一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统，涉及电磁频谱管控技术领域，包括：构建频谱需求信息空间；根据频谱需求信息空间构建未来设定时间段的各时隙内无人系统可用信道矩阵和在各信道内的共享方式矩阵；根据可用信道矩阵和共享方式矩阵，以设定时间段内无人系统总吞吐量最大化为优化目标，构建动态频谱分配优化模型；根据动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵；根据信道分配矩阵和功率分配矩阵进行动频谱资源分配。本发明专利技术能够在电磁环境动态变化、无人系统实时移动的条件下，针对传输速率需求较高的通信业务，进行多信道接入混合频谱共享方式下动态频谱分配。式下动态频谱分配。式下动态频谱分配。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统


[0001]本专利技术涉及电磁频谱管控
，特别是涉及一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统。

技术介绍

[0002]无人系统是指无人驾驶的、完全按遥控操作或者按预编程序自主运行的武器装备，如无人机、无人车、无人舰艇等。随着信息技术的快速发展，无人系统广泛应用于各类军事和民用任务中，如移动通信、导航定位、侦查监视等，其任务执行能力高度依赖电磁频谱。面对复杂多变、资源紧缺的电磁环境，静态频谱分配方式存在频谱资源使用效率不高的问题，无法满足日益增长的用频需求，大规模、高密度、实时移动的无人系统也为动态频谱分配方式带来了挑战，如何进行高效的电磁频谱管控，使各无人系统可以有序用频，最大限度发挥频谱效能，已成为无人系统的关键问题之一。
[0003]面对动态变化的频谱环境和密集复杂的用频设备，无人系统在信息传输过程中，既要保证自身能够遂行各项军事任务，又要避免影响本地用户正常通信。因此需要无人系统能够应用动态频谱共享技术，伺机利用未充分使用的信道进行数据传输，并及时调整其发射功率，以避免对本地用户产生有害干扰，在提高频谱利用效率的同时，降低与其他用频设备间的冲突。
[0004]动态频谱共享方式可以分为填充式和下垫式两种。填充式频谱共享方式是无人系统利用空闲的授权信道，通过“见缝插针”的方式使用频谱资源。虽然该方式下无人系统能够暂时以较大的功率传输信息，并获得较高吞吐量，但也面临着随时因本地用户占用，而导致通信中断的问题，因此通信过程不够稳定。下垫式频谱共享方式中无人系统虽然可以不受本地用户占用信道状态的影响，但是无人系统为了避免干扰本地用户正常通信，需要控制自身的发射功率，导致了其传输速率较低，在本地用户活跃度低，即信道空闲时间较多时，该方式将导致频谱使用效率较低。综合上述两种频谱共享方式的优点，学者们提出了混合频谱共享方式。
[0005]混合频谱共享方式，即频谱管理端通过频谱数据库、频谱感知或强化学习等方法获得信道状态转移信息，并对本时隙各信道的忙闲状态做出判断，若认为本时隙信道空闲，则可以将该信道以填充式分配给无人系统，无人系统能够以该信道内最大传输功率进行通信；若认为本时隙信道忙碌，则可以将该信道以下垫式分配给无人系统，无人系统需控制发射功率，使其传输至本地用户接收端时不超过其干扰门限，以保证无人系统的持续通信。但目前混合频谱共享方式大多考虑只针对单信道接入，随着通信技术发展，高清视频等高速数据传输业务在各类任务中得以实现，在频谱资源严重紧缺的任务地域，单信道接入模式无法满足此类业务对带宽的需求，因此频谱管理端在进行动态频谱分配时，需要应用多信道接入模式，整合任务地域中零散的、未充分使用的频谱资源进行二次利用。由于受到能量和设备限制，各无人系统在使用频谱资源过程中需要考虑最大发射功率和最大可接入信道数，同时无人系统的移动将导致频谱环境更加复杂，信道切换更加频繁，时隙间信道切换成
本与单时隙总吞吐量存在矛盾，追求每个时隙总吞吐量最大，会导致切换成本增高，而减少信道切换也会影响单时隙内的吞吐量。
[0006]综上，如何在电磁环境动态变化、无人系统实时移动的条件下，针对传输速率需求较高的通信业务，进行多信道接入混合频谱共享方式下动态频谱分配，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统，能够在电磁环境动态变化、无人系统实时移动的条件下，针对传输速率需求较高的通信业务，进行多信道接入混合频谱共享方式下动态频谱分配。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，所述方法包括：
[0010]步骤1：获取无人系统在需要接入信道时提交的用频信息；
[0011]步骤2：根据所述用频信息构建频谱需求信息空间；所述频谱需求信息空间包括无人系统编号、最低传输速率需求、最大发射功率、最大可接入信道数、无人系统发射端和接收端的地理位置以及移动速度；
[0012]步骤3：根据所述频谱需求信息空间，构建未来设定时间段的各时隙内无人系统的可用信道矩阵和无人系统在各信道内的共享方式矩阵；所述设定时间段包括各所述时隙；
[0013]步骤4：根据所述可用信道矩阵和所述共享方式矩阵，以所述设定时间段内无人系统总吞吐量最大化为优化目标，构建动态频谱分配优化模型；
[0014]步骤5：根据所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵；
[0015]步骤6：根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配。
[0016]可选地，根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配，之后还包括：
[0017]获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息；所述反馈信息包括当前时隙内无人系统发射端和接收端的地理位置、移动速度、频谱使用情况以及授权信道内本地用户的占用情况。
[0018]可选地，获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息，之后还包括：
[0019]根据所述反馈信息修正所述设定时间段内本地用户在授权信道内的忙闲状态和无人系统的移动轨迹，更新所述可用信道矩阵和所述共享方式矩阵，得到新可用信道矩阵和新共享方式矩阵；所述新可用信道矩阵为更新后的可用信道矩阵；所述新共享方式矩阵为更新后的共享方式矩阵；
[0020]获取无人系统在授权信道中是否与本地用户发生冲突，或者所述最低传输速率需求是否无法满足的判断结果；
[0021]若所述判断结果为是，则根据所述新可用信道矩阵和所述新共享方式矩阵，以所述设定时间段的剩余时隙内无人系统总吞吐量最大化为优化目标，重新构建动态频谱分配
优化模型；
[0022]根据重新构建的所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法重新得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵；
[0023]根据重新得到的所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配；
[0024]若所述判断结果为否，则继续获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息。
[0025]可选地，根据所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵，具体包括：
[0026]初始化迭代次数为1，信道分配矩阵为零矩阵，总吞吐量为0，功率分配矩阵为最低功率；
[0027]利用固定变量法，将所述动态频谱分配优化模型中混合整数非线性规划问题转化为整数规划问题，对信道维度进行优化；
[0028]利用固定变量法，将所述动态频谱分配优化模型中混合整数非线性规划问本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：获取无人系统在需要接入信道时提交的用频信息；步骤2：根据所述用频信息构建频谱需求信息空间；所述频谱需求信息空间包括无人系统编号、最低传输速率需求、最大发射功率、最大可接入信道数、无人系统发射端和接收端的地理位置以及移动速度；步骤3：根据所述频谱需求信息空间，构建未来设定时间段的各时隙内无人系统的可用信道矩阵和无人系统在各信道内的共享方式矩阵；所述设定时间段包括各所述时隙；步骤4：根据所述可用信道矩阵和所述共享方式矩阵，以所述设定时间段内无人系统总吞吐量最大化为优化目标，构建动态频谱分配优化模型；步骤5：根据所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵；步骤6：根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配。2.根据权利要求1所述的基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，其特征在于，根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配，之后还包括：获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息；所述反馈信息包括当前时隙内无人系统发射端和接收端的地理位置、移动速度、频谱使用情况以及授权信道内本地用户的占用情况。3.根据权利要求2所述的基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，其特征在于，获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息，之后还包括：根据所述反馈信息修正所述设定时间段内本地用户在授权信道内的忙闲状态和无人系统的移动轨迹，更新所述可用信道矩阵和所述共享方式矩阵，得到新可用信道矩阵和新共享方式矩阵；所述新可用信道矩阵为更新后的可用信道矩阵；所述新共享方式矩阵为更新后的共享方式矩阵；获取无人系统在授权信道中是否与本地用户发生冲突，或者所述最低传输速率需求是否无法满足的判断结果；若所述判断结果为是，则根据所述新可用信道矩阵和所述新共享方式矩阵，以所述设定时间段的剩余时隙内无人系统总吞吐量最大化为优化目标，重新构建动态频谱分配优化模型；根据重新构建的所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法重新得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵；根据重新得到的所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵进行频谱资源分配；若所述判断结果为否，则继续获取所述设定时间段内当前时隙，无人系统根据所述信道分配矩阵和所述功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息。4.根据权利要求1所述的基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，其特征在于，根据所述动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法得到满足循环结束条件时的信道分配矩阵和功率分配矩阵，具体包括：初始化迭代次数为1，信道分配矩阵为零矩阵，总吞吐量为0，功率分配矩阵为最低功
率；利用固定变量法，将所述动态频谱分配优化模型中混合整数非线性规划问题转化为整数规划问题，对信道维度进行优化；利用固定变量法，将所述动态频谱分配优化模型中混合整数非线性规划问题转化为非整数规划问题，得到功率分配矩阵，并计算出总吞吐量；判断是否满足循环结束条件；若是，则结束循环，输出信道分配矩阵和功率分配矩阵，并初始化分配时隙为1；若否，则将迭代次数加1，更新迭代次数，返回步骤“利用固定变量法，将所述动态频谱分配优化模型中混合整数非线性规划问题转化为整数规划问题，对信道维度进行优化”。5.一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统，其特征在于，所述系统包括：用频信息获取模块，用于获取无人系统在需要接入信道时提...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，周鑫，何攀峰，张余，钱鹏智，杜奕航，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：