一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法与流程

一技术领域

本发明涉及一种用于提高短波天波频率利用率的方法，特别是一种基于超图的短波频率合作竞争方法，属于无线通信领域。

二

背景技术：

短波频段既能够利用地波实现近距离通信，也能够利用天波经电离层反射实现远程通信，是人类发明和使用最早的无线通信手段，具有部署灵活、抗毁能力强和传输距离远等多种优点。经过100多年的发展，短波通信技术在频率预测、信道建模、自适应频率选择和设备器件等方面都取得了长足的发展。正在发展的第四代短波自动链路建立技术支持台站灵活选择数据速率和占用带宽，为提高短波通信的可靠性和适应不同需求的能力提供率新的可能。然而，短波频段频率资源有限，而短波业务及其用户数量不断增加，在已有国际《无线电规则》基于业务的固定频率划分框架下，各短波业务系统之间缺乏有效的合作机制。由此带来不同系统间工作频率的非合作竞争，同时为了保证短波业务系统自身性能，短波业务系统增大发射功率，使得有用和无用发射功率不断增大，其结果是非合作频率竞争伴随功率竞争，背景噪声逐年升高，短波业系统与其电磁环境之间形成恶性循环，导致短波电磁环境可利用率不断降低，严重制约了短波业务系统性能的提高。

现有改善短波业务系统性能的方法主要有增大发射功率、认知无线电技术、频率自适应技术、空间分集发射和接收技术等。这些技术针对单个短波业务系统性能改善进行优化，其本质是寻求单个系统更好竞争频率资源，难以从根本上解决短波频段业务系统面临的电磁环境恶化的共性问题。

合作是通过给予和共享，使得每个参与合作的实体都从中获得收益的行为，已经在移动通信、Ad Hoc网络、Internet等应用中普遍应用，但在可用频率十分有限的短波频段，还没有充分考虑短波业务系统之间的合作问题。因此，寻求合作竞争是解决短波业务系统面临的频率稀缺问题的重要途径。合作竞争(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竞争的现象，经济学中的合作竞争问题大多采用博弈论模型建模和分析。然而在短波电磁环境中，由于短波通信距离远、覆盖范围大，参与合作竞争的台站数量多，并且短波通信速率低，用于控制信息交互的信令信道带宽十分有限。采用博弈论模型建模和求解这种问题需要参与者交互的信息量较大，信息交互的时效性上也难以满足需求。作为图概念的推广，超图是离散数学中最一般的结构，用于分析和建模具有多元关系的系统，已经在生命科学、信息科学等领域获得了广泛应用。本发明主要基于超图模型建模和分析短波天波频率合作竞争问题，并提出快速、高效的合作竞争方法，从而优化短波频率利用。

三

技术实现要素：

本发明的主要目的在于解决短波频谱资源利用中的频率无序竞争对短波电磁环境和系统性能造成不利影响的问题，提出一种基于超图的频率合作竞争方法，支持短波业务系统通过合作竞争优化频率利用。本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法，其特征在于采用以下具体步骤：

(1)参与竞争的节点获取可用频率集，参与合作竞争的用户集合记为N＝{1，2，…，N}，通过长期预测和实时感知相结合的途径确定每个用户n∈N的可用频率集合计算用户n₁，n₂∈N在共同可用频率上建立链路能够获得的通信容量所有合作竞争相关控制信息均在预先约定或动态协商的呼叫频率c₀∈C_n，上收发；

(2)竞争声明发送，发起通信的节点n_s∈N发送竞争声明消息(Competition Announcement Message，CAM)，其中包括目标节点n_d∈N、每个可用频率上的期望通信容量以及竞争发送期结束时刻时间t_s等；

(3)竞争声明回复，接收到CAM信息的节点n_d∈N随机等待一个短时间段，然后发送竞争回复消息(Competition Reply Message，CRM)，其中包括n_d接收到的所有CAM消息中的信息；

(4)构建频率合作竞争超图，发起通信的节点n_s根据收到的CAM和CRM消息中的内容构建合作竞争超图H_n＝(N_n，E_n)，其中N_n为从n_s和n_d收到的CAM和CRM消息中获得的与n_s、n_d有频率竞争的节点集合，为超边集合，每个超边连接n_s和n_d采用频率c通信时影响范围内的所有节点；

(5)计算超边的负面影响因子，以衡量链路占用一个频率对与其相互竞争的节点的负面影响，首先定义变量以衡量频率c对于用户n_s、n_d的重要度，则超边的负面影响因子为

(6)频率使用竞争，n_s按照可用频率数量随机退避一个时间段，在没有被声明占用的频率中，选择满足自身通信容量需求且影响因子最小的超边对应的频率，作为拟占用频率，并发布频率占用消息(Frequency Occypying Message，FOM)，收到该信息后n_d回复占用确认消息(Occypying Aacknowledgement Message，OAM)，其它节点在收到该消息后将该频率标记为不可用，更新超图及其负面影响因子，并在剩余可用频率中按照上述方法选择使用频率；

(7)转入各自竞争成功的频率通信。

本发明的有益效果在于：

(1)通过简单的信令交互即可实现高效的频率合作竞争，有利于充分利用宝贵的短波频率资源；

(2)支持拟发起通信的节点随时发起合作竞争流程，同时也支持非同步节点在收到竞争声明消息后加入合作竞争，从而实现了分布式随遇发起的合作竞争，不需要所有节点的同步；

(3)采用最小负面影响因子优先的策略，使得在合作竞争中胜出的节点通信对短波电磁环境的影响降低到最小，从而能够基于相同频率资源支持更多用户通信，实现了频率资源的优化利用；

(4)采用天波频率合作竞争的方法，打破传统的“只顾自己、不顾别人”的短波天波用频模式。

四附图说明

图1为短波天波通信及其相互影响示意图；

图2为频率合作竞争时序图；

图3为消息交换及其作用范围示意图；

图4为基于超图的合作竞争模型示意图。。

五具体实施方式

以下结合具体实施例和附图，对本发明作进一步的说明。

短波天波通信及其相互影响如图1所示，短波天波通信信号经过电离层反射到达目标节点实现通信，具有覆盖范围大，影响节点多的特点。

本方法提出的合作竞争时序如图2所示，参与合作的节点以同步帧为单位工作，每个帧由竞争期和频率使用期组成。竞争期开始首先进行频率预测与感知，频率预测基于短波频率公共预测网获得长期预测的可用频率，感知采用能量感知的方法，对可用频率进行实时感知，以确定可以竞争使用的频率集合。获得可用频率信息以后，通过CAM、CRM、FOM和OAM消息的交互以及频率合作竞争超图、负面影响因子计算等步骤进行频率的合作竞争使用。

消息交互及其作用如图3所示，参与竞争的源节点和目标节点通过CAM、CRM、FOM和OAM消息的发送告知邻居节点其频率选择，并据此进行频率合作竞争。

基于超图的合作竞争模型如图4所示，给出了短波天波通信中节点发射对邻近节点的影响，由于不同频率的信道参数和影响范围内节点可用频率集的不同，发送节点采用c₁、c₂、c₃时，其对应的超边分别为和本方法采用超图模型以描述短波天波通信中这种相互影响的关系。