[发明专利]一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法

权利要求书

1.一种联合探测及通信系统中的鲁棒频谱共享方法，其特征在于：依托的系统包括移动目标User₀、雷达User₁、LTE基站User₂以及LTE移动端User₃；下标0、1、2、3分别对应4类不同用户；所述方法，包括如下步骤：

步骤1、分别设定雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益、迭代次数、波动次数、种群大小、路径损耗模型以及三个目标函数的边界条件，并设定六个决策变量及工作范围；

设定的三个目标函数的边界条件为雷达信干比目标函数的最小值Z_1,min、距离分辨率倒数目标函数的最小值Z_2,min及通信容量目标函数的最小值Z_3,min；

设定的六个决策变量为雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率，路径损耗模型为在Longley-Rice模型基础上对路径损耗引入波动；

步骤2、基于步骤1设定的雷达天线增益、LTE基站天线增益、LTE移动端天线增益，依据6个决策变量的工作范围随机产生M个天线增益相同的个体，生成初始种群；

其中，每个个体包括雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率及LTE起始频率的值；

步骤3、计算步骤2产生的每一个个体的三个目标参数值，并基于目标参数值求出对应的目标函数值；

其中，三个目标参数值为：雷达信干比、距离分辨率倒数及通信容量；

步骤3，具体为：雷达信干比的目标函数值为：10乘以10为底，“波动次数个雷达信干比的均值”除以“波动次数个雷达信干比的方差”的对数；

雷达距离分辨率的目标函数值为：雷达距离分辨率的倒数；

通信系统容量的目标函数值为：10乘以10为底，“波动次数个通信系统容量的均值”除以“波动次数个通信系统容量的方差”的对数；

步骤4、根据步骤3求出的目标函数值，对每个个体进行非支配等级排序，具体包括如下子步骤：

步骤4.1初始化w＝1、m＝1以及集合F_m为空，并设定两个参数：n_w表示种群中所有能支配第w个个体的个体数目，S_w表示种群中所有受第w个个体支配的个体集合；

其中，w为个体序号，F_m为非支配等级为m的个体集合；

步骤4.2找到种群中所有n_w＝0的个体，放入集合F_m中；

步骤4.3对于在集合F_m中的每个个体，找到种群中所有受该个个体支配的个体集合，遍历该集合中的每个个体，对“所有能支配该个体的个体数目”进行减1操作，若减1操作后为0，则认为该个体的非支配等级为m+1，并将该个体放入集合V中；否则，若减1操作后不为0，继续步骤4.3遍历个体；如果所有个体遍历了，跳至步骤4.4；

步骤4.4对支配等级m进行加1操作，即令m＝m+1，并将步骤4.3生成的集合V替换为集合F_m；

步骤4.5判断集合F_m是否为空，若否，将集合V清空后，跳至步骤4.3；

至此，从步骤4.1到步骤4.5，完成了种群中所有个体的非支配等级排序；

步骤5、根据步骤3计算出来的每个个体的目标函数值和步骤4完成的非支配等级排序，对每个个体进行拥挤度计算，具体为：

步骤5.1假设经过步骤4后所有个体被分到了J个支配等级的集合中，即步骤4中的非支配等级下标m范围为1到J，初始化非支配等级下标m为1；

步骤5.2引入步骤4中的集合F_m，根据步骤3计算得到的每个个体的各目标函数值对F_m中的个体进行由小到大的排序；

其中，集合F_m中包含的个体数，记为r；

步骤5.3对于F_m中的第i个个体的拥挤度D_i的计算公式如下(2)所示：

其中，f_1，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的雷达信干比目标函数值；f_1，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的雷达信干比的目标函数值；f_2，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的雷达距离分辨率的目标函数值；f_2，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的雷达距离分辨率的目标函数值；f_3，i+1为第m非支配等级中第i+1个个体的通信系统容量的目标函数值；f_3，i-1为第m非支配等级中第i-1个个体的通信系统容量的目标函数值；i的取值范围为2到r-1，r大于等于1；

步骤6、根据步骤4和步骤5计算出来的每个个体的支配等级和拥挤度及步骤1设定的种群大小M，初始化集合U为M个个体；

步骤7、将由步骤6得到的集合U中的M个个体依次以2个为1组作为父代个体，总共有M/2组，从中随机选择P组父代个体，再分别对其中的每1组父代个体进行模拟二进制交叉得到2个子代个体，最终共计算得到2P个子代个体放入后代个体集合O中；将剩余的未进行模拟二进制交叉的(M/2-P)组父代个体放入后代个体集合O中，集合O中共包含M个个体；

其中，在一次迭代中进行模拟二进制交叉的父代个体为第i个个体和第i+1个个体，且i的取值范围为1到M-1；

模拟二进制交叉，包括如下子步骤：

步骤7.1计算第i个子代个体和第i+1个子代个体的6个决策变量值，计算公式如下(3)(4)所示：

其中，j是6个决策变量的索引上标，j＝1指雷达发射功率，j＝2指雷达带宽，j＝3指雷达起始频率，j＝4指LTE发射功率，j＝5指LTE带宽，j＝6指LTE起始频率；是第i个子代个体的第j个决策变量取值，是第i+1个子代个体的第j个决策变量取值，是第i个父代个体的第j个决策变量取值，是第i+1个父代个体的第j个决策变量取值；u是在0到1内服从均匀分布的随机数；η_c是分布因子，范围0.1到0.5；

步骤7.2若步骤7.1计算得到的2个子代个体的决策变量取值均属于步骤1设定的6个决策变量的取值范围，则进行步骤7.3；若这2个子代个体的决策变量取值至少有1个不属于步骤1设定的6个决策变量的取值范围，则回到步骤7.1重新生成子代个体的决策变量取值；

步骤7.3根据步骤3所述的目标函数计算方法计算得到每个子代个体的雷达信干比的目标函数值、雷达距离分辨率的目标函数值和通信系统容量的目标函数值，若2个个体的目标函数值均满足步骤1设定的目标函数边界条件，则将这2个子代个体放入后代个体集合O中；若2个个体的目标函数值至少有1个不满足步骤1设定的目标函数边界条件，则回到步骤7.1重新生成子代个体的决策变量取值；

步骤8、分别在步骤7计算得到的集合O中的每个个体的6个决策变量值中随机选择Q个决策变量值，其中Q的范围为1到6，再进行多项式变异得到该个体更新后的决策变量值，剩余的未进行多项式变异的(6-Q)个决策变量值保持不变；

其中，若假设第i个个体的第j个决策变量进行多项式变异，则计算第i个个体的第j个决策变量更新值的计算公式如(5)所示：

其中，

其中，是第i个个体的第j个决策变量更新值，是第i个个体的第j个决策变量原值，β^j是第j个决策变量取值范围上限，γ^j是第j个决策变量取值范围下限；η_m是分布因子，范围0.1到0.5；u是在0到1内服从均匀分布的随机数；

步骤9、对于步骤8更新决策变量后的M个个体，根据步骤3所述的目标函数计算方法计算得到每个子代个体的雷达信干比的目标函数值、雷达距离分辨率的目标函数值和通信系统容量的目标函数值，若该个体的目标函数值均满足步骤1设定的目标函数边界条件，则放入更新后的后代个体集合E中；若该个体的目标函数值至少有1个不满足步骤1设定的目标函数边界条件，则回到步骤8重新更新该个体的决策变量取值；

步骤10、将步骤9得到的更新后的后代个体集合E与步骤6得到的联赛结果集合U合并得到集合Λ；对集合Λ依次进行步骤4所述的非支配等级排序和步骤5所述的拥挤度计算；

步骤11、根据联赛选择算法，对步骤10得到的集合Λ中个体进行排序，选择前M个个体作为下一次迭代的集合U；

其中，一次联赛选择，具体为：从集合Λ中随机挑选出两个个体，比较此两个个体的支配等级，具体为：若此两个个体的支配等级相等，则继续比较该两个个体的拥挤度，若此两个个体的拥挤度大小相等，则选择两个个体中的任一个个体放入集合U中；若两个个体的拥挤度不相等，则将拥挤度值小的个体放入集合U中；否则，若两个个体的支配等级不相等，则将支配等级高的个体将其放入集合U中，一次联赛选择完成；

步骤12、根据步骤1设定的迭代次数T，重复步骤7到步骤11，计算得到最终的精英种群，得到最佳的雷达发射功率、LTE发射功率、雷达带宽、LTE带宽、雷达起始频率以和LTE起始频率。