CN106211176B - 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法 - Google Patents

一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106211176B
CN106211176B CN201610463693.7A CN201610463693A CN106211176B CN 106211176 B CN106211176 B CN 106211176B CN 201610463693 A CN201610463693 A CN 201610463693A CN 106211176 B CN106211176 B CN 106211176B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
competition
coopetition
hypergraph
node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610463693.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106211176A (zh
Inventor
姚富强
张建照
赵杭生
杨健
曹龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN201610463693.7A priority Critical patent/CN106211176B/zh
Publication of CN106211176A publication Critical patent/CN106211176A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106211176B publication Critical patent/CN106211176B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/02—Resource partitioning among network components, e.g. reuse partitioning
    • H04W16/10—Dynamic resource partitioning
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/535—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on resource usage policies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access, e.g. scheduled or random access
    • H04W74/08—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access]
    • H04W74/0808—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access] using carrier sensing, e.g. as in CSMA
    • H04W74/0816—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access] using carrier sensing, e.g. as in CSMA carrier sensing with collision avoidance

Abstract

本发明涉及一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法，该方法基于合作竞争的思想，通过频率长期预测与实时感知相结合的途径获得可用频率集，通过简单的频率竞争声明、竞争声明回复、频率占用声明、占用确认等消息传递，参与竞争的节点获得与其相互竞争频率的节点的信息，据此建立频率合作竞争超图，将当前节点频率竞争对与其竞争频率的节点的负面影响定义为负面影响因子，以满足自身通信需求和对其它节点影响最小为原则进行频率竞争，既支持了参与竞争的节点的通信需求，也有利于所有参与竞争的节点总吞吐量的提高。本发明能够以简单的信息交互，实现分布式频率合作竞争，有利于短波天波频率优化利用。

Description

一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法
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。
三发明内容
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∈Cn,上收发；
(2)竞争声明发送，发起通信的节点ns∈N发送竞争声明消息(CompetitionAnnouncement Message，CAM)，其中包括目标节点nd∈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ts等；
(3)竞争声明回复，接收到CAM信息的节点nd∈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nd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ns根据收到的CAM和CRM消息中的内容构建合作竞争超图Hn＝(Nn,En)，其中Nn为从ns和nd收到的CAM和CRM消息中获得的与ns、nd有频率竞争的节点集合，为超边集合，每个超边连接ns和nd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ns、nd的重要度，则超边的负面影响因子为
(6)频率使用竞争，ns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nd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
一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法，采用以下具体步骤：
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在个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∈Cn,上收发；
步骤(2)在竞争声明发送期，发起通信的节点ns∈N发送竞争声明消息(Competition Announcement Message，CAM)，其中包括目标节点nd∈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ts；
步骤(3)竞争声明回复期，接收到CAM信息的节点nd∈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nd接收到的所有CAM消息中的信息；
步骤(4)构建频率合作竞争超图，发起通信的节点ns根据收到的CAM和CRM消息中的内容构建合作竞争超图Hn＝(Nn,En)，其中Nn为从ns和nd收到的CAM和CRM消息中获得的与ns、nd有频率竞争的节点集合，为超边集合，每个超边连接ns和nd采用频率c通信时影响范围内的所有节点；
步骤(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ns、nd的重要度，则超边的负面影响因子为
步骤(6)频率使用竞争，ns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，并发布频率占用信息(Frequency Occypying Message，FOM)，收到该信息后nd回复占用确认信息(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；
步骤(7)转入各自竞争成功的频率通信。
进一步地，所述步骤(4)中，采用超图模型建模参与合作竞争节点之间的相互竞争关系。
进一步地，所述步骤(5)中，采用对周围节点获取吞吐量能力的影响为标准计算超边的负面影响因子。
进一步地，所述步骤(6)中，采用满足自身通信容量需求且负面影响因子最小的超边对应的频率作为选择频率进行竞争的标准，能够在满足自身通信需求的同时降低竞争对短波天波频谱环境的影响，体现了合作竞争的思想。
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。

Claims (4)

1.一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：
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在个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∈Cn,上收发；
步骤(2)在竞争声明发送期，发起通信的节点ns∈N发送竞争声明消息，其中包括目标节点nd∈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ts；
步骤(3)竞争声明回复期，接收到CAM信息的节点nd∈N随机等待一个短时间段，然后发送竞争回复消息，其中包括nd接收到的所有CAM消息中的信息；
步骤(4)构建频率合作竞争超图，发起通信的节点ns根据收到的CAM和CRM消息中的内容构建合作竞争超图Hn＝(Nn,En)，其中Nn为从ns和nd收到的CAM和CRM消息中获得的与ns、nd有频率竞争的节点集合，为超边集合，每个超边连接ns和nd采用频率c通信时影响范围内的所有节点；
步骤(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ns、nd的重要度，则超边的负面影响因子为
步骤(6)频率使用竞争，ns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，并发布频率占用信息，收到该信息后nd回复占用确认信息，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；
步骤(7)转入各自竞争成功的频率通信。
2.根据权利要求1所述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：所述步骤(4)中，采用超图模型建模参与合作竞争节点之间的相互竞争关系。
3.根据权利要求1所述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：所述步骤(5)中，采用对周围节点获取吞吐量能力的影响为标准计算超边的负面影响因子。
4.根据权利要求1所述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：所述步骤(6)中，采用满足自身通信容量需求且负面影响因子最小的超边对应的频率作为选择频率进行竞争的标准，能够在满足自身通信需求的同时降低竞争对短波天波频谱环境的影响，体现了合作竞争的思想。
CN201610463693.7A 2016-06-21 2016-06-21 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法 Active CN106211176B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610463693.7A CN106211176B (zh) 2016-06-21 2016-06-21 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610463693.7A CN106211176B (zh) 2016-06-21 2016-06-21 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106211176A CN106211176A (zh) 2016-12-07
CN106211176B true CN106211176B (zh) 2019-09-10

Family

ID=57461690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610463693.7A Active CN106211176B (zh) 2016-06-21 2016-06-21 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106211176B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109348484B (zh) * 2018-11-28 2022-02-18 中国人民解放军陆军工程大学 一种多用户短波通信网络模型及信道探测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105659944B (zh) * 2009-12-31 2013-07-03 北京理工大学 一种短波自组织网仿真系统
CN104093193A (zh) * 2014-07-04 2014-10-08 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种用于短波组网建链的动态频率扫描方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105659944B (zh) * 2009-12-31 2013-07-03 北京理工大学 一种短波自组织网仿真系统
CN104093193A (zh) * 2014-07-04 2014-10-08 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种用于短波组网建链的动态频率扫描方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于图着色理论的短波无线接入网动态频谱分配方法;姚富强;《计算机工程》;20160415;全文

Also Published As

Publication number Publication date
CN106211176A (zh) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. QTSAC: An energy-efficient MAC protocol for delay minimization in wireless sensor networks
Hu et al. Full spectrum sharing in cognitive radio networks toward 5G: A survey
Gu et al. Task offloading in vehicular mobile edge computing: A matching-theoretic framework
Niu et al. Exploiting device-to-device communications to enhance spatial reuse for popular content downloading in directional mmWave small cells
CN105898851B (zh) 超密集网络中考虑能量收集的高能效功率控制方法
US9294960B2 (en) Method, apparatus and system for cooperative resource scheduling and cooperative communication
CN104378772B (zh) 一种蜂窝网络中面向小区无定形覆盖的小基站部署方法
JP2014511597A (ja) アンテナ管理装置及び方法
Qin et al. Performance analysis of clustered LoRa networks
CN112911691B (zh) 一种小区节能方法、设备及存储介质
CN107708157A (zh) 基于能效的密集小蜂窝网络资源分配方法
CN103313260A (zh) 一种基于博弈论的认知无线电网络带宽、功率联合分配方法
WO2014114239A1 (zh) 一种利用波束激活容量站的方法及装置
CN103826306A (zh) 一种高密集无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法
Zhao et al. Survey on social-aware data dissemination over mobile wireless networks
CN102833755B (zh) 一种构建多点协作传输小区协作集的方法及装置
CN103841571A (zh) 一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点选择方法
Shi et al. Adding duty cycle only in connected dominating sets for energy efficient and fast data collection
Xu et al. An improved communication resource allocation strategy for wireless networks based on deep reinforcement learning
CN106211176B (zh) 一种基于超图的短波天波频率合作竞争方法
CN103188758A (zh) 一种无线传感网络的节能方法
CN105101334B (zh) 一种多wban共存网络协同组网方法
Al-Wesabi et al. Optimal resource allocation method for device-to-device communication in 5g networks
Yang et al. A resource allocation method based on the core server in the collaborative space for mobile edge computing
CN103249129A (zh) 无线异构网络最优中继协作激励方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: 210007 post battalion, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Province, No. 18

Applicant after: National University of Defense Technology

Address before: 210007 post battalion, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Province, No. 18

Applicant before: The 36th Institute of Central Military Commission Equipment Development Department

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant