基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法研究

張平，　周瓊，　孫茜

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司, 江蘇 常州　213015； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 圖文信息中心，江蘇 徐州　221116； 3.江蘇移動(dòng)通信有限責(zé)任公司 徐州分公司， 江蘇 徐州　221116)

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基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法研究

張平1，周瓊2，孫茜3

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司, 江蘇 常州213015； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 圖文信息中心，江蘇 徐州221116； 3.江蘇移動(dòng)通信有限責(zé)任公司 徐州分公司， 江蘇 徐州221116)

摘要：針對(duì)煤礦井下頻譜感知技術(shù)感知準(zhǔn)確度低的問題，提出了基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法。該算法根據(jù)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)感知性能的好壞，將認(rèn)知節(jié)點(diǎn)分為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和跟隨節(jié)點(diǎn)，感知性能差的跟隨節(jié)點(diǎn)采取感知性能好的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果。Matlab仿真結(jié)果表明，該算法提高了煤礦井下頻譜感知的性能。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電； 巷道通信； 頻譜感知； Strackelberg博弈論

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1001.007.html

0　引言

目前煤礦井下主要的通信系統(tǒng)有小靈通通信系統(tǒng)、超低頻透地通信系統(tǒng)、礦用漏地通信系統(tǒng)、中頻通信系統(tǒng)和蜂窩通信系統(tǒng)[1]。這些井下通信系統(tǒng)存在信道穩(wěn)定性差、信號(hào)傳輸衰減嚴(yán)重且易受電磁干擾的影響等缺點(diǎn)。將認(rèn)知無線電技術(shù)[2]和煤礦井下通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，一方面可以利用認(rèn)知無線電感知煤礦井下無線通信環(huán)境中的電磁波參數(shù)信息，根據(jù)不同的通信環(huán)境選擇不同的傳輸方式，自適應(yīng)地調(diào)整工作參數(shù)，以減小電磁干擾對(duì)煤礦通信的影響，提高礦井通信的可靠性和穩(wěn)定性；另一方面可以根據(jù)不同巷道的通信環(huán)境，選擇不同的頻段進(jìn)行頻譜分配，從而提高通信容量[3]。目前已有文獻(xiàn)提出將認(rèn)知無線電應(yīng)用到煤礦井下：參考文獻(xiàn)[4]提出了煤礦井下認(rèn)知無線電感知模型，并提出了單節(jié)點(diǎn)能量感知和循環(huán)平穩(wěn)特征聯(lián)合感知的算法，雖然克服了在低信噪比下檢測(cè)概率低的問題，但是當(dāng)煤礦井下存在多徑衰落和嚴(yán)重電磁干擾時(shí)，檢測(cè)概率仍然很低；參考文獻(xiàn)[5]提出把多節(jié)點(diǎn)合作感知應(yīng)用到煤礦井下，并提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下合作頻譜感知方法，雖然提高了感知準(zhǔn)確度，但是算法比較復(fù)雜。基于此，本文提出了一種基于Strackelberg博弈論[6]的煤礦井下頻譜感知(Spectrum Sensing Scheme in Coal Mine based on Strackelberg Game, SSS-CM-SG)算法，該算法把礦井下的通信節(jié)點(diǎn)分為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和跟隨節(jié)點(diǎn)，將可靠性較高的節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，可靠性較低的節(jié)點(diǎn)作為跟隨節(jié)點(diǎn)，跟隨節(jié)點(diǎn)跟隨領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果，從而增強(qiáng)了頻譜感知的感知性能。

1　頻譜感知模型

煤礦井下認(rèn)知無線電頻譜感知模型如圖1所示，該模型有6個(gè)認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)和1個(gè)主用戶節(jié)點(diǎn)，由于煤礦無線通信易受陰影效應(yīng)和多徑效應(yīng)的影響，所以圖1考慮實(shí)際的場(chǎng)景，其中SU6的傳輸受到巷道的遮擋，受到陰影衰落的影響。此外，各個(gè)認(rèn)知用戶之間各有一條控制信道，以便彼此交換感知結(jié)果。

圖1　煤礦井下認(rèn)知無線電頻譜感知模型

假設(shè)所有的認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)均采用能量感知[7]，并且能量感知的參數(shù)相同，主用戶信號(hào)的帶寬為W，采樣周期為T，能量檢測(cè)輸出的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為Y，且判決門限為λ，比較檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量Y與判決門限λ，可以得到2個(gè)假設(shè)，用式(1)表示：

(1)

式中：H1表示主用戶存在，授權(quán)頻段被占用；H0表示主用戶不存在，授權(quán)頻段空閑。

在沒有衰減的信道中，第i個(gè)認(rèn)知用戶的檢測(cè)概率為

(2)

式中：QN(·,·)為廣義的Q函數(shù)，N為采樣個(gè)數(shù)，N=TW；γi為第i個(gè)認(rèn)知用戶的接收信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。

煤礦井下通信環(huán)境比較惡劣，信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的衰減，假設(shè)煤礦井下的衰減為瑞利衰減，則井下第i個(gè)認(rèn)知用戶的檢測(cè)概率為

(3)

另外一個(gè)衡量頻譜感知性能的指標(biāo)為虛警概率，在瑞利衰落信道下，第i個(gè)認(rèn)知用戶的虛警概率Pf,i為

(4)

從式(4)可以看出，Pf,i只和能量檢測(cè)器的參數(shù)N和門限λ相關(guān)，和距離di沒有關(guān)系。因此，當(dāng)認(rèn)知用戶采用的能量檢測(cè)器參數(shù)相同時(shí)，可以不考慮虛警概率Pf,i。

2　SSS-CM-SG算法

2.1煤礦認(rèn)知節(jié)點(diǎn)角色判斷

假設(shè)有n個(gè)認(rèn)知用戶，則認(rèn)知用戶的最終檢測(cè)概率為

(5)

本文考慮2種情況下的檢測(cè)概率：

(6)

圖2描述了第i個(gè)認(rèn)知用戶的檢測(cè)概率Pd,i與α的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，認(rèn)知用戶的信噪比越大，其檢測(cè)概率Pd,i也越大。例如，要使認(rèn)知用戶的檢測(cè)概率Pd,i≥0.7，則其平均信噪比要大于或等于2λ；要使認(rèn)知用戶的檢測(cè)概率Pd,i≥0.9，則其平均信噪比要大于或等于5λ。

圖2　檢測(cè)概率Pd,i和α的關(guān)系曲線

在Strackelberg博弈論中，有領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者2個(gè)參與者，總是領(lǐng)導(dǎo)者先行動(dòng)，跟隨者觀察到領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)后再行動(dòng)，獲知領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)后，跟隨者可以做出有利于自己利益的行動(dòng)。

(7)

(8)

(9)

這種情況適合于認(rèn)知用戶是隱蔽終端的情況，若認(rèn)知用戶被主用戶信道隱藏，則其信噪比將急劇下降，且檢測(cè)概率趨近于0。

綜上所述，本文根據(jù)認(rèn)知用戶接收的主用戶信號(hào)來區(qū)分自己是領(lǐng)導(dǎo)者還是跟隨者，這個(gè)過程可以描述為Strackelberg博弈的過程，因此，信噪比較高的認(rèn)知用戶可作為領(lǐng)導(dǎo)者向其他認(rèn)知用戶廣播其感知結(jié)果，信噪比較低的認(rèn)知用戶和惡意用戶只能作為跟隨者，接收領(lǐng)導(dǎo)者廣播的感知結(jié)果。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作感知性能由信噪比較高的領(lǐng)導(dǎo)者決定，信噪比較低的跟隨者從中受益。

2.2協(xié)作頻譜感知融合

假設(shè)認(rèn)知用戶廣播其感知結(jié)果，則經(jīng)過Strackelberg博弈論協(xié)作后的檢測(cè)概率Qd和虛警概率Qf分別為

(10)

(11)

式中：Hk,i為第i個(gè)認(rèn)知用戶做出的主用戶是否存在的判決，Hk,i=H0,iorH1,i。

2.3SSS-CM-SG算法流程

以圖1為例來描述基于Stackelberg 博弈理論的煤礦井下頻譜感知的具體過程。圖1描述了一個(gè)煤礦井下認(rèn)知無線電頻譜感知場(chǎng)景：SU6為隱藏節(jié)點(diǎn)，其信道被巷道遮擋，SU6存在陰影效應(yīng)。信任度值較低的SU6要作為跟隨者，而其他的信道條件好、信任度值高的認(rèn)知用戶可作為領(lǐng)導(dǎo)者。在這種情況下，作為領(lǐng)導(dǎo)者的SU1，SU2，SU3，SU4，SU5將廣播它們的感知結(jié)果，作為跟隨者的SU6只能偵聽領(lǐng)導(dǎo)者的感知結(jié)果?；诰徒瓌t，SU6跟隨SU5做出頻譜判決，所以，雖然SU6的信道條件惡劣，但由于SU6跟隨SU5的判決結(jié)果，也能較正確地判決主用戶是否存在。

3　仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法的感知性能，基于Matlab仿真平臺(tái)，利用蒙特卡洛仿真方法對(duì)所提的算法進(jìn)行仿真分析。仿真場(chǎng)景設(shè)置如下：假設(shè)n個(gè)認(rèn)知用戶隨機(jī)分布在一個(gè)主用戶周圍，感知時(shí)間T=100 ms，信號(hào)帶寬為W=5×104Hz，α1=0.7。

圖3　檢測(cè)概率Pd隨平均信噪比變化的曲線(n=5)

參考文獻(xiàn)和[4]中的頻譜感知算法之間的檢測(cè)概率差距變小，這是因?yàn)樾诺罈l件惡劣的認(rèn)知用戶數(shù)減少了，但是在16 dB時(shí)，協(xié)作感知的檢測(cè)概率仍然比非協(xié)作的情況提高了18.7%。

圖4　檢測(cè)概率Pd隨平均信噪比變化的曲線(n=7)

4　結(jié)語

建立了煤礦井下認(rèn)知無線電頻譜感知模型，提出了一種基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法，介紹了煤礦認(rèn)知節(jié)點(diǎn)角色判斷、協(xié)作頻譜感知融合及頻譜感知算法流程。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信道條件比較惡劣時(shí)，該算法的感知性能有了很大的提高。

[1]胡穗延.煤礦自動(dòng)化和通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007,35(8):1-4.

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文章編號(hào)：1671-251X(2016)08-0025-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.007

收稿日期：2016-01-28；修回日期：2016-06-16；責(zé)任編輯：胡嫻。

基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司科研項(xiàng)目(14SY006-03)。

作者簡介：張平(1987-)，男，江蘇泰州人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槊旱V認(rèn)知無線電，E-mail:zhangp3612@163.com。

中圖分類號(hào)：TD655

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-03 10:01

Research on spectrum sensing algorithm of coal mine based on Strackelberg game theory

ZHANG Ping1，ZHOU Qiong2，SUN Qian3

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China; 2.Graphic Information Center,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3.Xuzhou Branch, Jiangsu Mobile Communications Company Limited， Xuzhou 221116, China)

Abstract:In view of problem of low accuracy of spectrum sensing technology of coal mine, a spectrum sensing algorithm of coal mine based on Strackelberg game theory was proposed. The algorithm divides cognitive nodes into leading nodes and following nodes according to good or poor sensing performance of cognitive nodes, and following nodes with poor sensing performance take the decision of leading nodes which have good sensing performance. The Matlab simulation results show that the algorithm improves spectrum sensing performance of coal mine.

Key words:cognitive radio; tunnel communication; spectrum sensing; Strackelberg game theory

張平，周瓊，孫茜.基于Strackelberg博弈論的煤礦井下頻譜感知算法研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：25-28.