一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法技术方案

本发明专利技术涉及一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，属于雷达及通信联合探测以及频谱共享技术领域。在已知雷达系统和LTE两者的工作范围以及次级用户干扰大小的情况下，确定联合探测系统六个决策变量，并随机生成一组个体并建立目标函数；对个体进行非支配排序和拥挤度计算；通过二进制交叉和多项式变异更新个体的决策变量取值及其目标函数值，再进行非支配排序，淘汰性能较差的个体，形成精英种群；对此精英种群重复迭代，统计各个决策变量的出现频率，根据该频率给出决策变量取值，并实现频谱分配。所述方法在计算复杂度可控的情况下，通过路径损耗中引入随机变量，使探测及通信性能维持在高水准，使得最优解的拟合速度显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法
本专利技术涉及一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，属于雷达及通信联合探测以及频谱共享

技术介绍
随着5G时代的到来，越来越多的无线通信设备投入使用，各种数据流和业务对频谱资源的需求不断扩大，然而频谱资源的总量是一定的，这就使得确保用户频谱接入的问题成为日益严峻的挑战。我国的频谱资源分配机制是由政府相关部门直接向运营商进行授权，将特定的频段分配出去。然而，尽管频谱资源非常紧张，但整体频谱的利用率却不高，因为固定的频谱分配策略使得该段频谱只能是授权用户使用，但并不是每个用户都有时刻传输信息的需要。为了应对这种频率资源紧张，但实际频带利用率不高的局面，频谱共享技术得以发展和应用。频谱共享技术是在已有授权的主用户优先使用频带的前提下，次要用户按照一定规则动态接入空闲频谱，与主要用户共享频谱。但次要用户的存在不能影响主要用户的正常工作，次要用户对主要用户的干扰应该限定在一定范围内，以此来提高频谱利用率。频谱共享技术主要可以分为衬垫式频谱共享和覆盖式频谱共享。衬垫式频谱共享是指次要用户接入频带时，可以与主要用户占用同一频段，主用户相当于将次要用户的信号当做噪声来处理；覆盖式频谱共享是指，次要用户感知到空闲频带即可接入，但是一旦次要用户感知到主用户重新占用该频道，次要用户就必须及时退出，等次要用户感知到这个频段再次变为空闲状态后，次要用户才可以继续占用。现有的在联合探测及通信系统下的频谱共享方法在具有次级干扰用户干扰的情况下，对于频谱资源分配难以达到雷达信干比和通信系统容量的同时优化，因此非常需要研究一种有效的频谱分配方法，使得联合探测及通信系统的雷达信干比和通信容量达到最佳。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有联合探测及通信系统中的频谱共享方法在具有次级用户干扰的情况下会有雷达信干比及通信容量难以通过频谱分配达到两者最佳的技术缺陷，提出了一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法。本专利技术的核心思想为：在已知雷达系统和LTE两者的工作范围以及次级用户干扰大小的情况下，确定联合探测系统六个决策变量，并随机生成一组个体并建立目标函数；对个体进行非支配排序和拥挤度计算；通过二进制交叉和多项式变异更新个体的决策变量取值及其目标函数值，再进行非支配排序，淘汰性能较差的个体，形成精英种群；对此精英种群重复迭代，统计各个决策变量的出现频率，根据该频率给出决策变量取值，并实现频谱分配。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：所述鲁棒频谱共享方法依托的系统包括移动目标User0、雷达User1、LTE基站User2以及LTE移动端User3；下标0、1、2、3分别对应4类不同用户；所述联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，包括如下步骤：步骤1、分别设定雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益、迭代次数、波动次数、种群大小、路径损耗模型以及三个目标函数的边界条件，并设定六个决策变量及工作范围；其中，雷达天线增益的取值范围18到22dBi；LTE基站天线增益的取值范围17到21dBi；LTE移动端天线增益的取值范围0到2dBi；迭代次数T的取值范围为50到200；波动次数N的取值范围为500到2000；种群大小M的取值范围为50到200；设定的三个目标函数的边界条件为雷达信干比目标函数的最小值Z1,min、距离分辨率倒数目标函数的最小值Z2,min及通信容量目标函数的最小值Z3,min，且Z1,min的取值范围10到20，Z2,min的取值范围0.1到0.5，Z3,min的取值范围80到100；设定的六个决策变量为雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率，且雷达发射功率的工作范围为1到50W，LTE发射功率的工作范围为26到46W；雷达带宽的工作范围为0.1到100MHz，LTE带宽的工作范围为1.4到20MHz；雷达起始频率的工作范围为0.1到100MHz，LTE起始频率的工作范围为0.1到100MHz；路径损耗模型为在Longley-Rice模型基础上对路径损耗引入波动，表述为：其中，路径损耗表达为：且K0为路径损耗常数，范围200到300；R12是雷达User1与LTE基站User2间的距离，范围15到20km；R23是LTE基站User2与LTE移动端User3间的距离，范围10到15km；R13是雷达User1与LTE移动端User3间的距离，范围1到4km；α是路径损耗指数，范围3到5；a是引入的波动，为在0到1内服从均匀分布的随机数；ψ21是雷达User1与LTE基站User2间的路径损耗；ψ13是雷达User1与LTE移动端User3间的路径损耗；ψ23是LTE移动端User3与LTE基站User2间的路径损耗；步骤2、基于步骤1设定的雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益，依据6个决策变量的工作范围随机产生M个天线增益相同的个体，生成初始种群；其中，每个个体包括雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率的值；步骤3、计算步骤2产生的每一个个体的三个目标参数值，并基于目标参数值求出对应的目标函数值；其中，三个目标参数值为：雷达信干比、距离分辨率倒数及通信容量；步骤3，具体为：雷达信干比的目标函数值为：10乘以10为底“波动次数N个雷达信干比的均值”除以“波动次数N个雷达信干比的方差”的对数；雷达距离分辨率的目标函数值为：雷达距离分辨率的倒数；通信系统容量的目标函数值为：10乘以10为底“波动次数N个通信系统容量的均值”除以“波动次数N个通信系统容量的方差”的对数；步骤4、根据步骤3求出的目标函数值，对每个个体进行非支配等级排序，具体包括如下子步骤：步骤4.1初始化j＝1、m＝1以及集合Fm为空，并设定两个参数：nj表示种群中所有能支配第j个个体的个体数目，Sj表示种群中所有受第j个个体支配的个体集合；其中，j为个体序号，其取值范围为1到M，Fm为非支配等级为m的个体集合；m为支配等级，其中m＝1对应的Fm，为所有nj＝0的个体；步骤4.2找到种群中所有nj＝0的个体，放入集合Fm中；步骤4.3对于在集合Fm中的每个个体，找到种群中所有受该个个体支配的个体集合，遍历该集合中的每个个体，对“所有能支配该个体的个体数目”进行减1操作，若减1操作后为0，则认为该个体的非支配等级为m+1，并将该个体放入集合Q中；否则，若减1操作后不为0，继续步骤4.3遍历个体；如果所有个体遍历了，跳至步骤4.4；步骤4.4对支配等级m进行加1操作，即令m＝m+1，并将步骤4.3生成的集合Q替换为集合Fm；步骤4.5判断集合Fm是否为空，若否，将集合Q清空后，跳至步骤4.3；至此，从步骤4.1到步骤4.5，完成了种群中所有个体的非支配等级排序；步骤5、根据步骤3计算出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，其特征在于：依托的系统包括移动目标User

【技术特征摘要】
1.一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，其特征在于：依托的系统包括移动目标User0、雷达User1、LTE基站User2以及LTE移动端User3；下标0、1、2、3分别对应4类不同用户；所述方法，包括如下步骤：
步骤1、分别设定雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益、迭代次数、波动次数、种群大小、路径损耗模型以及三个目标函数的边界条件，并设定六个决策变量及工作范围；
设定的三个目标函数的边界条件为雷达信干比目标函数的最小值Z1,min、距离分辨率倒数目标函数的最小值Z2,min及通信容量目标函数的最小值Z3,min；
设定的六个决策变量为雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率，路径损耗模型为在Longley-Rice模型基础上对路径损耗引入波动；
步骤2、基于步骤1设定的雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益，依据6个决策变量的工作范围随机产生M个天线增益相同的个体，生成初始种群；
其中，每个个体包括雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率的值；
步骤3、计算步骤2产生的每一个个体的三个目标参数值，并基于目标参数值求出对应的目标函数值；
其中，三个目标参数值为：雷达信干比、距离分辨率倒数及通信容量；
步骤3，具体为：雷达信干比的目标函数值为：10乘以10为底“波动次数N个雷达信干比的均值”除以“波动次数N个雷达信干比的方差”的对数；
雷达距离分辨率的目标函数值为：雷达距离分辨率的倒数；
通信系统容量的目标函数值为：10乘以10为底“波动次数N个通信系统容量的均值”除以“波动次数N个通信系统容量的方差”的对数；
步骤4、根据步骤3求出的目标函数值，对每个个体进行非支配等级排序，具体包括如下子步骤：
步骤4.1初始化j＝1、m＝1以及集合Fm为空，并设定两个参数：nj表示种群中所有能支配第j个个体的个体数目，Sj表示种群中所有受第j个个体支配的个体集合；
其中，j为个体序号，Fm为非支配等级为m的个体集合；
步骤4.2找到种群中所有nj＝0的个体，放入集合Fm中；
步骤4.3对于在集合Fm中的每个个体，找到种群中所有受该个个体支配的个体集合，遍历该集合中的每个个体，对“所有能支配该个体的个体数目”进行减1操作，若减1操作后为0，则认为该个体的非支配等级为m+1，并将该个体放入集合Q中；否则，若减1操作后不为0，继续步骤4.3遍历个体；如果所有个体遍历了，跳至步骤4.4；
步骤4.4对支配等级m进行加1操作，即令m＝m+1，并将步骤4.3生成的集合Q替换为集合Fm；
步骤4.5判断集合Fm是否为空，若否，将集合Q清空后，跳至步骤4.3；
至此，从步骤4.1到步骤4.5，完成了种群中所有个体的非支配等级排序；
步骤5、根据步骤3计算出来的每个个体的目标函数值和步骤4完成的非支配等级排序，对每个个体进行拥挤度计算，具体为：
步骤5.1假设经过步骤4后所有个体被分到了J个支配等级的集合中，即步骤4中的非支配等级下标m范围为1到J，初始化非支配等级下标m为1；
步骤5.2引入步骤4中的集合Fm，根据步骤3计算得到的每个个体的各目标函数值对Fm中的个体进行由小到大的排序；
其中，集合Fm中包含的个体数，记为r；
步骤5.3对于Fm中的第i个个体的拥挤度Di的计算公式如下(2)所示：



其中，f1，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的雷达信干比目标函数值；f1，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的雷达信干比的目标函数值；f2，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的雷达距离分辨率的目标函数值；f2，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的雷达距离分辨率的目标函数值；f3，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的通信系统容量的目标函数值；f3，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的通信系统容量的目标函数值；i的取值范围为2到r-1，r大于等于1；
步骤6、根据步骤4和步骤5计算出来的每个个体的支配等级和拥挤度及步骤1设定的种群大小M，初始化联赛结果集合U为空，对种群中个体进行M次联赛选择；
其中，一次联赛选择，具体为：从种群中随机挑选出两个个体，比较此两个个体的支配等级，具体为：若此两个个体的支配等级相等，则继续比较该两个个体的拥挤度，若此两个个体的拥挤度大小相等，则选择两个个体中的任一个个体放入集合U中；若两个个体的拥挤度不相等，则将拥挤度值小的个体放入集合U中；否则，若两个个体的支配等级不相等，则将支配等级高的个体将其放入集合U中，一次联赛选择完成；
步骤7、将由步骤6计算得到的集合U中的M个个体依次以2个为1组作为父代个体，总共有M/2组，从中随机选择P组父代个体，再分别对其中的每1组父代个体进行模拟二进制交叉得到2个子代个体，最终共计算得到2P个子代个体放入后代个体集合O中；将剩余的未进行模拟二进制交叉的(M/2-P)组父代个体放入后代个体集合O中，集合O中共包含M个个体；
其中，在一次迭代中进行模拟二进制交叉的父代个体为第i个个体和第i+1个个体，且i的取值范围为1到M-1；
模拟二进制交叉，包括如下子步骤：
步骤7.1计算第i个子代个体和第i+1个子代个体的6个决策变量值，计算公式如下(3)(4)所示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹鹏，陈劭元，尤信群，许欣，吴辑，卢继华，梁青云，王群，赵勇强，
申请(专利权)人：军工保密资格审查认证中心，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11