本發(fā)明涉及礦井下認(rèn)知無線電系統(tǒng)中自動式多次競爭的頻譜分配方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的通信系統(tǒng)為固定方式通信，可能適用于礦井的某一段巷道環(huán)境，但整個礦井的通信效果差，存在可靠性差、造價高等缺點(diǎn)。礦井生產(chǎn)對建立一個良好的無線通信系統(tǒng)有迫切的要求。在使用頻譜空洞的矛盾是授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶(cognitive user,CU)之間的沖突，為了保證授權(quán)用戶在其頻段上的正常通信，在授權(quán)用戶回歸的時候，認(rèn)知用戶需要釋放其所占用的信道，將其“歸還”給授權(quán)用戶。然而鑒于授權(quán)用戶回歸至某頻段是一種隨機(jī)行為，而且認(rèn)知用戶突然切換到空閑信道，系統(tǒng)的性能在不同程度上受到影響，這樣為了使認(rèn)知用戶在其使用的頻譜空洞內(nèi)能夠完整地實(shí)現(xiàn)自己的通信需求，需要分析信道的狀態(tài)及其所保持的時間長度。

空閑的頻譜是由于授權(quán)用戶沒有使用所產(chǎn)生的頻譜空洞，一個頻譜空洞一般具有空域、頻域和時域3方面的屬性，即在某一個地區(qū)內(nèi)(認(rèn)知用戶的數(shù)量)、在某段頻譜(某幾個信道)上、在某段時間范圍內(nèi)均沒有授權(quán)用戶的出現(xiàn)。在該領(lǐng)域的研究中，頻譜資源的“空間-時間-頻域”特性并未受到足夠的重視，大多數(shù)的研究主要考慮如何分配信道數(shù)量或者不同空閑的信道怎么分配給各個認(rèn)知用戶，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。但是若不考慮空閑頻譜在時間域上的變化特性和空間域上認(rèn)知用戶的數(shù)量和頻域上授權(quán)用戶空閑信道的情況，就會出現(xiàn)分配的信道不能夠滿足認(rèn)知用戶的實(shí)際需求的問題，影響系統(tǒng)的可行性，本發(fā)明從頻譜空洞的自動式多次競爭的角度進(jìn)行分析，頻譜池管理中心分配給認(rèn)知用戶的頻譜資源包括：認(rèn)知用戶的數(shù)量、空閑信道數(shù)量和信道上的預(yù)期占用時長，分別對應(yīng)頻譜空洞的空域特性、頻域特性和時域特性。從空域角度看，不同的區(qū)域認(rèn)知用戶的數(shù)量也是不一樣的，認(rèn)知用戶越多，競爭越激烈，對于那些有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其效用目標(biāo)的認(rèn)知用戶，頻譜池優(yōu)先予以分配。從頻域角度看，對于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的可用空閑信道數(shù)量，部分認(rèn)知用戶可能在某次資源分配中沒有獲得任何信道。對于那些有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其效用目標(biāo)的認(rèn)知用戶，頻譜池優(yōu)先予以分配。從時域的角度看，系統(tǒng)分配主用戶(authored user,AU)的空閑信道占用時間屬于預(yù)期的數(shù)值，認(rèn)知用戶預(yù)期占用時長的數(shù)值越大，發(fā)生沖突的可能性就越大，從規(guī)避沖突和減少損失的角度，應(yīng)該盡可能的減小分配給認(rèn)知用戶的預(yù)期占用時間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中頻譜資源分配時新一輪競爭周期是固定的，缺乏靈活性的問題，而提出的一種礦井下認(rèn)知無線電系統(tǒng)中自動式多次競爭的頻譜分配方法。

一種礦井下認(rèn)知無線電系統(tǒng)中自動式多次競爭的頻譜分配方法以下步驟實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明從多次競爭的次數(shù)角度出發(fā)，提出自動式多次競爭的的頻譜分配方法。提出有效的頻譜分配算法，改善系統(tǒng)性能，確保CU通信質(zhì)量，分配合適頻譜給CU。頻譜分配技術(shù)的關(guān)鍵問題是避免干擾AU正常通信，以前研究的基于貪婪算法的頻譜分配技術(shù)，主要原理是根據(jù)隨機(jī)選擇每一個CU，統(tǒng)計(jì)CU的期望使用時間和頻譜的特性，依次求解該CU在每個頻譜上的性能，綜合考慮分配給該用戶性能最好的頻譜，同時在空閑頻譜池中刪除該頻譜，采用同樣的方法再選擇其他用戶，當(dāng)分配完所有的頻譜時，算法結(jié)束。貪婪算法考慮了不同CU在不同屬性信道上的性能差異，但是在空閑信道數(shù)小于用戶數(shù)的條件下，認(rèn)為每個用戶僅能分配給一個子信道，雖然有助于研究頻譜分配的時域特性，但不符合實(shí)際通信情況。以前研究的隨機(jī)算法針對頻譜資源空洞的時頻特性，指出資源分配在時間域上的特性必要性。采用ON/OFF模型分析頻譜空洞的時長分布，其特點(diǎn)是可以用于描述AU的信道占用和空閑兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，ON為占用，表示正在發(fā)送數(shù)據(jù)，OFF為空閑，表示沒有發(fā)送數(shù)據(jù)。以前提出的二維的頻譜分配算法，采用馬爾科夫模型分析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，得到時間域和頻率域之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。對頻譜空洞進(jìn)行了分析，但考慮的都是單個CU使用頻譜空洞的情況。在實(shí)際應(yīng)用中，不同業(yè)務(wù)類型的CU，通信時間不同，因此對同一頻譜空洞的時變性敏感程度不同。對于通信時間短的CU，對頻譜空洞的時變性敏感程度較低，但是對于通信時間長的CU，對頻譜空洞的時變性敏感程度較高。因此，考慮頻譜空洞時變性，不僅要從頻譜空洞角度去考慮，還要從認(rèn)知用戶使用的角度去考慮。

使用空閑的頻譜時需要分析信道的不同狀態(tài)及其所持續(xù)的時間長度，這樣CU使用頻譜空洞時能夠滿足通信需要。由于AU是否使用頻段具有隨機(jī)性，為了不能影響AU，當(dāng)AU回歸到頻段時，CU必須無條件騰出正在使用的信道還給AU。AU暫時不使用頻譜會帶來一些頻譜空洞，分配的信道可能不符合CU的實(shí)際需求，達(dá)不到系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。

本發(fā)明提出了自動式多次競爭的頻譜分配算法，其物理含義是頻譜管理中心收集頻譜池的頻譜，若β≥β₀，發(fā)起新一次競爭頻譜，否則SMC繼續(xù)伺服等待，分配給CU的頻譜資源包括：期望使用信道時間長度(時域特性)、CU的數(shù)量(頻譜空洞的空域特性)和空閑信道數(shù)量(頻域特性)。

本發(fā)明自動式多次競爭的的頻譜分配算法：首先根據(jù)各CU的傳輸速率進(jìn)行降序排列，然后依次從大到小選取CU，當(dāng)新加入的CU被分配一定頻譜，計(jì)算吞吐量能否增大，假設(shè)增大，就把相應(yīng)的頻譜給新加入的CU，同理繼續(xù)判斷其他CU，相反，如果減少，不能夠提高系統(tǒng)的總效用。

步驟1：若β≥β₀，發(fā)起新一次競爭頻譜，否則SMC繼續(xù)伺服等待；其中β表示當(dāng)前系統(tǒng)頻譜池中的空閑頻譜總量占授權(quán)用戶擁有的頻譜總量的比值，β₀為頻譜管理中心定的閾值，SMC為頻譜管理中心；

步驟2：N個認(rèn)知用戶向SMC提交各自投標(biāo)

步驟3：初始化參數(shù)：系統(tǒng)總吞吐量TR、數(shù)據(jù)傳輸需求D_n、單位信道寬度△f、被初分配的認(rèn)知用戶數(shù)q，q≤N，認(rèn)知用戶n在頻譜m_n上的傳輸速率

步驟4：對N個認(rèn)知用戶按照降序進(jìn)行排列；每個認(rèn)知用戶在其獲得的信道上的預(yù)期占用時長t_n根據(jù)首先確定的數(shù)據(jù)傳輸需求D_n求出：

其中m_n表示認(rèn)知用戶n獲得的空閑信道數(shù)，△f為單位信道帶寬記，為m_n個空閑信道的帶寬。

步驟5：按照t_n得到認(rèn)知用戶成功占用預(yù)期占用時長的概率P(t_n)，該概率表明認(rèn)知無線電系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)平均吞吐量，由式(9)得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)總吞吐量為：

其中m_q表示q個認(rèn)知用戶獲得的信道數(shù)，為m_q個空閑信道的帶寬；

步驟6：選擇分享信道新加入的認(rèn)知用戶n′：

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

其中m_n'表示新加入的認(rèn)知用戶n′獲得的信道數(shù)，代表新加入的認(rèn)知用戶為n′在頻譜m_q上的傳輸速率，I₁為滿足m_n≥m_n′時認(rèn)知用戶的集合，I₂為滿足m_n≥1時認(rèn)知用戶的集合，I₃為滿足時認(rèn)知用戶的集合判斷I₃是否為空，若為空，頻譜分配結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟7，若不為空，則轉(zhuǎn)至步驟5；

步驟7：為新加入的認(rèn)知用戶n′預(yù)分配；

步驟8：新加入的認(rèn)知用戶n′當(dāng)前所占各信道中的最小值μ，若μ>t_n′，確認(rèn)試分配，更新參數(shù)：q＝q+1，轉(zhuǎn)到步驟9；若μ≤t_n′，分配失敗，則m_q＝0,t_q＝0，m_n′＝2m_n′,t_n′＝t_n′/2，轉(zhuǎn)到步驟10；

步驟9：本次分配結(jié)束，更新m_q和t_q值，并將結(jié)果反饋給SUs，各認(rèn)知用戶接入各自獲得的信道，更新β＝0，轉(zhuǎn)至步驟1；開始為其他認(rèn)知用戶進(jìn)行分配，當(dāng)獲得頻譜的用戶不能再減少其信道數(shù)時，執(zhí)行步驟10；

步驟10：分配結(jié)束。

發(fā)明效果：

在常見的多次競爭中，周期雖然可長可短，但仍然是一個固定的值，這種方式將限制頻譜資源分配的靈活性。因此，本發(fā)明從多次競爭的次數(shù)角度出發(fā)，提出“自動式多次競爭的”的頻譜分配方法。分析了時間域方面CU與AU的概率性干擾矛盾，空間方面的CU數(shù)和AU空閑的信道數(shù)量的關(guān)系，頻率域方面不同CU彼此的競爭關(guān)系。計(jì)算系統(tǒng)總效用時考慮干擾概率，符合認(rèn)知系統(tǒng)的實(shí)際情況。

附圖說明

圖1為CU時間需求與信道統(tǒng)計(jì)時長的關(guān)系圖；

圖2為增加分配的信道和較少信道占用時長圖；

圖3為系統(tǒng)模型圖；競標(biāo)b₁--b_N表示用于SMC判斷和分析的認(rèn)知用戶1到N的信息，SU₁--SU_N表示認(rèn)知用戶1，…,認(rèn)知用戶N，X[1]—X[N]表示認(rèn)知用戶1到認(rèn)知用戶可用的頻譜信息；

圖4為自動式多次競爭示意圖；圖中橫坐標(biāo)下的的英文是什么含義，Auction-i表示認(rèn)知用戶競爭的頻譜i，Auction-(i+1)表示認(rèn)知用戶競爭的頻譜i+1，SU1表示認(rèn)知用戶1，SU9表示認(rèn)知用戶9，SU7表示認(rèn)知用戶9，PU2表示授權(quán)用戶2，PU12表示授權(quán)用戶12，PU6表示授權(quán)用戶6；

圖5為傳輸數(shù)據(jù)量與認(rèn)知用戶數(shù)的關(guān)系圖；

圖6為系統(tǒng)總吞吐量與認(rèn)知用戶的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：一種礦井下認(rèn)知無線電系統(tǒng)中自動式多次競爭的頻譜分配方法包括以下步驟：

一種隨機(jī)過程理論被俄國數(shù)學(xué)家A.A.馬爾科夫提出，相應(yīng)的定義如下：假如X_n表示在時刻n的狀態(tài)，隨機(jī)變量X_i的集合構(gòu)成狀態(tài)空間，那么X_n+1對過去狀態(tài)的條件概率分布只是X_n的表達(dá)式，即

P(X_n+1＝m|X₀,X₁,...,X_n)＝P(X_n+1＝m|X_n) (1)

該理論屬于可靠性研究領(lǐng)域的一種重要的模型，當(dāng)隨機(jī)過程在t₀時刻所處狀態(tài)確定時，在t(t₀<t)時刻的狀態(tài)與在t₀時刻之前的狀態(tài)無關(guān)。

設(shè)狀態(tài)離散參數(shù)連續(xù)的齊次馬爾可夫過程{X′(t),t≥0}的狀態(tài)空間S＝{1,2,…,N}，其轉(zhuǎn)移概率矩陣為P(t)，密度矩陣為Q，初始分布為P＝{p₁,p₂,…,p_N}。假定當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)1,2,…,K時，系統(tǒng)能正常工作；而當(dāng)處于狀態(tài)K+1,…,N時，系統(tǒng)故障不能正常運(yùn)行，需要修復(fù)。

認(rèn)知用戶n的預(yù)期占用時間需求t_n大于該信道的空閑時間，如圖1所示。

由于授權(quán)用戶的回歸具有隨機(jī)特性，信道的實(shí)際空閑時長有可能大于該值，也有可能小于該值。為了能夠達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸需求并避免干擾，若在傳輸數(shù)據(jù)量和速率已知的情況下，SSP能夠合理分配給認(rèn)知用戶期望使用的時間長度和需要的信道數(shù)，如圖2所示。

在目前的大多數(shù)信道分配的研究里，若不研究頻譜空洞的情況，就不能很好地優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)。而且在常見的多次競爭中，周期雖然可長可短，但仍然被看成是一個固定的值，這種方式將限制頻譜資源分配的靈活性。因此，本發(fā)明從多次競爭的次數(shù)角度出發(fā)，提出自動式多次競爭的的頻譜分配方法。

本發(fā)明采用基本模型，如圖3所示。在該模型中，授權(quán)用戶隨機(jī)釋放的頻譜信息和各個認(rèn)知用戶對頻譜資源的需求均由系統(tǒng)設(shè)置的頻譜管理中心(SMC：Spectrum Management Center)進(jìn)行統(tǒng)一地收集和管理。頻譜池(SP：Spectrum Pool)用來收集當(dāng)前系統(tǒng)中各授權(quán)用戶對各自頻譜的使用情況，如果某段頻譜并未被對應(yīng)的授權(quán)用戶使用，則在SP中該段頻譜被標(biāo)記為可用，反之為不可用，另外當(dāng)有授權(quán)用戶回歸至某段頻譜上時，SP將做出相應(yīng)的標(biāo)記改寫。

在本發(fā)明的模型中，SMC采用自動式多次競爭的方式來分配頻譜資源，系統(tǒng)發(fā)起新一輪競拍的方式為自動式，自動的條件為當(dāng)前SP中的可用頻譜數(shù)量超過一定的閾值。對于認(rèn)知用戶i，每當(dāng)其有頻譜接入的需求時，便向SMC遞交其申請競標(biāo)b_i，SMC在下一輪競拍時對該競標(biāo)做出判斷并將結(jié)果反饋給用戶。其中的競標(biāo)b_i主要包括用于SMC判斷和分析的信息，在不同的目標(biāo)導(dǎo)向系統(tǒng)中往往不盡相同，比如在以系統(tǒng)利潤為目標(biāo)的競拍系統(tǒng)中，b_i＝(j_i,d_i,t_i)，j_i、t_i和d_i分代表認(rèn)知用戶愿意支付的信道單價、需要的時長和需求數(shù)量；在以系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)的系統(tǒng)中，b_i＝(γ_i,d_i,t_i)，γ_i為認(rèn)知用戶的信道利用率(反映用戶的傳輸能力)。

在頻譜空洞的自動式多次競爭的方面假設(shè)如下：

(1)SSP能夠統(tǒng)計(jì)不同信道的空閑時長的平均值T_aver-j，認(rèn)知無線電系統(tǒng)信道有且只有兩種狀態(tài)，分別為占用狀態(tài)(Y(t))和空閑狀態(tài)(X(t))；

(2)認(rèn)知用戶接入頻譜目標(biāo)是傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量D_i和傳輸速率R_n確定；

(3)信道的空閑、工作狀態(tài)的時間長度都服從負(fù)指數(shù)分布，常數(shù)λ表示從工作狀態(tài)到空閑狀態(tài)，常數(shù)μ表示從空閑狀態(tài)到工作狀態(tài)，則空閑時長概率為P{X≤t}＝1-e^-μt,t≥0,μ>0，其中，X表示空閑時長。P{Y≤t}＝1-e^-λt，其中t≥0,λ>0，Y表示占用時長；在任何時刻能夠狀態(tài)變換，在極小的時間△t內(nèi)不能兩次以上變換；不同信道上的用戶不會相互干擾，即用戶的發(fā)射功率值不受約束。

基于以上的分析和假設(shè)，下面描述礦井中認(rèn)知無線電中的頻譜分配算法的步驟、可行性以及有效性。

系統(tǒng)的工作、空閑狀態(tài)變化的概率可以用式(2)表示：

其中o(△t)表示數(shù)量級小于Δ(t)，可以忽略不計(jì)。

設(shè)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)和占用狀態(tài)的概率分別為P₀＝P{X(t)＝0}和P₁＝P{Y(t)＝1}，則根據(jù)微分方程的定義可以得到式(3)：

對(3)式進(jìn)行Laplace變換可得：

其中P₀^*(s)表示P₀'(t)的Laplace變換，P₁^*(s)表示P₁'(t)的Laplace變換。

對于初始時刻處于空閑狀態(tài)的系統(tǒng)，(P₀(0),P₁(0))＝(0,1)，解上述方程得：

對于初始時刻處于占用狀態(tài)的系統(tǒng)，(P₀(0),P₁(0))＝(1,0)解得：

不論初始時刻系統(tǒng)所處的狀態(tài)為何，P₀(0)被稱為系統(tǒng)的有效度(可信度)，用Γ(t)表示，如果存在，記為Γ，則稱Γ為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度，它表示運(yùn)行時間足夠長時系統(tǒng)正常的概率。

時間t越長，認(rèn)知用戶使用一條信道的有效度Γ(t)＝0越低，本發(fā)明引用可靠性理論中“任務(wù)有效度”的定義，描述認(rèn)知用戶在一段時間T內(nèi)占用空閑信道概率，在時間[t₁,t₂]范圍內(nèi)，系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)的概率稱為任務(wù)有效度，表示為Γ(t₁,t₂)，則有：

步驟1：若β≥β₀，發(fā)起新一次競爭頻譜，否則SMC繼續(xù)伺服等待；其中β表示當(dāng)前系統(tǒng)頻譜池中的空閑頻譜總量占授權(quán)用戶擁有的頻譜總量的比值，β₀為頻譜管理中心定的閾值，SMC為頻譜管理中心；

步驟2：N個認(rèn)知用戶向SMC提交各自投標(biāo)

步驟3：初始化參數(shù)：系統(tǒng)總吞吐量TR、數(shù)據(jù)傳輸需求D_n、單位信道寬度△f、被初分配的認(rèn)知用戶數(shù)q，q≤N，認(rèn)知用戶n在頻譜m_n上的傳輸速率

步驟4：對N個認(rèn)知用戶按照降序進(jìn)行排列；每個認(rèn)知用戶在其獲得的信道上的預(yù)期占用時長t_n根據(jù)首先確定的數(shù)據(jù)傳輸需求D_n求出：

其中m_n表示認(rèn)知用戶n獲得的空閑信道數(shù)，△f為單位信道帶寬記，為m_n個空閑信道的帶寬。

步驟5：按照t_n得到認(rèn)知用戶成功占用預(yù)期占用時長的概率p(t_n)，該概率表明認(rèn)知無線電系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)平均吞吐量，由式(10)得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)總吞吐量為：

其中m_q表示q個認(rèn)知用戶獲得的信道數(shù)，為m_q個空閑信道的帶寬；

步驟6：選擇分享信道新加入的認(rèn)知用戶n′：

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

其中m_n'表示新加入的認(rèn)知用戶n′獲得的信道數(shù)，代表新加入的認(rèn)知用戶為n′在頻譜m_q上的傳輸速率，I₁為滿足m_n≥m_n′時認(rèn)知用戶的集合，I₂為滿足m_n≥1時認(rèn)知用戶的集合，I₃為滿足時認(rèn)知用戶的集合判斷I₃是否為空，若為空，頻譜分配結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟7，若不為空，則轉(zhuǎn)至步驟5；

步驟7：為新加入的認(rèn)知用戶n′預(yù)分配；

步驟8：新加入的認(rèn)知用戶n′當(dāng)前所占各信道中的最小值μ，若μ>t_n′，確認(rèn)試分配，更新參數(shù)：q＝q+1，轉(zhuǎn)到步驟9；若μ≤t_n′，分配失敗，則m_q＝0,t_q＝0，m_n′＝2m_n′,t_n′＝t_n′/2，轉(zhuǎn)到步驟10；

步驟9：本次分配結(jié)束，更新m_q和t_q值，并將結(jié)果反饋給SUs，各認(rèn)知用戶接入各自獲得的信道，更新β＝0，轉(zhuǎn)至步驟1；開始為其他認(rèn)知用戶進(jìn)行分配，當(dāng)獲得頻譜的用戶不能再減少其信道數(shù)時，執(zhí)行步驟10；

步驟10：分配結(jié)束。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中β具體為：

表示當(dāng)前系統(tǒng)頻譜池中的空閑頻譜總量，表示M個授權(quán)用戶擁有的頻譜總量。

在常見的多輪競價拍賣中，拍賣周期雖然可長可短，但仍然是一個固定的值，這種方式將限制頻譜資源分配的靈活性，也不符合本文所設(shè)計(jì)的算法理念。因此，本節(jié)從競爭頻譜的次數(shù)角度出發(fā)，提出“自動式多此競爭”的頻譜分配方法，如圖4所示，其具體的定義如下：

定義：自動式多次競爭一種多次競爭，相鄰兩次競爭頻譜行為之間不設(shè)置固定周期，而是通過系統(tǒng)的判斷來觸發(fā)新一次的競爭發(fā)生。

自動新一次競爭行為的條件為：如果則啟動新一次競爭。其中，表示當(dāng)前系統(tǒng)頻譜池中的空閑頻譜總量，表示M個授權(quán)用戶擁有的頻譜總量。

結(jié)合圖4，不難發(fā)現(xiàn)這種競爭的優(yōu)勢在于：(1)可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時情況變化作出動態(tài)反應(yīng)，在系統(tǒng)空閑資源較豐富的時段較為密集地發(fā)起競爭，在系統(tǒng)空閑資源叫緊張的時段自動地降低競爭次數(shù)；(2)從上述的觸發(fā)條件可知，閾值β₀的存在以及各認(rèn)知用戶時間需求長短的差異性使得頻譜池中留有適量的空閑資源，這部分空閑的資源能夠保證在必要時刻認(rèn)知用戶的頻譜切換需求得到滿足，從而減小系統(tǒng)的掉話率，即增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。

各認(rèn)知用戶的傳輸速率進(jìn)行降序排列，然后依次從大到小選取認(rèn)知用戶，當(dāng)新加入的認(rèn)知用戶被分配一定頻譜，計(jì)算吞吐量能否增大，假設(shè)增大，就把相應(yīng)的頻譜給新加入的認(rèn)知用戶，同理繼續(xù)判斷其他認(rèn)知用戶，相反，如果減少，不能夠提高系統(tǒng)的總效用。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述步驟四中數(shù)據(jù)傳輸需求D_n具體為：

若在空間域、時間域和頻率域方面一起分析，能夠得到空間域(認(rèn)知用戶數(shù))、頻率(帶寬)和時間(傳輸時長)之間有一定的聯(lián)系，當(dāng)已知認(rèn)知用戶需求數(shù)據(jù)量時，獲得數(shù)據(jù)傳輸需求為：

其中p′_n,m表示認(rèn)知用戶n在信道m(xù)上的傳輸功率，|H_n,m|²為表示認(rèn)知用戶為n在信道m(xù)上的功率增益，假設(shè)每個認(rèn)知用戶在各個信道的增益相同，即：|H_n,m|²＝|H_m|²,為m_n個空閑信道的帶寬；單位信道帶寬記為△f；t_n表示傳輸時長；f_s為采樣點(diǎn)頻率，σ²為噪聲功率；K為無編碼QAM調(diào)制方式和香農(nóng)容量的信噪比關(guān)系，若為瑞利信道，K的表達(dá)式為：

其中BER表示誤碼率。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述步驟五中得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)總吞吐量具體過程為：

針對上述闡述的空域、時域和頻域之間的關(guān)系，在一段時間內(nèi)認(rèn)知用戶一直使用空閑信道的概率，能夠引用任務(wù)有效度的定義來表達(dá)，當(dāng)已知需求和傳輸速率時，本發(fā)明提出一種自動式多次競爭的頻譜算法，分析可用的信道數(shù)和認(rèn)知用戶數(shù)等參數(shù)，對系統(tǒng)效用的影響。

假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)的效用目標(biāo)為總吞吐量，當(dāng)已知認(rèn)知用戶n的數(shù)據(jù)傳輸需求D_n和傳輸速率時，B_n-old和T_n-old各自代表目前的分配策略中的認(rèn)知用戶被分配的信道帶寬和期望使用的時間長度，B_n-new和T_n-new分別代表自動式多次競爭的頻譜算法中認(rèn)知用戶被分配的信道帶寬和期望使用的時間長度，若滿足式(9)，則系統(tǒng)能夠使用自動式多次競爭的頻譜算法；

其中N₁為現(xiàn)有算法中獲得信道的認(rèn)知用戶數(shù)；N₂為自動式多次競爭的頻譜算法中得到信道的認(rèn)知用戶數(shù)；P(T_n-new)為認(rèn)知用戶n采用自動式多次競爭的頻譜方法能夠完整使用預(yù)期占用時長的概率，P(T_n-old)為認(rèn)知用戶n采用采用目前的頻譜方法能夠完整使用預(yù)期占用時長的概率；表示認(rèn)知用戶為n在頻譜m_n上的效率，其中代表頻譜m_n的帶寬B，設(shè)分配的空閑信道的初始狀態(tài)都是空閑的，開始使用是0時刻，那么根據(jù)式(6)、(7)能夠獲得此概率的表達(dá)式為：

其中λ_n表示從工作狀態(tài)到空閑狀態(tài)，μ_n表示從空閑狀態(tài)到工作狀態(tài)，t為P(T_n-new)或P(T_n-old)，x表示時間的積分變量。

式(10)系統(tǒng)的效用目標(biāo)是總吞吐量最大化，需要綜合考慮是提高時間長度、縮減信道數(shù)還是提高信道數(shù)、縮小時間長度，判斷和抉擇信道數(shù)縮減引起的速率降低與預(yù)計(jì)使用時間引起的沖突情況兩種情況的利弊，實(shí)現(xiàn)效用目標(biāo)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟七中為新加入的認(rèn)知用戶n′預(yù)分配具體為：

m_n′＝m_n′/2,t_n′＝2t_n′；

其中D_q表示認(rèn)知用戶q數(shù)據(jù)傳輸需求，t_n'表示新加入的認(rèn)知用戶n′在其獲得的信道上的預(yù)期占用時長。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

實(shí)施例一：一種礦井下認(rèn)知無線電系統(tǒng)中自動式多次競爭的頻譜分配方法的步驟為：

本發(fā)明的方法和以前方法進(jìn)行比較和驗(yàn)證，參數(shù)設(shè)置如下：取值為[4，6,8,10,12]bps；D_n的取值為[200,400,600,1000,1200]kbit；μ_n取值為[2,4,6,8,10]；λ_n取值為[4,6,8,10,12]；單位子信道的帶寬為15KHz；認(rèn)知用戶n在信道m(xù)上的傳輸功率為0.02W；σ²＝10^-11W，BER＝10^-5。

鑒于頻譜空洞的變化特點(diǎn)，當(dāng)設(shè)置主用戶數(shù)量為28，認(rèn)知用戶數(shù)從5到25時，不失一般性，仿真結(jié)果如圖5所示，自動式多次競爭的頻譜分配方法、二維算法和貪婪算法的系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量的比較。傳輸數(shù)據(jù)總量隨認(rèn)知用戶數(shù)量的增加而上升。自動式多次競爭的頻譜分配方法表現(xiàn)最好，好于二維算法和貪婪算法。二維算法和貪婪算法均是隨機(jī)地確定信道的一種優(yōu)先級后進(jìn)行頻譜分配，但自動式多次競爭的頻譜分配方法的理念是按照傳輸速度優(yōu)先級進(jìn)行衡量得到最優(yōu)的匹配。

從系統(tǒng)總吞吐量的角度評價三種算法的性能，當(dāng)授權(quán)用戶空閑信道數(shù)取值為28，認(rèn)知用戶數(shù)從5到25，不失一般性，仿真結(jié)果如圖6，性能曲線并非光滑的，原因是仿真過程中按照在一定取值范圍隨機(jī)選取的數(shù)據(jù)，但這并不影響性能參數(shù)的趨勢和規(guī)律特點(diǎn)。