基于智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻譜分配算法

段瑞杰　姚富強(qiáng)　李永貴　郭鵬程

摘要：針對現(xiàn)有短波無線接入網(wǎng)的固定式頻譜分配方法難以滿足使用智能跳頻技術(shù)新要求的問題，分析智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的通信需求，提出智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的動(dòng)態(tài)頻譜分配策略及算法。首先將各機(jī)動(dòng)用戶和接入基站看作一子網(wǎng)；然后將對各子網(wǎng)的頻譜分配建模為基于圖著色理論的智能跳頻短波無線接入網(wǎng)頻譜分配模型；最后結(jié)合通信需求提出分配策略和算法，完成頻譜分配并進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，這些頻譜分配策略及算法以不同的目標(biāo)進(jìn)行頻譜分配，能夠有效支撐智能跳頻技術(shù)在短波無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用，與固定式頻譜分配方法的定頻通信相比，在網(wǎng)絡(luò)效益、子網(wǎng)滿意度、網(wǎng)絡(luò)公平性、網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)和頻譜利用率等方面均有明顯提升，同時(shí)能有效降低互擾率。

關(guān)鍵詞：短波無線接入網(wǎng)；智能跳頻；非對稱頻譜配置；固定式頻譜分配方法；圖著色理論；動(dòng)態(tài)頻譜分配

中圖分類號(hào)：TN915

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

短波通信組網(wǎng)運(yùn)用將有效提高短波用戶業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠行?，增加業(yè)務(wù)傳輸種類，提高業(yè)務(wù)傳輸能力以及網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，能組成不同層次的指揮網(wǎng)；能與固定干線網(wǎng)相連，多點(diǎn)接入；能與短波頻譜檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息[1]。由于短波通信組網(wǎng)的復(fù)雜性和特殊性要求，短波無線接入網(wǎng)成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。

無線接入網(wǎng)指用無線傳播手段實(shí)現(xiàn)接入功能的網(wǎng)絡(luò)[2]，其具體表現(xiàn)為用無線傳輸設(shè)備部分或完全地取代傳統(tǒng)接入網(wǎng)中的饋線、配線和引入線。使用短波通信鏈路實(shí)現(xiàn)接入功能則是短波無線接入網(wǎng)的基本要求之一，由固定的接入基站、機(jī)動(dòng)用戶、探測系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成，各接入基站之間通過有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，各機(jī)動(dòng)用戶與接入基站通過短波鏈路鏈接，其具有機(jī)固一體、自適應(yīng)接入、可通率高等優(yōu)勢。

然而，現(xiàn)有短波無線接入網(wǎng)抗人為干擾能力仍然存在不足，需要進(jìn)一步提高。為此文獻(xiàn)[3-4]提出了將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)從而提高其鏈路抗干擾能力的思路。智能跳頻技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是非對稱頻譜配置，即：以本地可用頻譜為優(yōu)先對端發(fā)送頻譜，兩端的本地可用頻譜未必相同。

若使用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)仍采用固定式頻譜分配方法對子網(wǎng)（短波無線接入網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)基站及其服務(wù)的機(jī)動(dòng)用戶組成一跳頻子網(wǎng)）的可用頻譜進(jìn)行分配，可能與頻譜利用率、頻譜和用戶實(shí)時(shí)調(diào)整等相矛盾，需要一種動(dòng)態(tài)、快速、高效的頻譜分配方法來適應(yīng)短波無線接入網(wǎng)使用智能跳頻技術(shù)的新需求。

智能跳頻短波無線接入網(wǎng)基本通信需求主要體現(xiàn)在網(wǎng)路效益、網(wǎng)絡(luò)支撐用戶數(shù)、瓶頸用戶吞吐量、頻譜利用率、各子網(wǎng)滿意度以及頻譜分配公平性等方面。在實(shí)際使用中由于保障任務(wù)的輕重緩急各不相同，在有限的頻譜資源環(huán)境下，要對其劃分優(yōu)先級(jí)次序，按照優(yōu)先級(jí)高低優(yōu)先保障特殊、緊急、重大任務(wù)，同時(shí)要求一種或兩種以上的需求達(dá)到最充分滿足。因此，要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)需求實(shí)現(xiàn)智能跳頻短波無線接入網(wǎng)頻譜的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分配。

動(dòng)態(tài)頻譜管理及分配和用戶動(dòng)態(tài)用頻之間緊密相關(guān)，動(dòng)態(tài)頻譜分配重點(diǎn)是制定相應(yīng)的政策和頻譜指配策略，用戶用頻是在分配政策下，一定范圍內(nèi)科學(xué)地動(dòng)態(tài)用頻[5]。目前動(dòng)態(tài)頻譜分配的模型主要有圖論著色模型、拍賣競價(jià)模型、博弈論模型和干擾溫度模型等，如：文獻(xiàn)[6]分析了可用頻譜不滿足需求時(shí)的頻譜分配過程，提出一種公平性效用分配算法，可最大化滿足用戶需求；文獻(xiàn)[7]提出的算法考慮了頻譜和用戶的優(yōu)先級(jí)，可滿足用戶需求并提高分配效率；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于Markov排隊(duì)理論的頻譜分配算法，可有效提高吞吐量；文獻(xiàn)[9]提出了一種頻譜聚合機(jī)制，聚合不連續(xù)的頻段來滿足用戶需求，將頻譜抽象成很小的頻譜單元，優(yōu)先選擇需求大的用戶分配頻譜；文獻(xiàn)[10]針對圖論頻譜分配模型下最優(yōu)頻譜分配策略搜索解困難、耗時(shí)長的問題，提出一種采用多策略離散人工蜂群的頻譜分配算法，可有效提高其搜索速率。這些頻譜分配方法雖然能夠完成可用頻譜的分配，但是其研究領(lǐng)域都是頻譜可以方便復(fù)用的認(rèn)知無線電，對于短波通信的頻譜分配研究還較少。

本文根據(jù)使用智能跳頻的短波無線接入網(wǎng)的特殊要求，與認(rèn)知無線電中的動(dòng)態(tài)頻譜分配區(qū)別主要如下：

1）分配目標(biāo)不同。本文的分配模型是為各智能跳頻子網(wǎng)分配短波頻段，支撐子網(wǎng)內(nèi)部的智能跳頻通信，只要分配到了頻段，子網(wǎng)內(nèi)的接入基站和機(jī)動(dòng)用戶就可以完成智能跳頻交互，實(shí)時(shí)進(jìn)行非對稱跳頻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信；而認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配模型是通過伺機(jī)接入臨時(shí)空閑頻譜，為次級(jí)用戶分配空閑頻譜，實(shí)現(xiàn)對空閑頻譜的再利用，提高頻譜利用率。

2）實(shí)際要求不同。本文要分配頻譜的對象——各子網(wǎng)之間地位平等，一個(gè)子網(wǎng)一旦接入，就會(huì)保證其通信直到結(jié)束；而認(rèn)知無線電系統(tǒng)分配頻譜過程中，主用戶和次級(jí)用戶相比具有更高的優(yōu)先級(jí)，主用戶一旦使用此頻譜，次級(jí)用戶立刻就要退出。

3）應(yīng)用環(huán)境不同。本文分配模型是建立在短波無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上的，其具有完整的探測感知、評(píng)估判決、信令交互和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫機(jī)制，可以保障分配模型的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性；而認(rèn)知無線電分配模型是在實(shí)時(shí)感知外部頻譜使用情況，發(fā)現(xiàn)并利用閑置的授權(quán)頻段（頻譜空穴）進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的動(dòng)態(tài)共享，可認(rèn)知環(huán)境的次用戶只是伺機(jī)占用主用戶未使用的授權(quán)頻段進(jìn)行通信。

本文采用基于圖著色理論的動(dòng)態(tài)頻譜分配模型，總結(jié)提出動(dòng)態(tài)頻譜分配策略和算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用此算法的智能跳頻短波無線接入網(wǎng)，可明顯提高網(wǎng)絡(luò)效益、子網(wǎng)滿意度和頻譜利用率，并降低互擾率。

1系統(tǒng)模型

依據(jù)已有短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型[3]，本文提出智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)動(dòng)用戶和接入基站都使用智能跳頻技術(shù)，機(jī)動(dòng)用戶可以選擇最優(yōu)頻率的基站接入通信。

對于可看作一個(gè)整體子網(wǎng)的某一基站及其服務(wù)的若干機(jī)動(dòng)用戶的頻譜分配即是對各子網(wǎng)的分配。假設(shè)智能跳頻短波無線接入網(wǎng)中有N個(gè)子網(wǎng)，所有的可用頻帶數(shù)為M，不同子網(wǎng)的需求不同。對各子網(wǎng)的頻譜分配即是：在滿足各子網(wǎng)需求的前提下，動(dòng)態(tài)的M段頻譜對N個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行分配。假設(shè)分配過程中的信息交互時(shí)間足夠短，其時(shí)延對系統(tǒng)的影響可忽略不計(jì)；頻譜感知、頻譜分配以及業(yè)務(wù)傳輸?shù)恼麄€(gè)過程為一個(gè)周期，在一個(gè)周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。

本文的動(dòng)態(tài)頻譜分配采用圖論著色模型，分別由需求矩陣、可用頻譜矩陣、互擾約束矩陣、頻譜分配矩陣和效益矩陣描述，其頻譜動(dòng)態(tài)分配思路可表述如下：

2頻譜分配策略

針對智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的不同通信需求，總結(jié)出五種頻譜分配策略，這些策略以不同的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)頻譜分配，并且都能夠有效支撐智能跳頻在短波無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用。

2.1最大化網(wǎng)絡(luò)效益策略

最大化網(wǎng)絡(luò)效益策略是指：智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的可用頻譜分配給各子網(wǎng)時(shí)，以整體的頻譜效益最大化為目標(biāo)，同時(shí)最大化滿足各子網(wǎng)的頻譜需求，綜合運(yùn)用圖著色理論完成可用頻譜的分配。其可以定義為如下優(yōu)化問題：

2.2最大化瓶頸用戶的頻譜效益策略

瓶頸用戶的頻譜效益是短波無線接入網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的體現(xiàn)之一，因此，總結(jié)出對于智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的最大化瓶頸用戶的頻譜效益策略：在頻譜分配過程中充分考慮瓶頸用戶的頻譜效益，使得瓶頸用戶的頻譜效益不會(huì)太小，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

為提高瓶頸用戶的頻譜效益，引入以最大化瓶頸用戶的頻譜效益為目標(biāo)的最優(yōu)分配準(zhǔn)則MMB （Max-Min-Bandwidth）[14]，其可表述為如下優(yōu)化問題：

2.3最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)策略

短波無線接入網(wǎng)支持用戶數(shù)是衡量其服務(wù)能力的重要體現(xiàn)，也是人們對其承載能力的要求之一。最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)策略是指：在分配的頻譜滿足用戶需求的前提下，以網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)最大化為目標(biāo)，對可用頻譜進(jìn)行分配。令Num表示網(wǎng)絡(luò)支持的子網(wǎng)數(shù)，則最大化網(wǎng)絡(luò)支持子網(wǎng)數(shù)的優(yōu)化問題可表示為：

其中式（7）是優(yōu)化問題的約束條件，保證分配給子網(wǎng)n的頻帶所帶來的效益和能滿足子網(wǎng)的需求。

2.4最大化網(wǎng)絡(luò)公平性策略

網(wǎng)絡(luò)公平性體現(xiàn)了將頻譜分配給子網(wǎng)的均衡程度，減小了用戶未分配到頻譜的概率，保證所有用戶分配到的頻譜效益相當(dāng)[15]。最大化網(wǎng)絡(luò)公平性策略是指：以分配公平性最大化為目標(biāo)，對可用頻譜進(jìn)行分配。

2.5最大化頻譜利用率策略

頻譜利用率體現(xiàn)了所有子網(wǎng)使用的頻譜帶寬占可用頻譜總帶寬的比重[17]。比重越大表示頻譜利用率越高，比重越小頻譜利用率越低。最大化頻譜利用率策略是指：在頻譜分配過程中，以頻譜利用率最大化為目標(biāo)，對可用頻譜進(jìn)行分配。

頻譜利用率可以表示為子網(wǎng)使用的頻譜分配矩陣之和與可用頻譜之和的比值，可表示為如下優(yōu)化問題：

3頻譜分配算法

在智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的頻譜分配中，將子網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)映射成一個(gè)無向圖G。圖G中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)子網(wǎng)；每一條邊連接某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，表示這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的子網(wǎng)不能同時(shí)使用同一頻帶。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用不同頻帶所帶來的效益集合B（n）；每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)著一個(gè)可選顏色集，即可用頻譜集L（n），不同的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)不同的可用頻譜集；與某一節(jié)點(diǎn)通過邊相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)為互擾連接度數(shù)Rn。根據(jù)以上定義，下面描述兩種不同目標(biāo)和約束的頻譜分配算法。

3.1最大化網(wǎng)絡(luò)效益頻譜分配算法

步驟1初始化網(wǎng)絡(luò)及無向圖G。

步驟2根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的效益集B（n）、可用頻譜集L（n）以及需求矩陣，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)使用各頻帶所帶來效益及對應(yīng)的可用頻譜集，搜索擁有最大效益的節(jié)點(diǎn)n（子網(wǎng)n），按照最大效益對各節(jié)點(diǎn)分配頻帶；若出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的最大效益，則已分配的效益小的節(jié)點(diǎn)具有更高的優(yōu)先級(jí)。

步驟3若此節(jié)點(diǎn)n的最大效益滿足其頻譜需求，則對節(jié)點(diǎn)n分配相應(yīng)的頻帶m，更新節(jié)點(diǎn)信息，刪除該節(jié)點(diǎn)及與其相連接的邊，并且其鄰接節(jié)點(diǎn)從對應(yīng)的頻譜集中去除已分配的頻帶；否則刪除該節(jié)點(diǎn)及與其相連接的邊。

步驟4計(jì)算互擾約束矩陣C，搜索與節(jié)點(diǎn)n同時(shí)使用頻帶m時(shí)無互擾的節(jié)點(diǎn)，若此節(jié)點(diǎn)之間也無互擾，則把頻帶m繼續(xù)分配給此節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信息。

步驟5若所有節(jié)點(diǎn)的可用頻譜集為空，則分配結(jié)束；若所有節(jié)點(diǎn)的可用頻譜集不為空，則根據(jù)上一階段的分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)滿意度，得出各節(jié)點(diǎn)頻譜分配優(yōu)先級(jí)Z。

步驟6依據(jù)優(yōu)先級(jí)高低對擁有最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)n1分配相應(yīng)的頻帶m1，更新節(jié)點(diǎn)信息；若有多個(gè)子網(wǎng)擁有相同的優(yōu)先級(jí)，隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配。

步驟7計(jì)算互擾約束矩陣C，搜索與節(jié)點(diǎn)n1同時(shí)使用頻帶m1時(shí)不產(chǎn)生互擾的節(jié)點(diǎn)，若這些節(jié)點(diǎn)之間也不產(chǎn)生互擾，把頻帶m1繼續(xù)分配給這些節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信息；若所有節(jié)點(diǎn)的可用頻譜集為空，分配結(jié)束；否則返回步驟6。

步驟8依據(jù)優(yōu)先級(jí)高低對擁有最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)n1分配相應(yīng)的頻帶m1，更新節(jié)點(diǎn)信息；若有多個(gè)子網(wǎng)擁有相同的優(yōu)先級(jí)，隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配。

步驟9計(jì)算互擾約束矩陣C，搜索與節(jié)點(diǎn)n1同時(shí)使用頻帶m1時(shí)不產(chǎn)生互擾的節(jié)點(diǎn)，若這些節(jié)點(diǎn)之間也不產(chǎn)生互擾，把頻帶m1繼續(xù)分配給這些節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信息；若所有節(jié)點(diǎn)的可用頻譜集為空，分配結(jié)束；否則返回步驟6。

算法綜合考慮了頻譜分配所帶來的網(wǎng)絡(luò)效益、子網(wǎng)滿意度以及對相鄰節(jié)點(diǎn)的影響，同時(shí)增加了頻譜可以空間復(fù)用的特殊要求。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)n分配頻帶m，由于與該節(jié)點(diǎn)相鄰的Rn個(gè)節(jié)點(diǎn)也無法使用頻帶m，而其他n-Rn節(jié)點(diǎn)可以使用頻帶m，所以這次分配對整個(gè)系統(tǒng)總效益的貢獻(xiàn)值為bn，m/（Rn+1）。算法通過多輪運(yùn)算逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效益和子網(wǎng)滿意度最大化為目標(biāo)的頻譜分配。

3.2最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)頻譜分配算法

步驟1初始化網(wǎng)絡(luò)及無向圖G。

步驟2根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的效益集B（n）、可用頻譜集L（n）以及需求矩陣計(jì)算各節(jié)點(diǎn)使用各頻帶所帶來的效益及對應(yīng)的可用頻譜集。

步驟3按照需求矩陣由小到大的順序，選擇分配的節(jié)點(diǎn)n，計(jì)算節(jié)點(diǎn)n的可用頻譜的效益和是否滿足需求；若不滿足，則刪除圖G的該節(jié)點(diǎn)及與其相連接的邊，返回步驟2。

步驟4對節(jié)點(diǎn)n按照L（n）值從大到小依次分配頻帶{m，m+1，…}，直到節(jié)點(diǎn)n的效益需求得到滿足，若此節(jié)點(diǎn)使用多個(gè)頻帶有相同的最大效益，則隨機(jī)選取一個(gè)頻帶分配。

步驟5節(jié)點(diǎn)n頻譜分配完成，退出分配，更新節(jié)點(diǎn)信息，刪除該節(jié)點(diǎn)以及與其相連接的邊，并且其鄰接節(jié)點(diǎn)從對應(yīng)的頻譜集中去除已分配的頻帶。

步驟6計(jì)算互擾約束矩陣C，搜索與節(jié)點(diǎn)n同時(shí)使用頻帶{m，m+1，…}時(shí)無互擾的節(jié)點(diǎn)，若此節(jié)點(diǎn)之間也無互擾，把頻帶m繼續(xù)分配給此節(jié)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算其帶來的頻譜效益是否滿足需求，若滿足，則更新節(jié)點(diǎn)信息；若不滿足，則返回步驟2；直到所有節(jié)點(diǎn)的可用頻譜集L（n）為空，分配結(jié)束。

算法在滿足子網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上以最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行頻譜選擇及分配，同時(shí)考慮了頻譜空間復(fù)用的情況。

4仿真分析

應(yīng)用所提兩個(gè)不同目標(biāo)的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法對智能跳頻短波無線接入網(wǎng)各子網(wǎng)的可用頻譜進(jìn)行分配仿真，并且與傳統(tǒng)的固定式頻譜分配方法[18]及不考慮頻譜空間復(fù)用情況下的頻譜分配進(jìn)行對比。仿真參數(shù)如表1所示。

模型設(shè)計(jì)過程中充分考慮短波通信頻譜資源緊缺、面臨使用用戶多的特征，設(shè)置子網(wǎng)數(shù)多于頻帶數(shù)，當(dāng)不考慮頻譜空間復(fù)用時(shí)，就有用戶不能滿足通信需求，頻譜空間復(fù)用時(shí)，則有望都能滿足；結(jié)合短波通信覆蓋范圍廣的特征設(shè)置網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為2000km×2000km，子網(wǎng)覆蓋半徑至少達(dá)到400km、至多達(dá)到1000km是合適的；精確起見，頻譜惡化率 p在[0，1]區(qū)間每隔0.05取值一次；效益矩陣B設(shè)置為一個(gè)子網(wǎng)使用一段頻譜得到的效益是1個(gè)單位到10個(gè)單位不等。

本文只考慮電磁頻譜環(huán)境變化帶來的可用頻譜惡化的情形，并且假設(shè)短波無線接入網(wǎng)各子網(wǎng)的可用頻點(diǎn)全部為智能跳頻頻率表的頻點(diǎn)。頻譜惡化會(huì)導(dǎo)致可用頻譜的頻點(diǎn)數(shù)減少。假設(shè)未惡化的頻點(diǎn)誤碼率為10-4，發(fā)生惡化的頻點(diǎn)誤碼率為0.98。電磁頻譜惡化率p（0≤p≤1）定義為：誤碼率由10-4變?yōu)?.98的頻點(diǎn)數(shù)與頻率表總頻點(diǎn)數(shù)的比值。

為表述方便，將仿真對比的算法及使用環(huán)境作如下說明，如表2所示。

4.1頻譜分配仿真

對預(yù)分配的頻譜依次編號(hào)1～20，如表3所示。表3中一個(gè)數(shù)據(jù)是指此子網(wǎng)只分配到了1個(gè)頻帶，兩個(gè)數(shù)據(jù)是指分配到了2個(gè)頻帶，數(shù)字大小是指頻帶的編號(hào)。

由表3可知，當(dāng)電磁頻譜環(huán)境較好，其惡化率p=0，子網(wǎng)數(shù)n=10時(shí)，固定式頻譜分配方法可以滿足各子網(wǎng)頻譜需求；當(dāng)電磁頻譜惡化率p=0.5時(shí)，固定式譜分配方法無法滿足各子網(wǎng)的需求；而頻譜可以空間復(fù)用時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)效益分配算法及最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)分配算法可使各子網(wǎng)都分配到自身可用的頻帶，而且分配的頻帶數(shù)顯然更多；表3最后一行是不考慮頻譜空間復(fù)用的分配結(jié)果，各子網(wǎng)也都分配到自身可用的頻帶，但其頻帶數(shù)顯然少于頻譜可空間復(fù)用的情形。

4.2網(wǎng)絡(luò)效益仿真分析

網(wǎng)絡(luò)效益的仿真，如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)電磁頻譜發(fā)生惡化時(shí)，使用智能跳頻明顯高于采用定頻通信所帶來的網(wǎng)絡(luò)效益；使用最大化網(wǎng)絡(luò)效益算法和最大化支持用戶數(shù)算法所帶來的網(wǎng)絡(luò)效益明顯高于不考慮空間復(fù)用分配算法及固定式頻譜分配方法；頻譜可以空間復(fù)用顯著高于不可空間復(fù)用所帶來的網(wǎng)絡(luò)效益。其中圖2（a）表示根據(jù)最大化網(wǎng)絡(luò)效益分配算法，隨著仿真次數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)效益迅速達(dá)到最大，而固定式頻譜分配方法所帶來的網(wǎng)絡(luò)效益基本不變。

4.3子網(wǎng)滿意度仿真分析

采用最大化網(wǎng)絡(luò)效益頻譜分配算法和最大化支持用戶數(shù)頻譜分配算法對智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的可用頻譜進(jìn)行分配過程中，各子網(wǎng)的平均滿意度如圖3所示。由圖3可知：最大化網(wǎng)絡(luò)效益算法和最大化支持用戶數(shù)算法都可以保證分配到頻譜的子網(wǎng)的滿意度大于1。

4.4網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)仿真分析

最大化支持用戶數(shù)頻譜分配算法隨著電磁頻譜惡化率變化所支持的最大子網(wǎng)數(shù)量如圖4所示，其中：n2、n3分別表示最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)算法和使用固定式頻譜分配方法的子網(wǎng)數(shù)量。由圖4可知：相同的子網(wǎng)數(shù)量條件下，最大化網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)算法所能支撐的子網(wǎng)數(shù)量比固定式頻譜分配方法所能支撐的子網(wǎng)數(shù)量更多；同時(shí)，隨著電磁頻譜惡化率的增大，兩種算法所支撐的子網(wǎng)數(shù)量隨之減少。

4.5頻譜利用率仿真分析

頻譜利用率的仿真，如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)電磁頻譜發(fā)生惡化時(shí)，智能跳頻明顯高于定頻通信所帶來的頻譜利用率；最大化網(wǎng)絡(luò)效益分配算法所帶來的頻譜利用率高于其他算法；固定式頻譜分配方法所帶來的頻譜利用率最低；可以空間復(fù)用相對于不可復(fù)用所帶來的頻譜利用率更高。其中圖5（a）顯示根據(jù)最大化網(wǎng)絡(luò)效益分配算法，隨著仿真次數(shù)的增加，頻譜利用率迅速達(dá)到最大值，而固定式頻譜分配方法所帶來的頻譜利用率基本不變。

4.6互擾率仿真分析

若智能跳頻短波無線接入網(wǎng)未使用本文所提動(dòng)態(tài)頻譜分配算法分配頻譜，智能跳頻的非對稱頻譜配置會(huì)在所有可用頻譜上進(jìn)行，各子網(wǎng)之間就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的互擾。互擾率是指：各子網(wǎng)內(nèi)的基站與機(jī)動(dòng)用戶通信過程中子網(wǎng)相互之間產(chǎn)生互擾的概率。子網(wǎng)1與其他子網(wǎng)的互擾率仿真，如圖6所示。由圖6可知：本文所提動(dòng)態(tài)頻譜分配算法所帶來的互擾率明顯小于固定式頻譜分配；并且子網(wǎng)1與其他子網(wǎng)的互擾率平均值隨著頻帶數(shù)的增加逐漸降低，且都維持在較低水平。

5結(jié)語

本文針對現(xiàn)有短波無線接入網(wǎng)采用固定式頻譜分配方法，難以適應(yīng)頻譜動(dòng)態(tài)變化及使用智能跳頻技術(shù)新要求的問題，分析智能跳頻短波無線接入網(wǎng)的通信需求，結(jié)合圖著色理論模型，總結(jié)提出不同目標(biāo)的頻譜分配策略和主要的頻譜分配算法。該算法能夠快速、高效、準(zhǔn)確地完成頻譜動(dòng)態(tài)分配，有效支撐智能跳頻技術(shù)在短波無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用，提高短波無線接入網(wǎng)抗動(dòng)態(tài)干擾能力。仿真結(jié)果表明，在相同的互擾約束下，與使用固定式頻譜分配方法的定頻通信相比，其可帶來網(wǎng)絡(luò)效益、子網(wǎng)滿意度、網(wǎng)絡(luò)公平性、網(wǎng)絡(luò)支持用戶數(shù)和頻譜利用率等方面的顯著提升，同時(shí)互擾率有效降低。

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