CN108712747B - 一种基于频谱预测的链路快速建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱预测的链路快速建立方法，该方法包括以下步骤：基于历史频谱感知数据，以神经网络的方式预测下一时刻的空闲信道集合；构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，使用多信道感知次序优化准则对预测的空闲信道进行排序；选取排序最靠前的信道进行实时的频谱感知和信道探测，获得真实的信道状态及信道质量，若感知信道空闲且信道探测SNR大于门限值SNR0，主呼方发起呼叫建立通信链路，不符合要求则切换至下一信道；针对实际系统中的吞吐量要求，利用快速建链算法，计算用户的链路建立时间。本发明能够更快地发现频谱中的空闲信道资源，通过缩小感知的频率范围，降低短波通信的链路建立时间。

Description

一种基于频谱预测的链路快速建立方法

技术领域

本发明属于短波通信技术领域，特别是一种基于频谱预测的链路快速建立方法。

背景技术

短波通信依靠1.5～30MHz的电磁波进行信号传输，是最早出现并被广泛应用的无线通信方式。受电离层的影响，短波信道的变化具有随机性，信道条件恶劣造成的数据传输速率低以及短波频段窄、业务类型多造成的干扰严重成为目前急需解决的问题。近年来，随着动态频谱接入理念的深入，认知无线电技术(CR)在下一代自动链路建立中的潜在应用日益受到关注。CR能够动态地监测频谱环境，充分挖掘短波频段中的优质信道，弥补现有短波通信网络的弊端。

当前应用认知无线电技术进行自动链路建立，主要以结合频谱感知技术为发展方向，通过时间和空间上的频谱感知，实时找出可用的信道为下一步根据通信需求进行频率选择提供基础。这种实时选频和自动链路建立相结合的通信系统，可以更好地发现实时最优频率，提高短波频段的利用率，但缺点在于：感知的时间开销和进行链路质量分析的数据会随着信道数量呈指数增加，并且当频段通信业务量较高时，频繁切换信道降低了数据传输的吞吐量造成能量浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够缩短链路建立时间、快速建立通信链路的基于频谱预测的链路快速建立方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频谱预测的链路快速建立方法，包括以下步骤：

步骤1、基于历史频谱感知数据，以神经网络的方式预测下一时刻的空闲信道集合；

步骤2、构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，使用多信道感知次序优化准则对步骤1中预测的空闲信道进行排序；

步骤3、选取排序最靠前的信道进行实时的频谱感知和信道探测，获得真实的信道状态及信道质量，若感知信道空闲且信道探测SNR大于门限值SNR0，主呼方发起呼叫建立通信链路，不符合要求则切换至下一信道；

步骤4、针对实际系统中的吞吐量要求，利用快速建链算法，计算用户的链路建立时间。

进一步地，步骤2所述的构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，具体如下：

步骤2.1、建立基于频谱预测的新型自动链路建立模型；

步骤2.2、建立链路质量分析指标LQA_new，定义LQA_new为：

为平均接收功率，表示信号在传输过程中由于能量损耗到达接收端的平均信号功率；P_access为用户接入概率，通过统计用户成功接入信道的次数得到；λ为瑞利分布方差估计值；

步骤2.3、建立多信道感知次序优化准则，公式为：

其中，P＝{0,1}，P＝0表示信道预测状态为空闲，P＝1表示信道预测状态为占用。

进一步地，步骤4所述的快速建链算法，计算用户的链路建立时间，具体如下：

步骤4.1、初始化：设定信道数量N，时间帧长度T_f，要求达到的系统吞吐量T，信道的数据传输速率

链路建立时间L＝0；

步骤4.2、通过t时间以前的信道质量历史数据，依据LQA_new指标重新排列当前的信道顺序

基于信道历史状态值，预测当前的信道状态/>

步骤4.3、结合

与/>

构建多信道感知次序优化准则，优先感知排序靠前的信道，当实时感知信道空闲且信道探测SNR＞SNR0，能够获得信道在t时刻的剩余通信时长/>

步骤4.4、

乘以/>

得到当前用户吞吐量b，b≥T时结束链路建立过程，计算链路建立时间/>

b＜T时令t＝t+1、T＝T-b，返回步骤4.2更新/>

及/>

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)充分考虑连续频谱感知的时间开销和进行链路质量分析的数据会随着信道数量呈指数增加的情况，以及频繁切换信道对数据传输吞吐量的影响，提出更加有效的链路建立模型，利用频谱预测技术来解决短波通信网络中的选频困难问题；(2)面向新的链路建立方式，设置适用于系统模型的链路质量分析指标LQA_new，并构建频谱预测与LQA_new相融合的多信道感知次序优化准则，基于优化准则进行频谱感知可以提升用户的吞吐量，增大建链成功的概率；(3)能够更快地发现频谱中的空闲信道资源，通过缩小感知的频率范围，降低短波通信的链路建立时间。

附图说明

图1是基于频谱感知的传统自动链路建立帧结构模型示意图。

图2是本发明基于频谱预测的链路快速建立方法中的新型自动链路建立帧结构模型示意图。

图3是本发明实施例中模型方法与传统方法的链路建立时间对比示意图，其中(a)为信道空闲比例为20％时的链路建立时间对比示意图，(b)为信道空闲比例为40％时的链路建立时间对比示意图，(c)为信道空闲比例为60％时的链路建立时间对比示意图，(d)为信道空闲比例为80％时的链路建立时间对比示意图。

图4是本发明实施例中模型方法的预测错误概率对建链时间的影响示意图。

具体实施方式

本发明所提出的基于频谱预测技术的链路快速建立方法，旨在对短波通信网络中自动链路建立时间进行更好的优化。

图1是基于连续频谱感知的自动链路建立帧结构，其模型结合了认知无线电中连续频谱感知的概念及短波通信的特点，将链路建立过程用时间帧加以刻画。频谱感知能够动态地监测频谱环境，充分挖掘短波频段中的优质信道，解决现有短波通信网络中信道条件恶劣造成的数据传输速率低以及短波频段窄、业务类型多造成的干扰严重问题。

为了更好地解决频繁切换信道对感知时间及传输吞吐量的影响，提出图2基于频谱预测的新型自动链路建立帧结构。帧结构包含多个阶段：频谱预测、频谱感知、信道切换、信道探测、用户接入以及数据传输。频谱预测阶段可以根据当前帧的频谱感知结果结合历史感知数据，前瞻性地预知下一帧的信道状态，再从预测状态为空闲的信道中选择一个进行频谱感知。频谱感知阶段，根据预测结果与LQA_new指标接收端依次感知信道状态。信道探测阶段，接收端在感知空闲的信道上发射探测信号，发送端通过收到的信号估计信道的信噪比SNR，当SNR≥SNR0，代表信道质量符合传输要求，收发双方建立通信链路用户接入信道；SNR＜SNR0代表信道质量不佳，切换频率直至找到合适的信道进行数据传输。

本发明的具体实施如下：

一、基于频谱预测技术的链路快速建立方法是通过实时的频谱感知与信道探测寻找适合建立通信的信道，因此在频谱感知之前应根据新的链路质量分析结果(LQA_new)进行信道搜寻，即根据LQA_new的大小确定频谱感知顺序。在多径衰落的传播环境下，需要同时考虑信号能量损耗、本地噪声干扰及瑞利分布带来的电平波动对用户接入的影响，设置LQA_new指标：

其中，

为平均接收功率，表示信号在传输过程中由于能量损耗到达接收端的平均信号功率；P_access为用户接入概率，通过统计用户成功接入信道的次数得到；λ为瑞利分布方差估计值。基于LQA_new的大小进行频谱感知可以更快地发现传输速率更快且更为可靠有效的信道。

二、结合基于频谱预测的新型自动链路建立模型及LQA_new指标，提出多信道感知次序优化准则，优化准则能够在频谱感知之前通过信道状态的预测，缩小实时感知的范围，初步筛选出下一刻最有可能建立通信链路的信道，加快自动链路建立的过程，提高建链成功率。多信道感知次序优化准则为：

其中，P＝{0,1}，P＝0表示信道预测状态为空闲，预测空闲的信道集合按照LQA_new从大到小的顺序依次感知，P＝1表示信道预测状态为占用，预测为占用的信道不再进行频谱感知。其具体链路建立过程为：

步骤1、基于历史频谱感知数据，以神经网络的方式预测下一时刻的空闲信道集合；

步骤2、构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，使用多信道感知次序优化准则对步骤1中预测的空闲信道进行排序；

步骤3、选取排序最靠前的信道进行实时的频谱感知和信道探测，获得真实的信道状态及信道质量，若感知信道空闲且信道探测SNR大于门限值SNR0，主呼方发起呼叫建立通信链路，不符合要求则切换至下一信道；

步骤4、针对实际系统中的吞吐量要求，利用快速建链算法，计算用户的链路建立时间。

三、在实际的短波通信网络中，链路建立时间反映了短波通信系统的可靠性，而用户可达到的吞吐量则代表了系统的有效性，为此基于多信道感知次序优化准则，设计算法优化链路建立时间，以达到系统吞吐量要求。具体包括以下步骤：

步骤4.1、初始化：设定信道数量N，时间帧长度T_f，要求达到的系统吞吐量T，信道的数据传输速率

链路建立时间L＝0；

步骤4.2、通过t时间以前的信道质量历史数据，依据LQA_new指标重新排列当前的信道顺序

基于信道历史状态值，预测当前的信道状态/>

步骤4.3、结合

与/>

构建多信道感知次序优化准则，优先感知排序靠前的信道，当实时感知信道空闲且信道探测SNR＞SNR0，能够获得信道在t时刻的剩余通信时长/>

步骤4.4、

乘以/>

得到当前用户吞吐量b，b≥T时结束链路建立过程，计算链路建立时间/>

b＜T时令t＝t+1、T＝T-b，返回步骤4.2更新/>

及/>

如上所示循环步骤4.3直至b≥T时建链结束。

实施例1

本发明的一个具体实施例如下描述，系统仿真采用Matlab软件，参数设定不影响一般性。场景设置信道噪声服从均值为0、方差为1的高斯分布，通过瑞利衰落信道模型产生不同的瞬时信噪比仿真值，每个信道的平均信噪比SNR介于0db至-10db。仿真设置信号带宽24kHz，帧长度T_f＝4.8s、频谱感知时长t_s＝40ms、信道切换时长t_c＝10ms、信道探测时长t_d＝100ms、用户接入时长t_a＝100ms，频谱预测时长t_p＝10ms。

图3设置预测虚警概率

预测漏检概率/>

图3(a)～(d)给出当空闲信道占总信道数量分别为20％、40％、60％、80％情况下，本发明实施例中基于多信道感知次序优化的ALE方法与传统随机感知的ALE方法、基于平均信噪比感知的ALE方法，三者链路建立时间的对比。其中横坐标表示达到的系统吞吐量(bps)，纵坐标表示花费的链路建立时间(s)。从图3可以看出：随着空闲信道数量的增多，基于感知次序优化的链路建立时间没有太大的变化，能够达到的系统吞吐量则越来越大；而其他两种方法的建链时间则随着信道空闲比例的增大而减小，但在系统吞吐量上却没有太大的提升。

由此体现出，在自动链路建立时利用频谱预测技术进行多信道感知次序优化具有优越性：当信道空闲比例较小时，频谱预测能够更快地发现空闲信道从而大幅度缩短链路建立时间；而当空闲信道数量增多时，虽然频谱预测在时间上的优势下降，但是感知次序的优化能够发现传输速率更快且更为可靠有效的信道，明显提高了系统的吞吐量。相较于其他两种方法，本专利所提出的方法能够提升短波通信的性能。

图4描述了预测错误概率P_p对建链时间的影响，从中可以看出，随着SNR的增大，所需要花费的链路建立时间缩短，这是由于接收到的信号变强，在信号探测上缩短了相应的时间；链路建立时间随着预测错误概率的增大而增加，并且当P_p＞0.7时，时间突然增加甚至超过了信道探测时长，说明此时基于预测进行频谱感知的方法已经失效，当P_p过大时利用所提出的方法进行ALE会产生弊端。

Claims (1)

1.一种基于频谱预测的链路快速建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于历史频谱感知数据，以神经网络的方式预测下一时刻的空闲信道集合；

步骤2、构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，使用多信道感知次序优化准则对步骤1中预测的空闲信道进行排序；

步骤3、选取排序最靠前的信道进行实时的频谱感知和信道探测，获得真实的信道状态及信道质量，若感知信道空闲且信道探测SNR大于门限值SNR0，主呼方发起呼叫建立通信链路，不符合要求则切换至下一信道；

步骤4、针对实际系统中的吞吐量要求，利用快速建链算法，计算用户的链路建立时间；

步骤2所述的构建频谱预测与信道质量历史数据相融合的多信道感知次序优化准则，具体如下：

步骤2.1、建立基于频谱预测的新型自动链路建立模型；

步骤2.2、建立链路质量分析指标LQA_new，定义LQA_new为：

为平均接收功率，表示信号在传输过程中由于能量损耗到达接收端的平均信号功率；P_access为用户接入概率，通过统计用户成功接入信道的次数得到；λ为瑞利分布方差估计值；

步骤2.3、建立多信道感知次序优化准则，公式为：

其中，P＝{0,1}，P＝0表示信道预测状态为空闲，P＝1表示信道预测状态为占用；

步骤4所述的快速建链算法，计算用户的链路建立时间，具体如下：

步骤4.1、初始化：设定信道数量N，时间帧长度T_f，要求达到的系统吞吐量T，信道的数据传输速率

链路建立时间L＝0；

步骤4.2、通过t时间以前的信道质量历史数据，依据LQA_new指标重新排列当前的信道顺序

基于信道历史状态值，预测当前的信道状态/>

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