,aj)：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多用户协同抗干扰系统，其特征在于，包括一个分布式无线网络，由若干个数据采集设备和用频设备组成，用户集合设为

【技术特征摘要】
1.一种多用户协同抗干扰系统，其特征在于，包括一个分布式无线网络，由若干个数据采集设备和用频设备组成，用户集合设为每一个用户表示距离相近的一个用频终端设备和一个数据采集设备，可用信道集合为假设N>M。


2.根据权利要求1所述的多用户协同抗干扰系统，为传输自身数据，所有用频设备竞争接入M条可用信道；假设系统中存在一个额外的公共控制信道，用频设备能够通过该公共控制信道与邻居交互信息；若超过两个用户选择同一信道进行通信，则这些用户可共享该同一信道；当用户n工作于可用信道m上时，用户可达期望传输速率unm为：



其中，δjm表示干扰机是否干扰可用信道m，0表示未干扰，1表示干扰；B为信道带宽；Am表示用户n的邻居中选择了可用信道m的用户数量；Pn为用户n的传输功率，dn为用户n发射机到接收机的距离，α为路径衰落系数，σ2为信道的噪声功率。


3.根据权利要求1所述的多用户协同抗干扰系统，假设每个用户在每个时隙只能选择一个信道进行传输，干扰也只能在每个时隙攻击一个信道，则用户n的可达传输速率un表示为：









其中，δnm表示用户n是否选择信道m进行通信，在该模型中，超过两个邻居用户选择同一个可用信道将会使得网络性能下降，则该网络的优化目标为：





4.根据权利要求1所述的多用户协同抗干扰系统，其特征在于，采用局部互利博弈对分布式抗干扰信道接入问题进行建模，并解决分布式决策优化；该博弈模型表示为其中表示干扰机；εn为用户n的邻居用户集；An是用户n的所有策略组合，且an∈An是用户n的一种可用信道选择策略；Aj是干扰机的所有可能策略，并且aj∈Aj是干扰机的一种干扰策略；
在局部互利博弈中，用Un表示用户n的效用函数，如下式所示：



其中，是用户n的邻居用户的可用信道选择策略；uk表示用户k的可达传输速率，ak表示用户k的信道选择策略，表示用户k的邻居用户的信道选择策略；在该博弈中，各用户的目标为un为用户n的可达传输速率；用户n的效用函数为自身满意度与其邻居用户的满意度之和，用户不仅需要优化自身满意度，同时需要考虑受其影响的邻居用户的满意度，邻居间需要进行满意度信息交互。


5.根据权利要求1所述的多用户协同抗干扰系统，其特征在于，对于干扰机的一种干扰策略aj，当且仅当没有任何用户单方面改变可用信道策略能够提高其效用函数时，可用信道策略组合是纯策略纳什均衡，其中表示达到纯策略纳什均衡时用户n的信道选择策略：



其中，代表从集合An中移除元素的集合，a-n＝{a1,...,an-1,an+1,...,aN}表示除n外的其他用户的决策；
此外，若存在一个势能函数φe:A1×...×AN→R，使得对任意用户任意策略an∈An和a′n∈An，下列等式成立：
Un(an,a-n,aj)-Un(a′n,a-n,aj)＝φe(an,a-n,aj)-φe(a′n,a-n,aj)
则该博弈称为精确势能博弈，一个精确势能博弈中任意用户单方面改变策略导致的效用函数变化量和势能函数的变化量一样；其中a′n是用户n...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐逸凡，陈瑾，徐煜华，任国春，汪西明，李文，冯智斌，
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