一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统

1.本发明涉及电磁频谱管控技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。


技术实现要素：

7.本发明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。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.一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：
10.步骤1：获取无人系统在需要接入信道时提交的用频信息；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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。
16.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：
17.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。
18.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：
19.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；
20.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；
21.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；
22.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；
23.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；
24.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。
25.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：
26.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；
27.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；
28.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；
29.判断是否满足循环结束条件；
30.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；
31.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”。
32.本发明还提供了如下方案：
33.一种基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统，所述系统包括：
34.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交的用频信息；
35.频谱需求信息空间构建模块，用于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；
36.可用信道和共享方式矩阵构建模块，用于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；
37.动态频谱分配优化模型构建模块，用于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；
38.信道分配和功率分配矩阵得到模块，用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；
39.动态频谱分配模块，用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。
40.可选地，所述系统还包括：
41.反馈信息获取模块，用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；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。
42.可选地，所述系统还包括：
43.可用信道和共享方式矩阵更新模块，用于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；
44.判断结果获取模块，用于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；
45.动态频谱分配优化模型重新构建模块，用于当所述判断结果获取模块的输出结果为是时，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；
46.信道分配和功率分配矩阵重新得到模块，用于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；
47.动态频谱分配重新分配模块，用于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；
48.反馈信息继续获取模块，用于当所述判断结果获取模块的输出结果为否时，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。
49.可选地，所述信道分配和功率分配矩阵得到模块具体包括：
50.系统参数初始化单元，用于初始化迭代次数为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；
51.信道优化单元，用于利用固定变量法，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；
52.功率分配矩阵和总吞吐量得到单元，用于利用固定变量法，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；
53.判断单元，用于判断是否满足循环结束条件；
54.信道分配和功率分配矩阵输出单元，用于当所述判断单元的输出结果为是时，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；
55.返回单元，用于当所述判断单元的输出结果为否时，将迭代次数加1，更新迭代次数，返回所述信道优化单元。
56.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
57.本发明公开的基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法及系统，根据频谱需求信息空间(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)构建出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，并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，构建出动态频谱分配优化
模型，通过动态频谱分配优化模型，利用循环迭代算法来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频谱资源分配，以此实现动态频谱分配，从而实现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。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法实施例的流程图；
60.图2为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法实现流程示意图；
61.图3为本发明无人机群与地面台站通信网络模型示意图；
62.图4为本发明信道切换示意图；
63.图5为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统实施例的结构图。
具体实施方式
64.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.本发明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。
66.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
67.图1为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法实施例的流程图。参见图1，该基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法包括：
68.步骤1：获取无人系统在需要接入信道时提交的用频信息。
69.步骤2：根据用频信息构建频谱需求信息空间；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。
70.步骤3：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的可用信道矩阵和无人系统在各信道内的共享方式矩阵；设定时间段包括各时隙。
71.步骤4：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。
72.步骤5：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。
73.该步骤5具体包括：
74.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。
75.利用固定变量法，将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。
76.利用固定变量法，将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。
77.判断是否满足循环结束条件。
78.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。
79.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”。
80.步骤6：根据信道分配矩阵和功率分配矩阵进行频谱资源分配。
81.进一步的，步骤6之后还包括：
82.获取设定时间段内当前时隙，无人系统根据信道分配矩阵和功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息；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。
83.具体的，获取设定时间段内当前时隙，无人系统根据信道分配矩阵和功率分配矩阵，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：
84.根据反馈信息修正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，更新可用信道矩阵和共享方式矩阵，得到新可用信道矩阵和新共享方式矩阵；新可用信道矩阵为更新后的可用信道矩阵；新共享方式矩阵为更新后的共享方式矩阵。
85.获取无人系统在授权信道中是否与本地用户发生冲突，或者最低传输速率需求是否无法满足的判断结果。
86.若判断结果为是，则根据新可用信道矩阵和新共享方式矩阵，以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。
87.根据重新构建的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。
88.根据重新得到的信道分配矩阵和功率分配矩阵进行频谱资源分配。
89.若判断结果为否，则继续获取设定时间段内当前时隙，无人系统根据信道分配矩阵和功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息。
90.本发明公开的基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法，用于解决电磁环境动态变化、无人系统实时移动条件下混合频谱共享动态分配问题，该方法主要包括：构建无人系统频谱需求信息空间；构建未来无人系统可用信道矩阵和共享方式矩阵；构建动态频谱分配优化模型最大化总吞吐量；循环迭代计算信道分配矩阵和功率分配矩阵；动态频谱分配。该方法通过联合优化无人系统的信道分配策略和功率分配策略并兼顾切换成本，提供了一种基于多维向量空间优化算法，提升了通信过程中无人系统的总吞吐量和频谱利用效率，可广泛应用于无人机、无人车和无人舰艇等移动无人机群动态频谱分配的场合。
91.下面以一个具体实施例说明本发明的技术方案：
92.图2为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法实现流程示意图。为进一步说明本发明，在此以无人机群与地面台站通信场景为实施例，本实施例仅限于说明本
发明的一种实施方法，不代表对本发明适用场景的制约。参见图2，本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配方法本质上是一种基于多维向量空间循环迭代优化的动态频谱分配方法，该方法是频段管理的内部信道分配的应用。该基于多维向量空间循环迭代优化的动态频谱分配方法实现步骤主要包括：
93.步骤a1：用频需求确定：由于任务区域信道已授权给本地用户使用，无人机群与地面台站通信时，需要向频谱管理端提交用频请求和用频信息，频谱管理端收集并识别用频信息，构建频谱需求信息空间a
need
＝{n
name
,c
min
,p
max
,n
num
,u
coord
,v}，其中，n
name
为无人机编号构成的矢量，构成的矢量，为第m个无人机编号，m为无人机的数量；c
min
为无人机最低传输速率需求构成的矢量，机最低传输速率需求构成的矢量，为第m个无人机最低传输速率需求；p
max
为无人机最大发射功率构成的矢量，为无人机最大发射功率构成的矢量，为第m个无人机最大发射功率；n
num
为各无人机最大可接入信道数构成的矢量，为各无人机最大可接入信道数构成的矢量，为第m个无人机最大可接入信道数；u
coord
为无人机空间坐标构成的矢量，为无人机空间坐标构成的矢量，为第m个无人机空间坐标；v为每个时隙无人机速度构成的矢量，v＝{vm；θm}2×m×
t
，vm(t)为第t个时隙第m个无人机速度大小，θm(t)为第t个时隙第m个无人机速度方向。
94.步骤a2：频谱资源分配：频谱管理端根据无人机群频谱需求信息空间，并基于频谱数据库分析统计未来一定时间段内无人机可用频谱资源，利用循环迭代优化算法，生成无人机的频谱资源分配方案，具体步骤包括：
95.步骤a2.1：可用频谱资源统计分析：假设本地用户间歇占用各自授权信道与本地基站进行通信，b＝{bn}1×n为所有授权信道的带宽集合，bn为第n个信道的带宽，n为本地用户的数量。将时间段离散为t个长度为τ的时隙，每个时隙内，频谱分配策略不变，第n个信道分配的无人机个数不能超过1个，但第m个无人机可以接入多个信道，不能超过个信道，且第m个无人机在所有信道内的总发射功率不能超过其最大发射功率频谱管理端基于实时感知的电磁环境数据和历史频谱数据，分析未来一定时间段，本地用户在授权信道内的占用状态，结合无人机群地理位置和移动速度，构建无人机群可用信道矩阵和在各信道内的共享方式矩阵，具体步骤包括：
96.步骤a2.1.1：通过可用频谱资源统计构建各时隙内无人机群可用信道矩阵：无人机群可用信道矩阵为i＝{i
m,n,t
|i
m,n,t
∈{0,1}}m×n×
t
，若第t个时隙第m个无人机可以使用第n个信道，则i
m,n,t
＝1；反之，则i
m,n,t
＝0。无人机群可用信道矩阵i中各元素为：
[0097][0098]
其中：
[0099]
表示第t个时隙第m个无人机到第n个本地用户之间距离，d
smpn
表示三维空间中无人机与地面用户距离，(x
sm
,y
sm
,z
sm
)为第m个无人机坐标，(x
pn
,y
pn
,0)为第n个本地用户坐标。结合图3无人机群与地面台站通信网络模型示意图，r1为实线圆到第n个本地用户距离，r0为虚线圆到第n个本地用户距离，在第t个时隙若第m个无人机移动至实线圆外侧，即无约束区域，则可以在第n个信道以填充式共享信道，在第n个信道内的发射功率p
m,n,t
不得超过该信道的传输功率限制若第m个无人机移动至实线圆与虚线圆之间，即下垫式共享频谱区域，则可以在第n个信道以下垫式共享信道，在第n个信道内发射功率p
m,n,t
不得超过的同时，传输到第n个本地用户接收端处不得超过其干扰门限若第m个无人机移动至虚线圆内部，即禁止共享频谱区域，则将不可避免对第n个本地用户产生有害干扰，则第n个信道不可以分配给第m个无人机。
[0100]
步骤a2.1.2：构建无人机群在各信道内的共享方式矩阵(共享方式矩阵初始化为0，后续根据距离构成的约束区域实线圆与虚线，根据其位置划分共享方式矩阵)：无人机群共享方式矩阵为a＝{a
m,n,t
|a
m,n,t
∈{0,1}}m×n×
t
，第t个时隙若第m个无人机以填充式接入第n个信道，则a
m,n,t
＝0；反之，以下垫式接入第n个信道，则a
m,n,t
＝1；a中各元素为：
[0101][0102]
步骤a2.2：构建动态频谱分配优化模型。以一段时间内无人机群总吞吐量最大化为优化目标构建动态频谱分配优化模型，表示为：
[0103][0104]
其中，s.t.表示约束条件，cf＝{c
m,n,t
|c
m,n,t
∈{0,1}}m×n×
t
为信道分配矩阵，第t个时隙，若将第n个信道分配给第m个无人机，则c
m,n,t
＝1；若未将第n个信道分配给第m个无人机，则c
m,n,t
＝0；pf＝{p
m,n,t
}m×n×
t
为功率分配矩阵，p
m,n,t
表示第t个时隙第m个无人机在第n个信道上分配的发射功率。
为第t个时隙第m个无人机在信道n的吞吐量，为第t个时隙第m个无人机到地面台站的信道衰落，c＝3
×
108m/s，f为工作频率，为第t个时隙第m个无人机到地面台站之间距离，(x
s0
,y
s0
,0)为地面台站坐标，为贾克斯修正模型，用以表示多径传播和多普勒频移导致的小尺度衰落，s0为信道n中散射体的数量；βs＝πs/s0，ωs(t)＝2πfd(t)cosαs，其中αs＝π(s-0.5)/2s0，fd(t)是用户移动环境中的最大多普勒频移，取决于移动速度(vm(t),θm(t))，θs为随机相位；n0为噪声功率；为本地用户n发射功率；结合图4信道切换示意图，τ'为切换信道后建立通信链路的时间损耗；为第m个无人机最低传输速率需求；为第t个时隙第m个无人机到第n个本地用户的信道衰落；约束条件c1表示任意时隙各无人机在所有信道内传输速率之和需满足最低传输速率需求；约束条件c2表示任意时隙每个无人机可分配多个信道，但最多可接入个信道；约束条件c3表示任意时隙每个信道最多分配1个无人机；约束条件c4表示任意时隙无人机在每个信道中的发射功率不为负且不超过单信道内传输功率上限；约束条件c5表示下垫式频谱共享方式中，任意时隙无人机在每个信道中的发射功率传输到本地用户处不得超过其干扰门限；约束条件c6表示任意时隙每个无人机在所有信道发射功率的总和不超过自身最大发射功率；约束条件c7表示信道分配矩阵中各元素的取值范围为0或1。
[0105]
步骤a2.3：频谱资源分配策略优化：根据步骤a2.2构建的动态频谱优化模型，利用循环迭代优化算法可获得信道分配矩阵cf＝{c
m,n,t
|c
m,n,t
∈{0,1}}m×n×
t
和功率分配矩阵pf＝{p
m,n,t
}m×n×
t
，循环迭代优化算法的具体步骤包括：
[0106]
步骤a2.3.1：信道分配和功率分配初始状态为前一时间段最后时隙的分配方案(信道分配和功率分配初始状态初始化为零，更新过程中为上一时间段的信道和功率分配矩阵)，首个时间段的信道分配初始状态为无信道分配，功率分配初始状态均为零。初始化迭代次数z＝1，信道分配矩阵cf为零矩阵，总吞吐量r
tz
(z＝1)＝0。根据信道占用状态和约束条件，设置一个满足条件的功率分配矩阵p
fz
(z＝1)，作为初始化值(初始化一般按照满足条件的最低功率来预设)。
[0107]
步骤a2.3.2：固定优化变量且设置pf＝p
fz
，则cf为决策变量，步骤a2.2构建的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(利用固定变量法，原来需要功率和信道两个维度来优化，先固定功率，就只剩下信道这一维的优化)，表示为：
[0108][0109]
上式目标函数和约束条件均是关于c
m,n,t
的仿射函数，且系数不为负数，可证明公式(4)为凸函数，利用整数规划方法如yalmip工具，可得到信道分配矩阵c
fz
。
[0110]
步骤a2.3.3：设置cf＝c
fz
且固定变量cf，则pf为决策变量，步骤a2.2构建的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(通过固定变量法，将功率或信道分配因子变量作为固定量，从而将多个变量构成非线性)，可描述为：
[0111][0112]
上式目标函数可改写成关于p
m,n,t
的复合函数，即：
[0113][0114][0115]
由于仿射函数式(7)和对数函数的系数大于零，同理可证明同理式(5)的目标函数和约束条件为凸函数，利用凸优化方法如cvx工具，可得到功率分配矩阵p
fz+1
，并计算出总吞吐量r
tz+1
。
[0116]
步骤a2.3.4：判断r
tz+1
是否满足循环结束条件，若|r
tz+1-r
tz
|≤ε(ε为给定任意小的正数)或循环次数超过30次，则结束循环，输出信道分配矩阵b
fz+1
(迭代优化达到终止条件停止优化，否则返回步骤a2.3.2继续迭代优化)和功率分配矩阵p
fz+1
(迭代优化达到终止条件停止优化，否则返回步骤a2.3.2继续迭代优化)，并初始化分配时隙t”＝1；若不满足结束条件，则更新迭代次数，z＝z+1，转至步骤a2.3.2。
[0117]
步骤a3：频谱使用与反馈：在第t”个时隙，无人机群根据频谱管理端输出的信道分配矩阵b
fz+1
、功率分配矩阵p
fz+1
，接入信道调整功率进行通信，并判断该时间段通信是否结束：若t≥t，则结束该时间段的频谱使用；若t＜t，反馈当前时隙各无人机地理位置、移动速度、频谱使用情况以及授权信道内本地用户占用情况，并更新分配时隙，t”＝t”+1。
[0118]
步骤a4：频谱分配方案动态调整：频谱管理端根据无人机群反馈的用频情况，调整频谱分配方案，具体步骤包括：
[0119]
步骤a4.1：可用频谱资源更新：频谱管理端根据无人机群反馈信息(即步骤a3中t小于t时反馈的当前时隙各无人机地理位置、移动速度、频谱使用情况以及授权信道内本地用户占用情况，t小于t还需要迭代优化)和历史频谱数据，修正该时间段内本地用户在授权信道内的忙闲状态和无人机群的移动轨迹，更新步骤a2.1构建的可用信道矩阵i和共享方式矩阵a，具体为：按照步骤a2.1更新两个矩阵，其中可用信道矩阵根据闲忙状态更新，共享方式矩阵根据无人机位置与本地用户距离划定的填充式和下垫式区域更新。
[0120]
步骤a4.2：频谱分配方案调整：根据无人机群的频谱使用情况，分析调整频谱分配方案，具体步骤包括：
[0121]
步骤a4.2.1：若无人机群在授权信道中与本地用户发生冲突，或者最低传输速率无法满足(无人机群将通过感知的环境和用频信息上报到频谱管理端，判断冲突和最低传输速率无法满足在用户端，只是频谱管理端上报判断结果)，则需调整频谱分配方案，返回步骤a2.2，根据步骤a4.1更新的可用信道矩阵i和共享方式矩阵a，利用循环迭代优化算法，对该时间段内剩余时隙信道分配策略和功率分配策略进行优化，更新频谱分配方案，并分发给各个无人系统。
[0122]
步骤a4.2.2：若无人机群和本地用户均通信正常(频谱管理端根据无人机群自身反馈的用频情况获悉通信正常与否)，则返回步骤a3，继续第t”个时隙信息传输。
[0123]
针对在电磁环境动态变化、无人系统实时移动的条件下高速业务需求，在考虑切换成本情况下解决多信道接入混合共享方式下动态频谱分配的问题，本发明提供了一种基于多维向量空间循环迭代优化的动态频谱分配方法，通过联合优化无人系统的信道分配策略和功率分配策略，以其在一定时间段内总吞吐量最大化的目标函数，建立一种在时间、频率、功率三维向量空间内，兼顾无人系统在单时隙总吞吐量与时隙间切换成本的频谱分配联合优化模型，并提供了一种基于三维向量空间循环迭代优化算法，无人系统提升了通信过程中无人系统的总吞吐量和频谱利用效率，可广泛应用于无人机、无人车和无人舰艇等移动无人机群动态频谱分配的场合，但不局限于以上列举的范围。
[0124]
简单来说，本发明提供的基于多维向量空间循环迭代优化的动态频谱分配方法，其实现的主要步骤如下：
[0125]
s1：用频需求确定：无人系统在需要接入信道时，向频谱管理端提交用频请求和用频信息，频谱管理端收集并识别用频信息，构建频谱需求信息空间(无人系统频谱需求信息空间)。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。
[0126]
s2：频谱资源分配：频谱管理端根据无人系统频谱需求信息空间，并基于频谱数据库分析统计未来一定时间段(时间段一般根据执行任务或平均通信时长进行设置)内无人系统可用频谱资源，利用循环迭代优化算法(循环迭代算法)，生成各无人系统的频谱资源
分配方案，具体步骤包括：
[0127]
s2.1：可用频谱资源统计分析：将该时间段离散为若干个时隙，频谱管理端基于实时感知的电磁环境数据和历史频谱数据，分析未来一定时间段内本地用户在授权信道内的占用状态，结合无人系统的收发端地理位置和移动速度，构建无人系统可用信道矩阵和共享方式矩阵；
[0128]
s2.2：频谱资源分配策略优化：无人系统根据构建的动态频谱优化模型(动态频谱分配优化模型)，利用循环迭代优化算法对各时隙信道分配策略和功率分配策略进行优化，无人系统生成频谱分配方案，并分发给各个无人系统。
[0129]
s3：频谱使用与反馈：无人系统根据频谱管理端的频谱分配方案，逐个时隙以规定的共享方式和传输功率，接入对应的信道进行通信，无人系统每个时隙通信结束后，无人系统反馈当前时隙内收发端的地理位置、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。
[0130]
s4：频谱分配方案动态调整：频谱管理端根据无人系统反馈的用频情况、无人系统反馈信息(包括各时隙内收发端的地理位置、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)和历史频谱数据，修正该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s2.1：构建的可用信道矩阵和共享方式矩阵，并根据无人系统的频谱使用情况，决定是否对剩余时隙频谱分配方案进行调整，直至时间段结束。
[0131]
与现有技术相比，本发明的优点为：
[0132]
1、本发明针对无人系统实时移动的特点和多信道接入场景，提供了一种基于多维向量空间循环迭代优化算法，在时间、频率、功率三维向量空间对信道分配策略和功率分配策略进行联合优化，同时能够在单时隙系统吞吐量与时隙间切换成本间达到平衡，最大化一定时间段内无人系统总吞吐量，既能满足无人系统不干扰本地用户正常通信，又能提高频谱资源利用效率。本发明无人系统解决用户移动场景下高带宽需求的频谱分配问题，可广泛应用于无人机、无人车和无人舰艇等移动无人系统动态频谱分配。
[0133]
2、本发明提供了一种基于时间、频率、功率多维向量空间循环迭代优化的动态频谱分配方法，对每个时隙的信道分配策略和功率分配策略进行了联合优化，同时对单时隙总吞吐量与时隙间切换成本进行合理取舍，使一定时间段内总吞吐量最大化，有效提升了频谱利用效率。本发明解决了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，如何高效进行动态频谱分配的问题，可广泛应用于无人机、无人车和无人舰艇等移动无人机群动态频谱分配的场合，但不局限于以上列举的范围。
[0134]
图5为本发明基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统实施例的结构图。参见图5，该基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统包括：
[0135]
用频信息获取模块501，用于获取无人系统在需要接入信道时提交的用频信息。
[0136]
频谱需求信息空间构建模块502，用于根据用频信息构建频谱需求信息空间；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。
[0137]
可用信道和共享方式矩阵构建模块503，用于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的可用信道矩阵和无人系统在各信道内的共享方式矩阵；设定时间段包括各时隙。
[0138]
动态频谱分配优化模型构建模块504，用于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。
[0139]
信道分配和功率分配矩阵得到模块505，用于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。
[0140]
动态频谱分配模块506，用于根据信道分配矩阵和功率分配矩阵进行频谱资源分配。
[0141]
其中，信道分配和功率分配矩阵得到模块505具体包括：
[0142]
系统参数初始化单元，用于初始化迭代次数为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。
[0143]
信道优化单元，用于利用固定变量法，将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。
[0144]
功率分配矩阵和总吞吐量得到单元，用于利用固定变量法，将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。
[0145]
判断单元，用于判断是否满足循环结束条件。
[0146]
信道分配和功率分配矩阵输出单元，用于当判断单元的输出结果为是时，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。
[0147]
返回单元，用于当判断单元的输出结果为否时，将迭代次数加1，更新迭代次数，返回信道优化单元。
[0148]
该基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统还包括：
[0149]
反馈信息获取模块，用于获取设定时间段内当前时隙，无人系统根据信道分配矩阵和功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息；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。
[0150]
进一步的，该基于多维向量空间优化的动态频谱分配系统还包括：
[0151]
可用信道和共享方式矩阵更新模块，用于根据反馈信息修正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，更新可用信道矩阵和共享方式矩阵，得到新可用信道矩阵和新共享方式矩阵；新可用信道矩阵为更新后的可用信道矩阵；新共享方式矩阵为更新后的共享方式矩阵。
[0152]
判断结果获取模块，用于获取无人系统在授权信道中是否与本地用户发生冲突，或者最低传输速率需求是否无法满足的判断结果。
[0153]
动态频谱分配优化模型重新构建模块，用于当判断结果获取模块的输出结果为是时，根据新可用信道矩阵和新共享方式矩阵，以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。
[0154]
信道分配和功率分配矩阵重新得到模块，用于根据重新构建的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。
[0155]
动态频谱分配重新分配模块，用于根据重新得到的信道分配矩阵和功率分配矩阵进行频谱资源分配。
[0156]
反馈信息继续获取模块，用于当判断结果获取模块的输出结果为否时，继续获取
设定时间段内当前时隙，无人系统根据信道分配矩阵和功率分配矩阵，接入信道调整功率进行通信后，无人系统的反馈信息。
[0157]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0158]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。