基于频谱效用的频率优化分配方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202311147112.5(22)申请日 2023.09.07(71)申请人 中国人民解放军93216部队地址 100092 北京市海淀区安宁庄路11号院(72)发明人 李军王兴瑜樊倩汝王佳超熊飞来晓岚周金胜周成孙玉雪(74)专利代理机构 中国兵器工业集团公司专利中心 11011专利代理师 辛海明(51)Int.Cl.H04W 72/0453(2023.01)G06F 17/11(2006.01)H04W 72/51(2023.01)H04W 72/56(2023.01)H04W 72/50(2。

2、023.01)H04W 24/02(2009.01)(54)发明名称一种基于频谱效用的频率优化分配方法(57)摘要本发明涉及一种基于频谱效用的频率优化分配方法，属于电磁频谱管理技术领域。本发明确定用户提报的各类装备用频需求；根据指定频谱资源和背景电磁环境，确定各类装备的可用频谱资源；根据频谱资源相对裕度和可复用性，调整更新可用频谱资源；根据装备用频需求、用频效能及优先级，建立频谱效用表征模型；建立基于频谱效用最大化的频率优化分配模型；根据各类装备的频谱资源裕度，确定频率分配策略及参数；根据频率优化分配模型、策略及参数，迭代求解频率分配结果。本发明能够有效提高频谱资源受限条件下的联合作战用频效能。

3、。权利要求书3页 说明书7页 附图4页CN 117177365 A2023.12.05CN 117177365 A1.一种基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、确定用户提报的各类装备用频需求；S2、根据指定频谱资源和背景电磁环境，确定各类装备的可用频谱资源；S3、根据频谱资源相对裕度和可复用性，调整更新可用频谱资源；S4、根据装备用频需求、用频效能及优先级，建立频谱效用表征模型；S5、建立基于频谱效用最大化的频率优化分配模型；S6、根据各类装备的频谱资源裕度，确定频率分配策略及参数；S7、根据频率优化分配模型、策略及参数，迭代求解频率分配结果。2.如权利要求1所。

4、述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S1具体包括：装备用频需求由用户提报，假设共计有N个用户、K类装备，第n个用户提报的第k类装备的用频需求数为mn,k，mn,k为以频点数或以最小分配带宽为单位进行计数的使用频段宽度，mn,k1，则第k类装备的用频需求总数为3.如权利要求2所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S1具体包括：可用频谱资源由上级电磁频谱管理部门指定并根据背景电磁环境情况进行确认，确认方法为在指定频谱资源中去掉背景电磁环境信号已占用的频谱资源，并以频点数或以最小分配带宽为单位进行计数的可用频段宽度进行表征：第k类装备的可用频谱资源数记为Lk，相应的可。

5、用频率集记为其中每个频率对应带宽 fk为该类装备的单频点带宽或最小分配带宽。4.如权利要求3所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S3具体包括：对于可用频谱资源存在频段重叠的不同类型装备，按照以下方式进行频谱资源复用和去冲突：检查可用频段重叠的装备能否在时域、空域或频域实现频谱资源复用，对于能够进行频谱资源复用的装备，其可用频谱资源保持不变；对于不能进行频谱资源复用的装备，根据相关装备的频谱资源裕度进行频域去冲突。5.如权利要求4所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，根据相关装备的频谱资源裕度进行频域去冲突具体包括：对于可用频段存在重叠的第k1、k2类装备，其用频需。

6、求数分别为可用频谱资源数分别为重叠部分频段的频谱资源数分别按照第k1、k2类装备的频谱资源表征方法记为则去冲突后的第k1、k2类装备的可用频谱资源数分别更新为：权利要求书1/3 页2CN 117177365 A2式中分别为第k1、k2类装备的频谱资源裕度，表示向下取整。6.如权利要求35任一项所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S4具体包括：在综合考量用频需求、用频效能、用频优先级关键因素的基础上，以频谱资源使用量为基本自变量，建立能够对不同类型用户、装备的频谱使用效益进行比较的效用函数：式中：x0，为分配使用的频谱资源数，m1为用频需求数，x、m均为整数；频谱资源调配因子，。

7、0，该因子与用频优先级或用频效能成正比例关系，u0(x)为频谱效用基函数。7.如权利要求6所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S5具体包括：假设第n个用户分配的第k类装备的频谱资源数为xn,k，第n个用户对第k类装备的用频需求数为mn,k，则基于频谱效用最大化的频率优化分配目标函数表示为所有装备的加权平均频谱效用：式中：n,k为第n个用户的第k类装备的频谱资源调配因子，其中，已忽略不影响分配结果的常数因子ln2；为适应频谱资源不足、相对充足条件下不同频率分配策略的应用需求，引入公平分配因子，0，且根据频谱资源裕度进行调整，使得频率分配结果满足以下约束条件：式中k为第k类装备的。

8、公平分配因子，表示向上取整。8.如权利要求7所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S6具体包括：根据各类装备的频谱资源裕度选择适当的频率分配策略和参数，具体包括以下3种典型情况：(1)LkN，即频谱资源极度不足时，采用频谱容量优先策略，相应的推荐取值为：(2)NLkMk，即频谱资源相对不足时，兼顾频谱容量优先、任务/效能优先策略，相应权利要求书2/3 页3CN 117177365 A3的推荐取值为：(3)LkMk，即频谱资源相对充足时，采用任务/效能优先策略，相应的推荐取值范围为：9.如权利要求8所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，所述S7具体包括：根据频率优化分。

9、配模型和分配策略及参数选择方法，采用基于最大边际频谱效用的频率优化分配算法，迭代求解频率分配结果。10.如权利要求9所述的基于频谱效用的频率优化分配方法，其特征在于，基于最大边际频谱效用的频率优化分配算法具体包括如下步骤：S71、初始化频率分配结果装备类别序号k0；S72、更新装备类别序号kk+1，若kK，则跳转到S77；S73、计算第k类装备的边际频谱效用：S74、查找第k类装备的最大边际频谱效用maxun,k|n1,2,N及其对应的用户号nmax；S75、更新用户nmax分配的频谱资源数若则将其边际频谱效用置零，否则更新其边际频谱效用：S76、计算第k类装备已分配的频谱资源数若则跳转到S7。

10、4，否则跳转到S72；S77、输出频率分配结果及包含相应数量频率的分配频率集。权利要求书3/3 页4CN 117177365 A4一种基于频谱效用的频率优化分配方法技术领域0001本发明属于电磁频谱管理技术领域，具体涉及一种基于频谱效用的频率优化分配方法。背景技术0002联合电磁频谱作战条件下，电磁空间成为第六维作战空间，用频装备数量、带宽需求激增与战场电磁频谱资源紧张的矛盾问题更加凸显。如何科学合理地分配战场电磁频谱资源，提高频谱资源使用效能，是战场电磁频谱管理需要解决的重要难题。0003针对频谱资源分配问题，现有方法多是基于博弈论、图论、拍卖理论、机器学习算法等开展研究，通常针对单一用频业。

11、务或场景，对分配性能的考量主要是吞吐量、功耗、传输速率等方面。虽然可以通过建立干扰冲突最小、需求满足最高、邻频风险最低等多目标优化模型，引入时、频、空、能等维度的考量因素，但由于缺少对装备用频优先级、用频效能、用频需求等频率分配关键因素的综合考量，以及对频谱容量优先、作战任务优先、用频效能优先等频率分配策略的有效支持，仍然难以解决联合作战条件下多业务用频装备的频率分配问题。发明内容0004(一)要解决的技术问题0005本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于频谱效用的频率优化分配方法，以解决现有方法未充分考量联合作战条件下装备用频需求、用频效能、任务优先级等频率分配的关键影响因素，对频谱容量优。

12、先、作战任务优先、用频效能优先等频率分配典型策略的支持性不足，难以获得贴近实战需求的频率分配结果等问题。0006(二)技术方案0007为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于频谱效用的频率优化分配方法，该方法包括如下步骤：0008S1、确定用户提报的各类装备用频需求；0009S2、根据指定频谱资源和背景电磁环境，确定各类装备的可用频谱资源；0010S3、根据频谱资源相对裕度和可复用性，调整更新可用频谱资源；0011S4、根据装备用频需求、用频效能及优先级，建立频谱效用表征模型；0012S5、建立基于频谱效用最大化的频率优化分配模型；0013S6、根据各类装备的频谱资源裕度，确定频率分配策略及参。

13、数；0014S7、根据频率优化分配模型、策略及参数，迭代求解频率分配结果。0015(三)有益效果0016本发明提出一种基于频谱效用的频率优化分配方法，与现有方法相比，本发明具有以下优点：00171.本发明通过构建基于装备用频需求、用频效能和任务优先级的频谱效用函数，说明书1/7 页5CN 117177365 A5以频谱效用最大化为优化目标，实现了基于用频需求和频谱效用的多业务装备频率优化分配，能够有效提高频谱资源受限条件下的联合作战用频效能。00182.本发明通过引入公平分配因子并根据频谱资源裕度情况进行灵活调整，在兼顾频率分配公平性、频谱资源复用效率的基础上，能够支持频谱容量优先、作战任务优。

14、先、用频效能优先等频率分配典型策略，提高了频率分配的灵活性和作战支持性。00193.本发明对频率分配性能的考量要素包括频谱效用提升度、用频需求满足度、用频分配公平性、频率分配策略支持性等方面，与现有方法主要考量吞吐量、功耗、传输速率以及冲突、干扰风险等要素相比，本发明更加贴近实战应用需求，从而获得更为合理的频率分配结果。00204.本发明主要基于凸优化分析方法构建了频率优化分配模型和分配方法，与现有的基于博弈论、图论、拍卖理论、机器学习算法等频率分配方法相比，本发明所需数据量少、计算复杂度低，能够更好地满足战场电磁频谱动态管控对频率分配的实时性要求。附图说明0021图1为本发明的实现流程图；0。

15、022图2为基于最大边际频谱效用的频率优化分配算法流程图；0023图3为本发明公平分配指数随公平分配因子的变化曲线；0024图4为本发明不同的公平分配因子对应的用频分配率对比图；0025图5为本发明不同的优先级/效能对应的用频需求满足度对比图。具体实施方式0026为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。0027本发明属于电磁频谱管理技术领域，涉及频谱筹划、频率分配技术，具体涉及一种基于频谱效用的频率优化分配方法，可用于联合作战条件下多业务用频装备频率分配。0028本发明的目的是提出一种既能够兼顾频谱资源使用效能和分配公平性，又能够支持。

16、频率分配典型策略的频率分配方法。通过最大化频谱效用，实现了有限频谱资源的合理、高效使用，提高了联合作战用频效能；同时，通过灵活调整频率分配公平因子，实现了对多种频率分配策略的支持，提高了频率分配的灵活性和复杂战场电磁环境适应性。0029图1为本发明的实现流程图。如图1所示，该流程包括如下步骤：0030S1、确定用户提报的各类装备用频需求；0031S2、根据指定频谱资源和背景电磁环境，确定各类装备的可用频谱资源；0032S3、根据频谱资源相对裕度和可复用性，调整更新可用频谱资源；0033S4、根据装备用频需求、用频效能及优先级，建立频谱效用表征模型；0034S5、建立基于频谱效用最大化的频率优化。

17、分配模型；0035S6、根据各类装备的频谱资源裕度，确定频率分配策略及参数；0036S7、根据频率优化分配模型、策略及参数，迭代求解频率分配结果。0037下面具体介绍各个步骤：0038S1、确定用户提报的各类装备用频需求说明书2/7 页6CN 117177365 A60039装备用频需求通常由用户提报。假设共计有N个用户、K类装备，第n个用户提报的第k类装备的用频需求数为mn,k，mn,k为以频点数或以最小分配带宽为单位进行计数的使用频段宽度，mn,k1，则第k类装备的用频需求总数为00400041S2、根据指定频谱资源和背景电磁环境，确定各类装备的可用频谱资源0042可用频谱资源通常由上级电。

18、磁频谱管理部门指定并根据背景电磁环境情况进行确认，确认方法为在指定频谱资源中去掉背景电磁环境信号已占用的频谱资源，并以频点数或以最小分配带宽为单位进行计数的可用频段宽度进行表征：第k类装备的可用频谱资源数记为Lk，相应的可用频率集记为其中每个频率对应带宽fk为该类装备的单频点带宽或最小分配带宽。0043S3、根据频谱资源相对裕度和可复用性，调整更新可用频谱资源0044对于可用频谱资源存在频段重叠的不同类型装备，按照以下方式进行频谱资源复用和去冲突：检查可用频段重叠的装备能否在时域、空域或频域实现频谱资源复用，对于能够进行频谱资源复用的装备，其可用频谱资源保持不变；对于不能进行频谱资源复用的装备。

19、，根据相关装备的频谱资源裕度进行频域去冲突，具体方法如下：0045对于可用频段存在重叠的第k1、k2类装备，其用频需求数分别为可用频谱资源数分别为重叠部分频段的频谱资源数分别按照第k1、k2类装备的频谱资源表征方法记为则去冲突(可用频段不重叠)后的第k1、k2类装备的可用频谱资源数分别更新为(相应更新可用频率集)：004600470048式中分别为第k1、k2类装备的频谱资源裕度，表示向下取整。0049S4、根据装备用频需求、用频效能及优先级，建立频谱效用表征模型0050在综合考量用频需求、用频效能、用频优先级等关键因素的基础上，以频谱资源使用量为基本自变量，建立能够对不同类型用户、装备的频谱。

20、使用效益进行比较的效用函数。考虑到在军事电磁频谱管理领域的应用需求，本发明建立的频谱效用函数u(x)(其中x为频谱资源使用量)具备以下基本性质：0051(1)u(x)是0,)区间上的单调递增函数，以满足“使用频谱资源越多、频谱效用越大”的基本原则。0052(2)u(x)是凹函数，以满足频谱资源均衡分配、公平使用需求，同时满足边际效用说明书3/7 页7CN 117177365 A7递减规律。0053(3)u(x)与用频优先级或用频效能正相关，以体现这些因素对频谱效用的影响。0054(4)当频谱资源使用量x等于用频需求量，即用频需求满足度为100时，u0(x)1，其中u0(x)为不考虑用频优先级、。

21、用频效能等因素的频谱效用基函数。0055(5)当x0时，u(x)0。0056基于上述考量，本发明采用如下形式的频谱效用基函数：00570058式中：x0，为分配使用的频谱资源数，m1为用频需求数，x、m均为整数。m指的是某个用户对某一类装备的用频需求数，而不是所有用户全体的用频需求数。0059考虑到用频优先级、用频效能等对频谱效用的影响，本发明引入频谱资源调配因子，0，该因子与用频优先级或用频效能成正比例关系，相应的频谱效用函数为：00600061S5、建立基于频谱效用最大化的频率优化分配模型0062假设第n个用户分配的第k类装备的频谱资源数为xn,k，第n个用户对第k类装备的用频需求数为mn。

22、,k，则基于频谱效用最大化的频率优化分配目标函数可表示为所有装备的加权平均频谱效用：00630064式中：n,k为第n个用户的第k类装备的频谱资源调配因子，其中，已忽略不影响分配结果的常数因子ln2。0065为适应频谱资源不足、相对充足等多种条件下不同频率分配策略的应用需求，引入公平分配因子，0，且根据频谱资源裕度进行调整，使得频率分配结果满足以下约束条件：00660067式中k为第k类装备的公平分配因子，表示向上取整。0068S6、根据各类装备的频谱资源裕度，确定频率分配策略及参数0069根据各类装备的频谱资源裕度选择适当的频率分配策略和参数，具体包括以下3种典型情况：0070(1)LkN，。

23、即频谱资源极度不足时，采用频谱容量优先策略，相应的因子推荐取值为：00710072(2)NLkMk，即频谱资源相对不足时，兼顾频谱容量优先、任务/效能优先策略，说明书4/7 页8CN 117177365 A8相应的因子推荐取值为：00730074(3)LkMk，即频谱资源相对充足时，采用任务/效能优先策略，相应的因子推荐取值范围为：00750076S7、根据频率优化分配模型、策略及参数，迭代求解频率分配结果0077根据上述频率优化分配模型和分配策略及参数选择方法，采用如图2所示的基于最大边际频谱效用的频率优化分配算法，迭代求解频率分配结果，具体包括如下步骤：0078S71、初始化频率分配结果装。

24、备类别序号k0；0079S72、更新装备类别序号kk+1，若kK，则跳转到S77；0080S73、计算第k类装备的边际频谱效用：00810082S74、查找第k类装备的最大边际频谱效用maxun,k|n1,2,N及其对应的用户号nmax；0083S75、更新用户nmax分配的频谱资源数若则将其边际频谱效用置零，否则更新其边际频谱效用：00840085S76、计算第k类装备已分配的频谱资源数若则跳转到S74，否则跳转到S72；0086S77、输出频率分配结果及包含相应数量频率的分配频率集(同类装备的分配频率集之间无交集即可)。0087实施例1：0088本发明的实施效果可以通过以下仿真进一步说明：。

25、0089仿真基本条件：用户数N50，装备类型数K20，每个用户对各类装备的用频需求数mn,k为1,10区间内均匀分布的随机整数，装备用频优先等级为15级(数值越大，等级越高)，相应的n,k取值为1,5区间内均匀分布的随机整数，每类装备的可用频点数Lk为区间内均匀分布的随机整数(频谱资源相对充足)。0090仿真内容与结果：00911.频率分配公平性仿真分析0092借鉴Jain公平指数并对其进行适用性改进，本发明采用如下形式的公平分配指数说明书5/7 页9CN 117177365 A9对频率分配公平性进行定量分析评估：00930094式中：Jk为第k类装备的公平分配指数。0095令公平分配因子取值。

26、为230，仿真计算各类装备的分配公平指数并取平均值，蒙特卡洛仿真次数为100次，仿真结果如图3所示。0096从图3可以看出，公平分配指数随着因子增大呈现先快速减小、后趋于平缓的趋势，这表明因子可以有效调节频率分配的公平性。当kLk/Mk时，各用户的用频需求对频率分配的影响更加突出，而用频优先级、用频效能的作用被极大地弱化，从而分配结果更加公平，相应的公平分配指数接近于1。当时，用频优先级、用频效能的作用得以完全体现，从而频谱资源优先分配给优先级和用频效能较高的装备，相应的公平分配指数相对较小。00972.频谱容量优先策略支持性分析0098频谱容量优先策略是指在频率分配时优先保障用频装备数量，而。

27、不是优先满足装备用频需求。为进行定量分析，定义装备用频分配率为至少分配一个频率资源的装备数量比例。令1,2,3，n,k1，Lkmk/2，其他仿真参数同上，仿真得到用频分配率如图4所示。0099由图4可知，当1时，用频分配率达到95以上，绝大部分的装备分配到了频谱资源；当3时，用频分配率降低到80以下，即20以上的装备未分配到频谱资源。因此，在频谱资源相对不足的条件下，为了达到均衡分配频谱资源、提高战场频谱容量的目的，需要设置较小的因子。特别是在装备用频优先级相同的情况下，由于用频需求较多的装备其单个频率资源的频谱效用被“稀释”了，频谱资源将优先分配给用频需求较少的装备，从而保障尽可能多的装备用。

28、频需求。01003.任务/效能优先策略支持性分析0101任务/效能优先策略是指在频率分配时优先保障任务优先级/用频效能较高的用户。该策略在频谱资源相对充足的条件下可以更好地保障高优先级任务/高效能装备的用频需求。为进行定量分析，设置仿真参数如下：用户数N100，其中50个用户的优先级/用频效能为1(1)，其余用户优先级/用频效能为2(2)，每个用户的用频需求数为1,10区间内均匀分布的随机整数，总的可用频率数为用频需求总数的2倍，3。仿真得到两类用户的平均用频需求满足度如图5所示。0102在频谱资源相对充足的条件下，图5中高优先级/高效能用户的平均用频需求满足度达到280以上，而低优先级/低效。

29、能用户仅为180左右，二者差异显著。这表明，本发明提出的频率分配方法能够根据用频优先级/效能进行频谱资源的优化分配，实现任务/效能优先的频率分配策略。0103综合上述仿真分析，本发明可在兼顾频率分配公平性和频率分配策略支持性的基础上，实现基于频谱效用的频谱资源优化分配。0104与现有方法相比，本发明具有以下优点：01051.本发明通过构建基于装备用频需求、用频效能和任务优先级的频谱效用函数，说明书6/7 页10CN 117177365 A10以频谱效用最大化为优化目标，实现了基于用频需求和频谱效用的多业务装备频率优化分配，能够有效提高频谱资源受限条件下的联合作战用频效能。01062.本发明通过。

30、引入公平分配因子并根据频谱资源裕度情况进行灵活调整，在兼顾频率分配公平性、频谱资源复用效率的基础上，能够支持频谱容量优先、作战任务优先、用频效能优先等频率分配典型策略，提高了频率分配的灵活性和作战支持性。01073.本发明对频率分配性能的考量要素包括频谱效用提升度、用频需求满足度、用频分配公平性、频率分配策略支持性等方面，与现有方法主要考量吞吐量、功耗、传输速率以及冲突、干扰风险等要素相比，本发明更加贴近实战应用需求，从而获得更为合理的频率分配结果。01084.本发明主要基于凸优化分析方法构建了频率优化分配模型和分配方法，与现有的基于博弈论、图论、拍卖理论、机器学习算法等频率分配方法相比，本发明所需数据量少、计算复杂度低，能够更好地满足战场电磁频谱动态管控对频率分配的实时性要求。0109以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。说明书7/7 页11CN 117177365 A11图1说明书附图1/4 页12CN 117177365 A12图2说明书附图2/4 页13CN 117177365 A13图3图4说明书附图3/4 页14CN 117177365 A14图5说明书附图4/4 页15CN 117177365 A15。