一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法与流程

技术特征：

1.一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法包括以下步骤：

步骤1：若β≥β₀，发起新一次竞争频谱，否则SMC继续伺服等待；其中β表示当前系统频谱池中的空闲频谱总量占授权用户拥有的频谱总量的比值，β₀为频谱管理中心定的阈值，SMC为频谱管理中心；

步骤2：N个认知用户向SMC提交各自投标

步骤3：初始化参数：系统总吞吐量TR、数据传输需求D_n、单位信道宽度△f、被初分配的认知用户数q，q≤N，认知用户n在m_n上的传输速率为其中m_n表示认知用户n获得的空闲信道数；

步骤4：对N个认知用户按照降序进行排列；每个认知用户在其获得的信道上的预期占用时长t_n根据数据传输需求D_n求出：

$t_n=\frac{D_n}{\left(\frac{R_{n,m_n}}{B_{m_n}}\right)m_n\mathrm{\Δ}f}---\left(12\right)$

其中△f为单位信道带宽，为m_n个空闲信道的带宽。

步骤5：按照t_n得到认知用户成功占用预期占用时长的概率P(t_n)，该概率表明认知无线电系统的统计平均吞吐量，得到认知无线电系统总吞吐量为：

$TR=\underset{n=0}{\overset{q-1}{\Σ}}P\left(t_n\right){\left(\frac{R_{n,m_q}}{B_{m_q}}\right)}_q{m}_q\mathrm{\Δ}f---\left(13\right)$

其中m_q表示q个认知用户获得的空闲信道数，为m_q个空闲信道的带宽；

步骤6：选择分享信道新加入的认知用户n′：

I₁＝{n|m_n≥m_n′,n,n′∈[0,q-1]},I₂＝{n|m_n≥1,n∈I₁},

$I_3=\left\{n\right|{\left(\frac{R_{n,m_q}}{B_{m_q}}\right)}_n\≤{\left(\frac{R_{n^{\′},m_q}}{B_{m_q}}\right)}_{n^{\′}},n,n^{\′}\∈I_2\}$

其中m_n'表示新加入的认知用户n′获得的信道数，代表新加入的认知用户n′在m_q上的传输速率，I₁为满足m_n≥m_n′时认知用户的集合，I₂为满足m_n≥1时认知用户的集合，I₃为满足时认知用户的集合判断I₃是否为空，若为空，频谱分配结束，转到步骤7，若不为空，则转至步骤5；

步骤7：为新加入的认知用户n′预分配；

步骤8：新加入的认知用户n′当前所占各信道中的最小值μ，若μ>t_n′，确认试分配，更新参数：q＝q+1，转到步骤9；若μ≤t_n′，分配失败，则m_q＝0,t_q＝0，m_n′＝2m_n′,t_n′＝t_n′/2，转到步骤10；

步骤9：本次分配结束，更新m_q和t_q值，并将结果反馈给SUs，各认知用户接入各自获得的信道，更新β＝0，转至步骤1；开始为其他认知用户进行分配，当获得频谱的用户不能再减少其信道数时，执行步骤10；

步骤10：分配结束。

2.根据权利要求1所述的一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤一中β具体为：

表示当前系统频谱池中的空闲频谱总量，表示M个授权用户拥有的频谱总量。

3.根据权利要求2所述的一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤四中数据传输需求D_n具体为：

当已知认知用户n需求数据量时，获得数据传输需求为：

$D_n=R_{n,m_n}\×t_n=m_n\mathrm{\Δ}f\×{\log }_2(1+K\·\frac{p_{n,m}^{\′}\·|H_{n,m}{|}^2}{B_{m_n}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_0^2}{f_s/2}})\×t_n---\left(8\right)$

其中p′_n,m表示认知用户n在信道m上的传输功率，|H_n,m|²为表示认知用户n在信道m上的功率增益，假设每个认知用户在各个信道的增益相同，即：为m_n个空闲信道的带宽；单位信道带宽记为△f；t_n表示传输时长；f_s为采样点频率，σ²为噪声功率；K为无编码QAM调制方式和香农容量的信噪比关系，若为瑞利信道，K的表达式为：

$K\≈\frac{1.5}{0.2/BER-1}---\left(9\right)$

其中BER表示误码率。

4.根据权利要求3所述的一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤五中得到认知无线电系统总吞吐量具体过程为：

假设当前认知无线电系统的效用目标为总吞吐量，当已知认知用户n的数据传输需求D_n和传输速率时，B_n-old和T_n-old分别代表目前的分配策略中的认知用户被分配的信道带宽和期望使用的时间长度，B_n-new和T_n-new分别代表自动式多次竞争的频谱算法中认知用户被分配的信道带宽和期望使用的时间长度，若满足式(10)，则认知无线电系统能够使用自动式多次竞争的频谱算法；

$\left\{\begin{array}{c}\underset{n=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{n-old}{\left(\frac{R_{n,m_n}}{B_{m_n}}\right)}_{n}P\left(T_{n-old}\right)\≤\underset{n=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{n-new}{\left(\frac{R_{n,m_n}}{B_{m_n}}\right)}_{n}P\left(T_{n-new}\right)\\ B_{n-new}{T}_{n-new}=B_{n-old}{T}_{n-old}=D_n/\left(\frac{R_{n,m_n}}{B_{m_n}}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中N₁为已获得信道的认知用户数；N₂为自动式多次竞争的频谱算法中得到信道的认知用户数；P(T_n-new)为认知用户n采用自动式多次竞争的频谱方法能够完整使用预期占用时长的概率，P(T_n-old)为认知用户n采用采用目前的频谱方法能够完整使用预期占用时长的概率；表示认知用户为n在频谱m_n上的效率，其中代表频谱m_n的带宽B，设分配的空闲信道的初始状态都是空闲的，开始使用是0时刻，概率的表达式为：

$P\left(t\right)=\frac{1}{t}{\∫}_0^t(\frac{{\mathrm{\μ}}_n}{{\mathrm{\μ}}_n+{\mathrm{\λ}}_n}+\frac{{\mathrm{\λ}}_n}{{\mathrm{\μ}}_n+{\mathrm{\λ}}_n}{e}^{-({\mathrm{\μ}}_n+{\mathrm{\λ}}_n)x})dx---\left(11\right)$

其中λ_n表示从工作状态到空闲状态，μ_n表示从空闲状态到工作状态，t为P(T_n-new)或P(T_n-old)，x表示时间的积分变量。

5.根据权利要求4所述的一种矿井下认知无线电系统中自动式多次竞争的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤七中为新加入的认知用户n′预分配具体为：

$n^{\′}=I_3,m_q=\frac{m_q}{2},t_q=\frac{D_q}{{\left(\frac{R_{n,m_q}}{B_{m_q}}\right)}_q{m}_q\mathrm{\Δ}f},$

m_n′＝m_n′/2,t_n′＝2t_n′；

其中D_q表示认知用户q数据传输需求，t_n'表示新加入的认知用户n′在其获得的信道上的预期占用时长。