一種基於超圖的短波天波頻率合作競爭方法與流程
2023-09-12 18:28:45 1
一技術領域
本發明涉及一種用於提高短波天波頻率利用率的方法，特別是一種基於超圖的短波頻率合作競爭方法，屬於無線通信領域。
二
背景技術：
短波頻段既能夠利用地波實現近距離通信，也能夠利用天波經電離層反射實現遠程通信，是人類發明和使用最早的無線通信手段，具有部署靈活、抗毀能力強和傳輸距離遠等多種優點。經過100多年的發展，短波通信技術在頻率預測、信道建模、自適應頻率選擇和設備器件等方面都取得了長足的發展。正在發展的第四代短波自動鏈路建立技術支持臺站靈活選擇數據速率和佔用帶寬，為提高短波通信的可靠性和適應不同需求的能力提供率新的可能。然而，短波頻段頻率資源有限，而短波業務及其用戶數量不斷增加，在已有國際《無線電規則》基於業務的固定頻率劃分框架下，各短波業務系統之間缺乏有效的合作機制。由此帶來不同系統間工作頻率的非合作競爭，同時為了保證短波業務系統自身性能，短波業務系統增大發射功率，使得有用和無用發射功率不斷增大，其結果是非合作頻率競爭伴隨功率競爭，背景噪聲逐年升高，短波業系統與其電磁環境之間形成惡性循環，導致短波電磁環境可利用率不斷降低，嚴重製約了短波業務系統性能的提高。
現有改善短波業務系統性能的方法主要有增大發射功率、認知無線電技術、頻率自適應技術、空間分集發射和接收技術等。這些技術針對單個短波業務系統性能改善進行優化，其本質是尋求單個系統更好競爭頻率資源，難以從根本上解決短波頻段業務系統面臨的電磁環境惡化的共性問題。
合作是通過給予和共享，使得每個參與合作的實體都從中獲得收益的行為，已經在移動通信、Ad Hoc網絡、Internet等應用中普遍應用，但在可用頻率十分有限的短波頻段，還沒有充分考慮短波業務系統之間的合作問題。因此，尋求合作競爭是解決短波業務系統面臨的頻率稀缺問題的重要途徑。合作競爭(Co-opetition)的概念最早由Nalebuff和Brandenburger提出，用以描述即包含合作又包含競爭的現象，經濟學中的合作競爭問題大多採用博弈論模型建模和分析。然而在短波電磁環境中，由於短波通信距離遠、覆蓋範圍大，參與合作競爭的臺站數量多，並且短波通信速率低，用於控制信息交互的信令信道帶寬十分有限。採用博弈論模型建模和求解這種問題需要參與者交互的信息量較大，信息交互的時效性上也難以滿足需求。作為圖概念的推廣，超圖是離散數學中最一般的結構，用於分析和建模具有多元關係的系統，已經在生命科學、信息科學等領域獲得了廣泛應用。本發明主要基於超圖模型建模和分析短波天波頻率合作競爭問題，並提出快速、高效的合作競爭方法，從而優化短波頻率利用。
三
技術實現要素：
本發明的主要目的在於解決短波頻譜資源利用中的頻率無序競爭對短波電磁環境和系統性能造成不利影響的問題，提出一種基於超圖的頻率合作競爭方法，支持短波業務系統通過合作競爭優化頻率利用。本發明的目的是由以下技術方案實現的：
一種基於超圖的短波天波頻率合作競爭方法，其特徵在於採用以下具體步驟：
(1)參與競爭的節點獲取可用頻率集，參與合作競爭的用戶集合記為N＝{1，2，…，N}，通過長期預測和實時感知相結合的途徑確定每個用戶n∈N的可用頻率集合計算用戶n1，n2∈N在共同可用頻率上建立鏈路能夠獲得的通信容量所有合作競爭相關控制信息均在預先約定或動態協商的呼叫頻率c0∈Cn，上收發；
(2)競爭聲明發送，發起通信的節點ns∈N發送競爭聲明消息(Competition Announcement Message，CAM)，其中包括目標節點nd∈N、每個可用頻率上的期望通信容量以及競爭發送期結束時刻時間ts等；
(3)競爭聲明回復，接收到CAM信息的節點nd∈N隨機等待一個短時間段，然後發送競爭回復消息(Competition Reply Message，CRM)，其中包括nd接收到的所有CAM消息中的信息；
(4)構建頻率合作競爭超圖，發起通信的節點ns根據收到的CAM和CRM消息中的內容構建合作競爭超圖Hn＝(Nn，En)，其中Nn為從ns和nd收到的CAM和CRM消息中獲得的與ns、nd有頻率競爭的節點集合，為超邊集合，每個超邊連接ns和nd採用頻率c通信時影響範圍內的所有節點；
(5)計算超邊的負面影響因子，以衡量鏈路佔用一個頻率對與其相互競爭的節點的負面影響，首先定義變量以衡量頻率c對於用戶ns、nd的重要度，則超邊的負面影響因子為
(6)頻率使用競爭，ns按照可用頻率數量隨機退避一個時間段，在沒有被聲明佔用的頻率中，選擇滿足自身通信容量需求且影響因子最小的超邊對應的頻率，作為擬佔用頻率，並發布頻率佔用消息(Frequency Occypying Message，FOM)，收到該信息後nd回復佔用確認消息(Occypying Aacknowledgement Message，OAM)，其它節點在收到該消息後將該頻率標記為不可用，更新超圖及其負面影響因子，並在剩餘可用頻率中按照上述方法選擇使用頻率；
(7)轉入各自競爭成功的頻率通信。
本發明的有益效果在於：
(1)通過簡單的信令交互即可實現高效的頻率合作競爭，有利於充分利用寶貴的短波頻率資源；
(2)支持擬發起通信的節點隨時發起合作競爭流程，同時也支持非同步節點在收到競爭聲明消息後加入合作競爭，從而實現了分布式隨遇發起的合作競爭，不需要所有節點的同步；
(3)採用最小負面影響因子優先的策略，使得在合作競爭中勝出的節點通信對短波電磁環境的影響降低到最小，從而能夠基於相同頻率資源支持更多用戶通信，實現了頻率資源的優化利用；
(4)採用天波頻率合作競爭的方法，打破傳統的「只顧自己、不顧別人」的短波天波用頻模式。
四附圖說明
圖1為短波天波通信及其相互影響示意圖；
圖2為頻率合作競爭時序圖；
圖3為消息交換及其作用範圍示意圖；
圖4為基於超圖的合作競爭模型示意圖。。
五具體實施方式
以下結合具體實施例和附圖，對本發明作進一步的說明。
短波天波通信及其相互影響如圖1所示，短波天波通信信號經過電離層反射到達目標節點實現通信，具有覆蓋範圍大，影響節點多的特點。
本方法提出的合作競爭時序如圖2所示，參與合作的節點以同步幀為單位工作，每個幀由競爭期和頻率使用期組成。競爭期開始首先進行頻率預測與感知，頻率預測基於短波頻率公共預測網獲得長期預測的可用頻率，感知採用能量感知的方法，對可用頻率進行實時感知，以確定可以競爭使用的頻率集合。獲得可用頻率信息以後，通過CAM、CRM、FOM和OAM消息的交互以及頻率合作競爭超圖、負面影響因子計算等步驟進行頻率的合作競爭使用。
消息交互及其作用如圖3所示，參與競爭的源節點和目標節點通過CAM、CRM、FOM和OAM消息的發送告知鄰居節點其頻率選擇，並據此進行頻率合作競爭。
基於超圖的合作競爭模型如圖4所示，給出了短波天波通信中節點發射對鄰近節點的影響，由於不同頻率的信道參數和影響範圍內節點可用頻率集的不同，發送節點採用c1、c2、c3時，其對應的超邊分別為和本方法採用超圖模型以描述短波天波通信中這種相互影響的關係。