KR102176020B1 - A Q-Learning-Based Clustering Method Considering the Scalability and Stability in Cognitive Radio Ad Hoc Networks - Google Patents

A Q-Learning-Based Clustering Method Considering the Scalability and Stability in Cognitive Radio Ad Hoc Networks Download PDF

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Abstract

The present invention proposes a Q-learning-based clustering method considering scalability and stability in a cognitive radio ad-hoc network and an apparatus thereof. According to the present invention, the proposed Q-learning-based clustering method considering scalability and stability in a cognitive radio ad-hoc network comprises the steps of: sensing a frequency spectrum of a region through a cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and dynamically evaluating the quality of a band and channel using Q-learning; constructing a node channel cluster information message to use the result of the evaluation of the quality of the band and channel and information on a neighboring node and a cluster; and selecting a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and an optimal channel within the cluster.

Description

인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 방법{A Q-Learning-Based Clustering Method Considering the Scalability and Stability in Cognitive Radio Ad Hoc Networks}A Q-Learning-Based Clustering Method Considering the Scalability and Stability in Cognitive Radio Ad Hoc Networks}

본 발명은 다중 채널(Multiple Channel)을 사용하는 인지 무선(Cognitive Radio) 네트워크에서 부 사용자 노드간 정보 교환을 통해 동적으로 클러스터를 구성하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부 사용자 노드들이 스펙트럼 센싱 결과 및 노드 상호간 교환을 통해 얻은 정보를 기반으로 채널 및 대역 품질 평가, 클러스터 헤드, 클러스터 멤버 노드, 게이트웨이 노드, 공통 활성 데이터 채널 및 게이트웨이 노드를 동적으로 선택하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for dynamically configuring a cluster through information exchange between secondary user nodes in a cognitive radio network using multiple channels. More specifically, secondary user nodes The present invention relates to a method and apparatus for dynamically selecting a channel and band quality evaluation, a cluster head, a cluster member node, a gateway node, a common active data channel, and a gateway node based on a sensing result and information obtained through exchange between nodes.

다수의 채널을 선택적으로 사용하는 인지 무선 애드혹 네트워크(Ad-hoc Network)는 기 할당되지 않은 채널을 검색하여 유선 백본망 기반의 기지국 없이 무선으로 네트워크를 구성할 수 있는 기술이다.A cognitive wireless ad-hoc network that selectively uses a number of channels is a technology that searches for channels that are not already allocated and configures a wireless network without a base station based on a wired backbone network.

상기 인지 무선 애드혹 네트워크는 인증된 주파수 대역을 사용하는 주 사용자들의 유휴 대역을 활용하여, 주 사용자들의 통신에 방해를 주지 않는 한도 내에서 인지 무선 사용자들이 통신을 수행할 수 있다.The cognitive radio ad-hoc network utilizes an idle band of primary users using an authenticated frequency band, so that cognitive radio users can communicate within a limit that does not interfere with communication of primary users.

상기 인지 무선 애드혹 네트워크는 유휴대역을 감지하여 주 사용자들로 인해 채널마다 각기 다른 파라미터들을 고려하고 각 멤버 노드들의 요구조건을 개별적으로 만족시키기 위해 사용할 수 있는 주파수 자원을 효율적으로 선택하는 기법이 요구된다.The cognitive radio ad-hoc network is required to detect an idle band, consider different parameters for each channel due to main users, and efficiently select a frequency resource that can be used to individually satisfy the requirements of each member node. .

상기 인지 무선 애드혹 네트워크는 주 사용자가 존재하는 환경에서 유선 백본망 없이 데이터 통신을 수행하기 위해 클러스터 네트워크를 구성해야 하고 주 사용자의 동작특성 및 주변환경의 변화에 대응하여 데이터 통신을 안정적으로 수행하기 위해 동적으로 토폴로지를 구성하는 기법이 요구된다.The cognitive wireless ad-hoc network must configure a cluster network to perform data communication without a wired backbone network in an environment in which the main user exists, and in order to perform data communication stably in response to changes in the operation characteristics and surrounding environment of the main user. A technique for dynamically configuring the topology is required.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 인지 무선 애드혹 네트워크 환경에서 인지 무선 사용자들이 스펙트럼 센싱을 통해 대역 및 채널의 품질을 결정하고 노드 상호간 정보교환을 하여 클러스터에 속한 멤버 노드들간, 그리고 클러스터 간에 간섭 없이 원활한 통신을 위해 네트워크 토폴로지 및 사용 대역/채널을 동적으로 결정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 상기의 토폴로지 및 사용 대역/채널을 동적으로 결정하기 위해 고려되는 요소와 관련하여 네트워크 수명을 연장하고, 멤버 노드들뿐만 아니라 다른 클러스터 네트워크들에서도 연결성을 향상시킬 수 있으며, 선택된 데이터 채널을 이용하여 안정적이고 신뢰적인 서비스를 제공할 수 있고, 이웃하는 애드혹 클러스터들 간의 간섭을 피할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다. The technical problem to be achieved by the present invention is that cognitive wireless users determine the quality of bands and channels through spectrum sensing in a cognitive wireless ad-hoc network environment, and exchange information between nodes to facilitate seamless communication without interference between member nodes in a cluster and between clusters. It is to provide a method and apparatus for dynamically determining a network topology and a used band/channel for the purpose. In addition, it is possible to extend the network life in relation to the factors considered for dynamically determining the topology and the use band/channel above, improve connectivity not only to member nodes, but also to other cluster networks, and use the selected data channel. Thus, it is intended to provide a method and apparatus capable of providing a stable and reliable service and avoiding interference between neighboring ad hoc clusters.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 방법은 인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 단계, 대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 단계 및 클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계를 포함한다. In one aspect, the Q-learning-based clustering method in consideration of scalability and stability in the cognitive radio ad-hoc network proposed in the present invention senses the frequency spectrum of a corresponding region through a cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and detects the band and channel quality. Dynamically evaluating using Q-learning, constructing a node channel cluster information message to use the evaluation results for the quality of bands and channels, and neighboring nodes and cluster information, and cluster head, cluster member node, and gateway And selecting an optimal channel within the node and cluster.

인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 단계는 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 계산하는 단계, 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 사용하여 Q값을 계산하기 위한 Q러닝 함수를 계산하는 단계, Q러닝 함수를 사용하여 Q테이블의 채널 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계 및 채널 선택 동작에 대한 Q값을 사용하여 대역 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계를 포함한다. The step of sensing the frequency spectrum of the region through the cognitive radio terminal in the cognitive radio network and dynamically evaluating the quality of the band and channel using Q-learning includes calculating the normalized average idle time and the estimated idle time probability, Computing a Q-learning function for calculating the Q-value using the normalized mean idle time and the estimated idle-time probability, dynamically calculating the Q-value for the channel selection behavior of the Q table using the Q-learning function, and And dynamically calculating a Q value for the band selection operation using the Q value for the channel selection operation.

대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 단계는 노드 식별인자와 잔여 에너지를 사용하여 노드 특성 필드를 구성하는 단계, 가용채널 리스트와 가용채널의 Q값들을 사용하여 채널품질 필드를 구성하는 단계, 주변노드 리스트와 주변노드 가용채널 리스트를 사용하여 주변노드 연결성 필드를 구성하는 단계 및 연결 가능한 주변 클러스터들의 집합과 연결 가능한 주변 클러스터들의 공통 활성 데이터 채널들을 사용하여 주변 클러스터 연결 가능성 필드를 구성하는 단계를 포함한다. The step of constructing the node channel cluster information message to use the evaluation results of the band and channel quality and the neighboring node and cluster information is the step of constructing a node characteristic field using the node identifier and residual energy, and the available channel list and Constructing the channel quality field using the Q values of the available channels, constructing the neighboring node connectivity field using the neighboring node list and the neighboring node available channel list, and the common activation of the set of connectable neighboring clusters and the connectable neighboring clusters. And configuring a peripheral cluster connectability field using the data channels.

클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계는 클러스터 헤드를 선택하기 위해 각 노드가 접근 가능한 채널들에 대해 채널 적합도 함수를 계산하는 단계, 각 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수, 주변노드들의 개수를 사용하여 클러스터 헤드 적합도 함수를 계산하는 단계 및 클러스터 헤드 적합도 함수 결과를 사용하여 클러스터 헤드 요구 메시지를 노드 상호간에 송수신하여 클러스터 헤드를 선출하는 단계를 포함한다. Selecting the cluster head, cluster member node, gateway node, and the optimal channel in the cluster is the step of calculating a channel fitness function for channels accessible by each node to select the cluster head, residual energy of each node, and channel The steps of calculating the cluster head fitness function using the fitness, the number of connectable neighboring clusters, and the number of neighboring nodes, and selecting the cluster head by transmitting and receiving a cluster head request message between nodes using the cluster head fitness function result. Include.

클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계는 클러스터 멤버노드를 선택하기 위해 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 브로드캐스팅하는 단계, 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 수신 받은 노드가 자신의 가용 채널과 비교하고 가입 요청 메시지를 송신하는 단계 및 상기 클러스터 헤드 선택 결과 메시지를 수신 받는 노드가 중복 된 메시지를 수신하는 경우 클러스터 헤드를 선택하는 단계를 포함한다. The step of selecting the cluster head, cluster member node, gateway node, and the optimal channel in the cluster is the step of broadcasting the cluster head selection result message by the cluster head selected to select the cluster member node, and receiving the cluster head selection result message. And comparing the received node with its available channel and transmitting a subscription request message, and selecting a cluster head when the node receiving the cluster head selection result message receives a duplicate message.

클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계는 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계 및 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계를 포함한다. The step of selecting the cluster head, cluster member node, gateway node, and the optimal channel within the cluster is the step of selecting a gateway node by the cluster head using the received node channel cluster information, and the member nodes that can be connected to any cluster are duplicated. And if present, selecting a gateway node.

클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계는 클러스터 내 최적 채널을 선택하기 위해 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계 및 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계를 포함한다. The step of selecting the cluster head, the cluster member node, the gateway node, and the optimal channel in the cluster includes the steps of selecting a gateway node by the cluster head using the received node channel cluster information to select the optimal channel in the cluster. And selecting a gateway node when there are duplicate member nodes connectable to the cluster.

또 다른 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 장치는 인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 대역 및 채널 품질 평가부, 대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부 및 클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 선택부를 포함한다.In another cognitive wireless ad-hoc network, the Q-learning-based clustering device, which considers scalability and stability, senses the frequency spectrum of the region through the cognitive wireless terminal in the cognitive wireless network, and dynamically determines the quality of the band and channel using Q-learning. Band and channel quality evaluation unit to be evaluated, node channel cluster information message generation unit and cluster head, cluster member node that constitutes node channel cluster information message to use the evaluation result of band and channel quality and neighbor node and cluster information , A gateway node and a selector for selecting an optimal channel in the cluster.

본 발명의 실시예들에 따르면 Q러닝을 이용하여 시간적으로 변하는 환경에서 동적으로 대역/채널의 품질을 측정하였고, 이를 통해 얻게 되는 Q값은 스펙트럼 센싱, 클러스터 헤드 선택, 공통 활성/백업 데이터 채널 선택 및 게이트 웨이 노드 선택을 위한 대역 그룹 결정과 같은 여러 목적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 노드의 잔여 에너지, 클러스터 내 멤버 노드 연결성, 클러스터 간 연결성, 가용 채널 목록 및 채널 품질을 고려한 다목적 함수를 사용하여 클러스터의 수명, 노드의 차수(node degree), 네트워크 연결성, 공통 채널의 개수 및 공통 데이터 채널 품질이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 중복성을 최소화하고 클러스터 간 연결성을 극대화할 수 있는 최적의 게이트 웨이 노드들의 집합을 도출할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 게이트 웨이 노드를 선택하는데 있어 해당 노드가 사용 가능한 채널의 Q값을 사용하여 신뢰할 수 있는 클러스터 간 통신 링크를 제공할 수 있다. According to embodiments of the present invention, the quality of a band/channel was dynamically measured in a temporally changing environment using Q-learning, and the Q value obtained through this is spectrum sensing, cluster head selection, and common active/backup data channel selection. And determining a band group for selecting a gateway node. In addition, according to embodiments of the present invention, the lifespan of the cluster, the node degree, and the multipurpose function taking into account the residual energy of the node, the connectivity of the member nodes in the cluster, the connectivity between the clusters, the list of available channels and the channel quality are used. Network connectivity, the number of common channels, and quality of common data channels can be improved. In addition, according to embodiments of the present invention, it is possible to derive an optimal set of gateway nodes that can minimize redundancy and maximize connectivity between clusters. Further, according to embodiments of the present invention, in selecting a gateway node, a reliable inter-cluster communication link may be provided by using the Q value of a channel available to the corresponding node.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 주 사용자들이 존재하는 환경에서 인지무선 애드혹 네트워크의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크의 클러스터링을 수행하는 전체 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크의 클러스터링 과정에서 사용하는 채널 동작과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 채널을 사용하기 위한 대역 그룹 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터링 형성에 있어 대역 및 채널을 평가하기 위한 Q러닝에 사용되는 Q테이블을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Q러닝 모듈이 대역 그룹을 선택한 뒤 스펙트럼 센싱 모듈이 해당 대역 그룹 내 채널들에 대해 주기적으로 광대역 센싱을 수행하는 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 초기 클러스터 구성에 있어 각 노드가 주변 노드를 찾아내기 위해 상호간에 정보를 교환하기 위해 사용하는 노드 채널 클러스터 정보 메시지의 형식을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 주변 클러스터 헤드가 존재하지 않는 상황에서 클러스터 헤드 선택 과정을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 클러스터들이 동시에 생성된 상황에서 클러스터의 형성을 도시하는 도면이다.
1 is a schematic diagram of a cognitive wireless ad-hoc network in an environment in which a plurality of main users exist according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an overall structure of clustering a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a Q-learning-based clustering method in consideration of scalability and stability in a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a channel operation process used in a clustering process of a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a band group structure for using a frequency channel according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a Q table used for Q-learning for evaluating bands and channels in clustering formation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a spectrum sensing module periodically performing broadband sensing on channels within a corresponding band group after a Q-learning module selects a band group according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the format of a node channel cluster information message used by each node to exchange information with each other to find neighboring nodes in an initial cluster configuration according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a process of selecting a cluster head in a situation where there is no neighboring cluster head according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a configuration of a Q-learning-based clustering device in consideration of scalability and stability in a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing cluster formation in a situation in which multiple clusters are simultaneously created according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다중 채널을 사용하는 인지 무선 애드혹 네트워크에서 멤버 노드들이 채널, 이웃노드, 이웃 클러스터에 대한 정보를 이용하여 클러스터 헤드, 클러스터 멤버, 게이트웨이 노드, 공통 활성 데이터 채널을 동적으로 선정하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for dynamically selecting a cluster head, a cluster member, a gateway node, and a common active data channel by member nodes using information on a channel, a neighbor node, and a neighboring cluster in a cognitive wireless ad-hoc network using multiple channels. do.

본 발명에 있어서 이하 주로 사용되는 용어와 그 의미는 다음과 같이 정의된다. In the present invention, terms mainly used hereinafter and their meanings are defined as follows.

클러스터 헤드(Cluster Head; CH)는 클러스터 내에서 멤버 노드들로부터 센싱 결과 보고를 기초로 가용한 채널들의 집합을 구성하고 클러스터 내의 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 공통 활성 데이터 채널을 선택하는 단말로 정의한다.The cluster head (CH) is defined as a terminal that configures a set of available channels based on the sensing result report from member nodes in the cluster and selects the member node, gateway node, and common active data channel in the cluster. .

클러스터(Cluster)는 클러스터 헤드(CH)가 자신의 통신 가능 반경인 1홉 거리에 있는 관리 가능한 노드들의 집합으로 정의한다.A cluster is defined as a set of manageable nodes within one hop distance of the cluster head (CH), which is its communication available radius.

멤버 노드(Member Node; MN)는 클러스터 내에서 데이터를 송수신하고 스펙트럼 센싱을 수행하여 채널 별로 주 사용자의 유무, 채널 별 품질 상태를 1홉 거리내의 상호 노드들 간에 보고하는 단말로 정의한다.A member node (MN) is defined as a terminal that transmits and receives data within a cluster and performs spectrum sensing to report the presence of a main user for each channel and the quality status of each channel between mutual nodes within one hop distance.

본 발명의 실시예들은 인지무선 부 사용자 노드들이 주변환경을 관측한 뒤 1홉 거리 내 노드들로부터 얻는 정보를 기반으로 클러스터 헤드를 선정하고, 클러스터 헤드는 노드들로부터 정보를 교환하여 클러스터 멤버노드, 게이트웨이 노드, 공통 활성 데이터 채널을 동적으로 선택하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 실시예들은 각 부 사용자 노드들이 채널을 센싱하여 채널 및 대역 품질을 산정하기 위한 Q러닝 동작 방법, 동적인 채널 및 대역 품질 산정을 위한 Q테이블의 구성방법, 노드 상호간 정보교환을 위한 메세지 구성방법, Q러닝을 통해 얻은 Q값을 바탕으로 채널 품질 산정을 위한 채널 적합도 설정방법, 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 주변 클러스터 및 노드에 대한 연결성 정보를 바탕으로 클러스터 헤드 적합도 설정방법, 클러스터 헤드 적합도를 사용하여 클러스터 헤드 선정방법, 클러스터 내 사용 채널을 위한 공통 활성 데이터 채널 및 백업 채널 선정방법, 클러스터 내 멤버노드 및 게이트 웨이 노드를 선정하는 방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Embodiments of the present invention select a cluster head based on information obtained from nodes within a one-hop distance after cognitive wireless sub-user nodes observe the surrounding environment, and the cluster head exchanges information from the nodes to create a cluster member node, It relates to a method for dynamically selecting a gateway node, a common active data channel. More specifically, the embodiments include a Q-learning operation method for calculating channel and band quality by sensing a channel by each sub-user nodes, a method of configuring a Q table for dynamic channel and band quality estimation, and a method for exchanging information between nodes. Message composition method, channel suitability setting method for channel quality calculation based on Q value obtained through Q-learning, residual energy of node, channel suitability, cluster head suitability setting method based on connectivity information for neighboring clusters and nodes, cluster The present invention relates to a method for selecting a cluster head using head fitness, a method for selecting a common active data channel and a backup channel for a channel used in a cluster, and a method for selecting a member node and a gateway node in a cluster. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 주 사용자들이 존재하는 환경에서 인지무선 애드혹 네트워크의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a cognitive wireless ad-hoc network in an environment in which a plurality of main users exist according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 사용하는 인지무선 애드혹 네트워크는 주어진 지리적 영역에서 P 개의 주 사용자들(

Figure 112019081257377-pat00001
)과 S 개의 부 사용자인 멤버 노드들 (
Figure 112019081257377-pat00002
)이 존재하는 상황에서 고려된다. A cognitive wireless ad-hoc network using multiple channels according to an embodiment of the present invention includes P primary users (
Figure 112019081257377-pat00001
) And S sub-users (
Figure 112019081257377-pat00002
) Is considered.

멤버 노드들은 단일 송수신기를 사용하고, 스펙트럼 센싱을 통해 주변의 주 사용자가 일시적으로 채널을 사용하지 않아 발생하는 빈 채널을 찾아내 사용함으로써 멤버 노드들의 주 사용자 채널 사용이 주 사용자에게 어떠한 간섭도 미치지 않도록 한다. 본 발명의 실시예들에서 멤버 노드들은 인지무선 애드혹 네트워크의 초기 클러스터를 구성하거나 해당 클러스터 구성의 재조정에 필요한 제어 메세지들을 교환하는데 있어 미리 정해진 공통제어채널(Common Control Channel; CCC)을 사용한다.Member nodes use a single transceiver and use spectrum sensing to find and use an empty channel that occurs when a nearby main user temporarily does not use the channel, so that the use of the main user channel by the member nodes does not cause any interference to the main user. do. In the embodiments of the present invention, member nodes use a predetermined common control channel (CCC) to exchange control messages required for the initial cluster configuration of the cognitive wireless ad-hoc network or re-adjustment of the cluster configuration.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 사용하는 인지무선 애드혹 네트워크는, 도 1에 도시된 바와 같이 주 사용자들(110)이 존재할 수 있는 환경에서 다수의 멤버노드(130)들이 상호간 통신을 수행하여 게이트웨이 노드(140), 클러스터 헤드(150)를 선정하고 이를 바탕으로 애드혹 클러스터 네트워크를 구축하게 된다.In the cognitive wireless ad-hoc network using multiple channels according to an embodiment of the present invention, a plurality of member nodes 130 communicate with each other in an environment in which main users 110 may exist, as shown in FIG. 1. Accordingly, the gateway node 140 and the cluster head 150 are selected, and an ad-hoc cluster network is constructed based on these.

도 1을 참조하여 주 사용자들은 지리적인 네트워크 영역에서 무작위적으로 존재하고 각각의 주 사용자들은 해당지역에서 하나의 채널을 사용한다. 주 사용자들은 채널을 사용하는데 있어 동작(ON, busy)모드와 유휴모드(OFF, idle)를 번갈아가며 동작한다. 주 사용자 채널들에서 나타나는 동작모드와 유휴모드의 시간 통계들은 독립 항등 분포(independent identically distributed; i.i.d.) 특성을 갖는다. 주 사용자의 전송반경 내에 있는 멤버노드들은 주 사용자들을 센싱하며 주 사용자가 동작모드로 동작할 때에 해당채널을 사용하지 않는다.Referring to FIG. 1, primary users randomly exist in a geographic network area, and each primary user uses one channel in a corresponding area. The main users operate the channel alternately between operation (ON, busy) mode and idle mode (OFF, idle). The time statistics of the operating mode and the idle mode appearing in the main user channels have an independent identically distributed (i.i.d.) characteristic. The member nodes within the transmission radius of the main user sense the main users and do not use the corresponding channel when the main user operates in the operation mode.

도 1을 참조하여 채널 3(ch 3 )을 사용하는 주 사용자(110, pu 3 )의 전송 반경(120) 내에 있는 멤버노드들은 해당채널을 사용할 수 없다. 주 사용자의 전송반경은 멤버노드들에 의해 센싱되는 최소 요구 주 사용자 전력에 의해 결정되고 주 사용자 전송전력, 주 사용자 보호를 위한 센싱 요구사항 및 무선 채널 통계에 따라 달라지지만 본 발명에서는 주 사용자의 전송 반경은 사전에 정의된 전송반경으로 산정한다.Referring to FIG. 1, member nodes within the transmission radius 120 of the main users 110 and pu 3 using channel 3 ( ch 3 ) cannot use the corresponding channel. The transmission radius of the main user is determined by the minimum required main user power sensed by the member nodes and varies depending on the main user transmission power, the sensing requirements for protection of the main user, and wireless channel statistics, but in the present invention, the transmission of the main user The radius is calculated using a predefined transmission radius.

도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 헤드는 분산적인 방법으로 Q러닝 기반의 다중목적 함수들에 의해 선택되고, 기 선택된 클러스터 헤드는 공통 활성 데이터 채널(Common Active Data Channel; CADC)과 공통 백업 데이터 채널(Common Backup Data Channel; CBDC)을 결정한다. 게이트웨이 노드들은 두 개 이상의 클러스터 애드혹 네트워크들을 연결하며 클러스터간(inter-cluster) 통신을 통해 클러스터간 데이터 릴레이를 수행한다. 클러스터의 멤버노드들과 게이트웨이 노드들은 클러스터 헤드와 1홉 통신이 가능한 주변노드들로 구성된다. Referring to FIG. 1, a cluster head according to an embodiment of the present invention is selected by Q-learning-based multi-purpose functions in a distributed manner, and a pre-selected cluster head is a common active data channel (CADC). And the Common Backup Data Channel (CBDC). Gateway nodes connect two or more cluster ad-hoc networks and perform inter-cluster data relay through inter-cluster communication. Member nodes and gateway nodes of a cluster are composed of peripheral nodes capable of 1-hop communication with the cluster head.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크의 클러스터링을 수행하는 전체 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an overall structure of clustering a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여 광대역(다시 말해, 대역그룹) 스펙트럼 센싱 모듈(210)은 주기적으로 광대역 스펙트럼을 관측하고 모든 채널들에 대한 채널 품질 수준(250)을 계산한다. 과거의 채널 품질 수준과 기대 보상값을 기반으로 Q러닝 모듈(220)에서 채널 및 대역 그룹의 Q값이 갱신된다. 주변노드 탐지 모듈(230)은 주변 노드의 상태, 채널별 Q값과 다른 노드들 및 클러스터들에 대한 연결성 정보를 포함하는 노드 채널 클러스터 정보(Node Channel Cluster Information; NCCI) 메세지(260)를 공통제어채널을 통해 획득하거나 자신의 NCCI 메세지를 브로드캐스팅한다. 자신과 주변노드의 정보를 기반으로 각 노드는 클러스터 헤드 후보 평가 모듈(240)에서 클러스터 헤드가 될 자격이 있는 노드를 결정하고 클러스터 헤드 요청(Cluster Head Request; CH_REQ) 메세지를 해당 노드로 전송한다.With reference to FIG. 2, the broadband (ie, band group) spectrum sensing module 210 periodically observes the broadband spectrum and calculates a channel quality level 250 for all channels. The Q value of the channel and band group is updated in the Q learning module 220 based on the past channel quality level and the expected compensation value. The neighboring node detection module 230 controls a node channel cluster information (NCCI) message 260 including the state of the neighboring nodes, the Q value for each channel, and connectivity information for other nodes and clusters. Acquire through a channel or broadcast its own NCCI message. Based on the information of itself and neighboring nodes, each node determines a node eligible to become a cluster head in the cluster head candidate evaluation module 240 and transmits a cluster head request (CH_REQ) message to the node.

본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크의 노드는 충분한 CH_REQ 메세지(270)를 수신하면 클러스터 헤드가 될 수 있으며 최적의 CADC와 CBDC를 결정한다. CADC는 클러스터 내의 데이터 전송에 사용되며 CBDC는 주 사용자가 CADC에서 등장할 경우 대체하여 사용할 수 있는 데이터 통신 채널이다. 클러스터 헤드는 CH 식별번호와 CADC, CBDC를 포함하는 클러스터 헤드 선택 결과 메세지(Cluster Head Announcement; CH_ANM) 메세지(280)를 주변에 브로드캐스팅한다. CH_ANM 메세지를 수신 받은 멤버노드는 CADC에 자신이 접속 가능한 채널이 있는 경우 CH_ANM을 브로드캐스팅한 클러스터 헤드에게 JOIN_REQ(Join Request) 메세지(290)를 전송한다. 클러스터 헤드는 멤버노드의 다른 클러스터에 대한 연결성과 채널의 Q값을 사용하여 클러스터 간 통신을 위한 최적의 게이트 웨이 노드들을 멤버 노드들 중에 선택한다. 이후 클러스터 헤드는 MN&GN_ANM (Member Node and Gateway Node Announcement) 메세지(295)를 주변노드들에게 브로드캐스팅한다.A node of a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention can become a cluster head upon receiving a sufficient CH_REQ message 270 and determines an optimal CADC and CBDC. CADC is used for data transfer within the cluster, and CBDC is a data communication channel that can be used as an alternative to the main users when they appear in CADC. The cluster head broadcasts a Cluster Head Announcement (CH_ANM) message 280 including a CH identification number, CADC, and CBDC. The member node receiving the CH_ANM message transmits a JOIN_REQ (Join Request) message 290 to the cluster head that broadcasts CH_ANM when there is a channel to which it can access the CADC. The cluster head selects the optimal gateway nodes for inter-cluster communication among the member nodes using the connectivity of the member nodes to other clusters and the Q value of the channel. Thereafter, the cluster head broadcasts a MN&GN_ANM (Member Node and Gateway Node Announcement) message 295 to neighboring nodes.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a Q-learning-based clustering method in consideration of scalability and stability in a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 방법은 인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 단계(310), 대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 단계(320) 및 클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택하는 단계(330)를 포함한다. The Q-learning-based clustering method that considers scalability and stability in the proposed cognitive radio ad-hoc network senses the frequency spectrum of the region through the cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and dynamically determines the band and channel quality using Q-learning. The step of evaluating 310, the step 320 of constructing a node channel cluster information message to use the evaluation result for the quality of the band and the channel and the neighboring node and cluster information, and the cluster head, the cluster member node, the gateway node, and Including step 330 of selecting an optimal channel in the cluster.

단계(310)에서, 인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가한다. In step 310, the frequency spectrum of the corresponding region is sensed through the cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and the quality of the band and channel is dynamically evaluated using Q-learning.

단계(310)는 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 계산하는 단계, 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 사용하여 Q값을 계산하기 위한 Q러닝 함수를 계산하는 단계, Q러닝 함수를 사용하여 Q테이블의 채널 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계 및 채널 선택 동작에 대한 Q값을 사용하여 대역 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계를 포함한다. Step 310 is a step of calculating a normalized average idle time and an estimated idle time probability, calculating a Q-learning function for calculating a Q value using the normalized average idle time and the estimated idle time probability, and a Q-learning function. And dynamically calculating a Q value for the channel selection operation of the Q table using and dynamically calculating a Q value for the band selection operation using the Q value for the channel selection operation.

단계(320)에서, 대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성한다. In step 320, a node channel cluster information message is constructed to use the result of the evaluation of the band and channel quality and the neighboring node and cluster information.

단계(320)는 노드 식별인자와 잔여 에너지를 사용하여 노드 특성 필드를 구성하는 단계, 가용채널 리스트와 가용채널의 Q값들을 사용하여 채널품질 필드를 구성하는 단계, 주변노드 리스트와 주변노드 가용채널 리스트를 사용하여 주변노드 연결성 필드를 구성하는 단계 및 연결 가능한 주변 클러스터들의 집합과 연결 가능한 주변 클러스터들의 공통 활성 데이터 채널들을 사용하여 주변 클러스터 연결 가능성 필드를 구성하는 단계를 포함한다. Step 320 is a step of configuring a node characteristic field using a node identification factor and residual energy, a step of configuring a channel quality field using the available channel list and Q values of the available channels, the neighboring node list and the neighboring node available channels And configuring a peripheral node connectivity field using the list, and configuring a peripheral cluster connectivity field using a set of connectable peripheral clusters and common active data channels of the connectable peripheral clusters.

단계(330)에서, 클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택한다. In step 330, a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and an optimal channel in the cluster are selected.

본 발명의 일 실시예에 따른 단계(330)는 클러스터 헤드를 선택하기 위해 각 노드가 접근 가능한 채널들에 대해 채널 적합도 함수를 계산하는 단계, 각 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수, 주변노드들의 개수를 사용하여 클러스터 헤드 적합도 함수를 계산하는 단계 및 클러스터 헤드 적합도 함수 결과를 사용하여 클러스터 헤드 요구 메시지를 노드 상호간에 송수신하여 클러스터 헤드를 선출하는 단계를 포함한다. Step 330 according to an embodiment of the present invention is the step of calculating a channel fitness function for channels accessible by each node to select a cluster head, residual energy of each node, channel fitness, and connectable neighboring clusters. And calculating a cluster head fitness function using the number and the number of neighboring nodes, and selecting a cluster head by transmitting and receiving a cluster head request message between nodes using a result of the cluster head fitness function.

본 발명의 다른 실시예에 따른 단계(330)는 클러스터 멤버노드를 선택하기 위해 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 브로드캐스팅하는 단계, 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 수신 받은 노드가 자신의 가용 채널과 비교하고 가입 요청 메시지를 송신하는 단계 및 상기 클러스터 헤드 선택 결과 메시지를 수신 받는 노드가 중복 된 메시지를 수신하는 경우 클러스터 헤드를 선택한다. Step 330 according to another embodiment of the present invention is a step in which a cluster head selected to select a cluster member node broadcasts a cluster head selection result message, and the node receiving the cluster head selection result message has its own available channel And transmitting a subscription request message, and when the node receiving the cluster head selection result message receives a duplicate message, the cluster head is selected.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단계(330)는 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계 및 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계를 포함한다. In step 330 according to another embodiment of the present invention, the cluster head selects a gateway node using the received node channel cluster information, and when a member node connectable to an arbitrary cluster exists in duplicate, the gateway And selecting a node.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단계(330)는 클러스터 내 최적 채널을 선택하기 위해 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계 및 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계를 포함한다. In step 330 according to another embodiment of the present invention, the cluster head selects a gateway node using the received node channel cluster information in order to select an optimal channel in the cluster, and a member node connectable to an arbitrary cluster. And selecting a gateway node if there is overlapping.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크의 클러스터링 과정에서 사용하는 채널 동작과정을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a channel operation process used in a clustering process of a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.

각 노드는 광대역 스펙트럼을 주기적으로 센싱(410)하여 가용한 모든 채널과 그에 대한 통계적 특성을 얻는다. 노드들은 공통 제어 채널을 통해 초기 클러스터링(420) 또는 클러스터 재구성(470)을 위한 메세지를 교환한다. 클러스터가 형성된 후에는 CADC를 사용하여 클러스터 내부(intra) 혹은 클러스터 상호간(inter)의 데이터 통신이 수행된다(430). 노드들은 CADC를 사용하여 주기적으로 NCCI 메세지를 교환하여 현재 채널과 주변노드의 상태에 대해 보고한다(440). 클러스터가 구성된 후에는 클러스터 헤더가 주기적으로 CH_ANM 메세지를 공통제어채널에 브로드캐스팅하여 새로운 노드가 클러스터에 추가되거나 다른 클러스터의 노드들이 클러스터 헤드 혹은 그들의 CADC를 인지할 수 있도록 한다(450). 주 사용자가 검출되면 클러스터의 노드들은 데이터 통신 채널을 CBDC로 전환하여 사용한다(460). Each node periodically senses 410 the broadband spectrum to obtain all available channels and statistical characteristics thereof. The nodes exchange messages for initial clustering 420 or cluster reconfiguration 470 over a common control channel. After the cluster is formed, data communication within the cluster or between the clusters is performed using CADC (430). The nodes periodically exchange NCCI messages using CADC to report on the current channel and the state of the neighboring nodes (440). After the cluster is formed, the cluster header periodically broadcasts a CH_ANM message to the common control channel so that new nodes are added to the cluster or nodes of other clusters can recognize the cluster head or their CADC (450). When the primary user is detected, the nodes of the cluster switch the data communication channel to CBDC and use it (460).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 채널을 사용하기 위한 대역 그룹 구조를 나타내는 도면이다. 5 is a diagram illustrating a band group structure for using a frequency channel according to an embodiment of the present invention.

멤버 노드들이 스펙트럼 센싱을 수행하는데 있어 주어진 센싱 시간 내에 수 kHz에서 수 GHz에 이르는 전체 주파수 스펙트럼을 센싱하는 것은 실용적이지 않기 때문에 전체 대역을 분할하여 센싱한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크 클러스터링 시스템은 전체 동작 대역을

Figure 112019081257377-pat00003
개의 대역그룹들
Figure 112019081257377-pat00004
(510)로 분할하고 각 대역 그룹은 M 개의 채널들로 구성된다(520). When member nodes perform spectrum sensing, it is not practical to sense the entire frequency spectrum ranging from several kHz to several GHz within a given sensing time, so the entire band is divided and sensed. The cognitive wireless ad-hoc network clustering system according to an embodiment of the present invention covers the entire operating band.
Figure 112019081257377-pat00003
Bandgroups
Figure 112019081257377-pat00004
Divided into 510 and each band group is composed of M channels (520).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터링 형성에 있어 대역 및 채널을 평가하기 위한 Q러닝에 사용되는 Q테이블을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a Q table used for Q-learning for evaluating a band and a channel in clustering formation according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱은 Q러닝 알고리즘을 사용하여 대역 그룹들 중 하나를 선택하여 이뤄진다. 도 6을 참조하여 Q테이블의 상태들(610)은 각 멤버노드들을 나타내고 따라서 각 노드들은 단일 상태에 대응된다. 도 6을 참조하여 Q테이블의 동작들(620)은 스펙트럼 센싱을 위한 대역 그룹들을 나타낸다. Broadband spectrum sensing according to an embodiment of the present invention is performed by selecting one of the band groups using a Q-learning algorithm. Referring to FIG. 6, the states 610 of the Q table represent each member node, and thus, each node corresponds to a single state. With reference to FIG. 6, operations 620 of the Q table represent band groups for spectrum sensing.

도 6을 참조하여 Q테이블에서 멤버노드

Figure 112019081257377-pat00005
의 대역그룹
Figure 112019081257377-pat00006
을 평가하기 위한 Q값은 [수학식 1]에 의해 산정될 수 있다.Member nodes in Q table with reference to FIG. 6
Figure 112019081257377-pat00005
Band group
Figure 112019081257377-pat00006
The Q value for evaluating can be calculated by [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019081257377-pat00007
Figure 112019081257377-pat00007

도 6과 [수학식 1]을 참조하여

Figure 112019081257377-pat00008
는 멤버노드
Figure 112019081257377-pat00009
의 채널
Figure 112019081257377-pat00010
에 대한 Q값이고 따라서 [수학식 1]은 멤버노드
Figure 112019081257377-pat00011
의 대역 그룹
Figure 112019081257377-pat00012
에 속하는 채널들의 Q값의 평균을 나타낸다.6 and [Equation 1]
Figure 112019081257377-pat00008
Is a member node
Figure 112019081257377-pat00009
Channel of
Figure 112019081257377-pat00010
Is the Q value for [Equation 1]
Figure 112019081257377-pat00011
Band group
Figure 112019081257377-pat00012
Represents the average of the Q values of channels belonging to.

멤버 노드

Figure 112019081257377-pat00013
의 Q러닝 모듈은 스펙트럼 센싱을 위해 대역 그룹 중 가장 높은 Q값을 갖는 대역그룹
Figure 112019081257377-pat00014
를 선택하며 [수학식 2]에 의해 산정될 수 있다.Member node
Figure 112019081257377-pat00013
The Q-learning module of is a band group with the highest Q value among band groups for spectrum sensing.
Figure 112019081257377-pat00014
And can be calculated by [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019081257377-pat00015
Figure 112019081257377-pat00015

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Q러닝 모듈이 대역 그룹을 선택한 뒤 스펙트럼 센싱 모듈이 해당 대역 그룹 내 채널들에 대해 주기적으로 광대역 센싱을 수행하는 것을 도시한 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating a spectrum sensing module periodically performing broadband sensing on channels within a corresponding band group after a Q-learning module selects a band group according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Q러닝 모듈이 대역 그룹

Figure 112019081257377-pat00016
을 선택한 뒤 스펙트럼 센싱 모듈이 해당 대역 그룹 내 채널들에 대해 주기적으로
Figure 112019081257377-pat00017
번의 광대역 센싱을 수행하는 것을 도시한 도면이다. 도 7를 참조하여
Figure 112019081257377-pat00018
번의 센싱 이후 측정된 채널 품질 수준에 따라 채널과 각 대역 그룹의 Q값들이 갱신된다. 이후에는 다음 대역 그룹에 대한 광대역 센싱이 수행된다. 도 7을 참조하여 센싱간격(sensing interval)은
Figure 112019081257377-pat00019
(710)이고 따라서 대역 그룹별 동작 결정 간격은
Figure 112019081257377-pat00020
이다. 다음 번 대역 그룹의 센싱에서 기 선택된 대역 그룹이 다시 선택될 수 있으며 이 경우 선택된 대역 그룹 (
Figure 112019081257377-pat00021
)의 대역 그룹 센싱시간(
Figure 112019081257377-pat00022
)은
Figure 112019081257377-pat00023
의 정수배가 된다.7 is a Q-learning module band group according to an embodiment of the present invention
Figure 112019081257377-pat00016
After selecting, the spectrum sensing module periodically
Figure 112019081257377-pat00017
It is a diagram showing that the wideband sensing is performed. With reference to FIG. 7
Figure 112019081257377-pat00018
The Q values of the channel and each band group are updated according to the measured channel quality level after sensing once. After that, wideband sensing is performed for the next band group. Referring to Figure 7, the sensing interval is
Figure 112019081257377-pat00019
(710), so the interval for determining the operation of each band group is
Figure 112019081257377-pat00020
to be. In the next band group sensing, the previously selected band group may be selected again. In this case, the selected band group (
Figure 112019081257377-pat00021
) Of the band group sensing time (
Figure 112019081257377-pat00022
)silver
Figure 112019081257377-pat00023
Becomes an integer multiple of

도 6 및 도 7을 참조하여 해당 대역 그룹의 센싱이 종료되고 새롭게 다른 대역 그룹이 광대역 스펙트럼 센싱을 위해 선택되는 경우 채널에 관련된 Q값은 [수학식 3]에 의해 산정될 수 있다.6 and 7, when sensing of a corresponding band group is terminated and another band group is newly selected for broadband spectrum sensing, a Q value related to a channel may be calculated by [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019081257377-pat00024
Figure 112019081257377-pat00024

[수학식 3]을 참조하여 동작

Figure 112019081257377-pat00025
를 선택하여 얻는
Figure 112019081257377-pat00026
는 채널관측시간(
Figure 112019081257377-pat00027
)에 대해 정규화된 평균 유휴 시간(
Figure 112019081257377-pat00028
)과 추정 유휴시간확률(
Figure 112019081257377-pat00029
)의 가중 합으로써 [수학식 4]에 의해 산정될 수 있다.Operation with reference to [Equation 3]
Figure 112019081257377-pat00025
Get by choosing
Figure 112019081257377-pat00026
Is the channel observation time (
Figure 112019081257377-pat00027
) Normalized average idle time (
Figure 112019081257377-pat00028
) And the estimated idle time probability (
Figure 112019081257377-pat00029
It can be calculated by [Equation 4] as a weighted sum of ).

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019081257377-pat00030
Figure 112019081257377-pat00030

[수학식 4]를 참조하여 정규화된 평균 유휴 시간(

Figure 112019081257377-pat00031
)은 [수학식 5]에 의해 산정될 수 있다.Referring to [Equation 4], the normalized average idle time (
Figure 112019081257377-pat00031
) Can be calculated by [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019081257377-pat00032
Figure 112019081257377-pat00032

[수학식 4]를 참조하여 정규화된 추정 유휴시간확률(

Figure 112019081257377-pat00033
)은 [수학식 6]에 의해 산정될 수 있다.With reference to [Equation 4], the normalized estimated idle time probability (
Figure 112019081257377-pat00033
) Can be calculated by [Equation 6].

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019081257377-pat00034
Figure 112019081257377-pat00034

본 발명의 일 실시예에 따라 Q값을 산정하는데 있어 특정 채널의 동작 모드와 유휴 모드의 결정은 임의의 센싱을 통해 수행될 수 있으며 에너지 검출 기반 스펙트럼 센싱의 경우 수신신호의 에너지가 특정 검출값 이상인 경우 해당 채널이 주 사용자에 의해 점유된 것으로 정의된다.In calculating the Q value according to an embodiment of the present invention, the determination of the operation mode and the idle mode of a specific channel may be performed through arbitrary sensing. In the case of energy detection-based spectrum sensing, the energy of the received signal is greater than or equal to a specific detection value. If so, the channel is defined as occupied by the primary user.

도 7을 참조하여 부 사용자 멤버노드

Figure 112019081257377-pat00035
에 대해 대역 그룹
Figure 112019081257377-pat00036
이 스펙트럼 센싱을 위해 선택되었으며
Figure 112019081257377-pat00037
번(5 번)의 센싱 이후 대역 그룹
Figure 112019081257377-pat00038
가 선택된다. 대역그룹
Figure 112019081257377-pat00039
의 채널
Figure 112019081257377-pat00040
Figure 112019081257377-pat00041
에 대해 다섯 번의 센싱 횟수에 대해 세 번의 유휴 시간 횟수로써 추정 유휴시간확률이 동일(730)하다. 그러나 채널
Figure 112019081257377-pat00042
Figure 112019081257377-pat00043
보다 더 긴 정규화된 평균 유휴 시간을 갖는다(720).Secondary user member node with reference to FIG. 7
Figure 112019081257377-pat00035
About band group
Figure 112019081257377-pat00036
Was chosen for this spectrum sensing
Figure 112019081257377-pat00037
Band group after sensing of No. 5 (No. 5)
Figure 112019081257377-pat00038
Is selected. Band group
Figure 112019081257377-pat00039
Channel of
Figure 112019081257377-pat00040
and
Figure 112019081257377-pat00041
The estimated idle time probability is the same (730) as the number of idle times of three to five sensing times of. But the channel
Figure 112019081257377-pat00042
Is
Figure 112019081257377-pat00043
Have a longer normalized average idle time (720).

본 발명의 일 실시예에 따라 [수학식 1], [수학식 2], [수학식 3], [수학식 4], [수학식 5], [수학식 6]을 참조하여 채널 품질을 평가하기 위해 산정되는 Q값들은 클러스터 헤드의 선택, CDBA의 선택 및 게이트웨이의 선택에 사용된다.According to an embodiment of the present invention, channel quality is evaluated by referring to [Equation 1], [Equation 2], [Equation 3], [Equation 4], [Equation 5], and [Equation 6] The Q values calculated for this are used for the selection of the cluster head, the selection of the CDBA, and the selection of the gateway.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 초기 클러스터 구성에 있어 각 노드가 주변 노드를 찾아내기 위해 상호간에 정보를 교환하기 위해 사용하는 노드 채널 클러스터 정보 메시지의 형식을 도시한 도면이다. FIG. 8 is a diagram showing the format of a node channel cluster information message used by each node to exchange information with each other to find neighboring nodes in an initial cluster configuration according to an embodiment of the present invention.

각 노드는 NCCI 메세지를 구성하여 공통제어채널을 통해 1 홉 거리의 주변 노드들에게 브로드캐스팅하고 도 8을 참조하여 NCCI 메세지는 노드 특성, 채널 품질 Q값, 주변 노드 정보 및 연결 가능한 클러스터 정보를 포함한다.Each node composes an NCCI message and broadcasts it to neighboring nodes one hop distance through a common control channel, and referring to FIG. 8, the NCCI message includes node characteristics, channel quality Q value, neighbor node information, and connectable cluster information. do.

도 8을 참조하여 노드 특성 필드(810)는 노드의 식별인자(811)와 현재 잔여 에너지 레벨 (

Figure 112019081257377-pat00044
)(812)을 포함한다. 채널 품질 필드(820)는 가용채널 리스트(821)와 스펙트럼 센싱에 의해 측정된 모든 가용 채널들에 대해 갱신된 Q값의 집합(822)을 포함한다. 그리고, 주변 노드 연결성 필드(830)는 주변 노드 리스트(831)와 1 홉 거리 내의 주변 노드들로부터 브로드캐스팅된 NCCI 메세지를 수신 받아 얻은 각각의 주변 노드들의 가용채널 리스트(832)를 포함한다. 마지막으로 주변 클러스터 연결 가능성 필드(840)는 연결 가증한 주변 클러스터들의 집합(841)과 해당 클러스터들에 대한 현재 CADC들(842)을 포함한다. 주변 클러스터 정보는 주변 클러스터 헤더들이 공통제어채널을 통해 주기적으로 브로드캐스팅하는 CH_ANM 메세지를 수신 받아 얻을 수 있다. Referring to FIG. 8, a node characteristic field 810 includes an identification factor 811 of a node and a current residual energy level (
Figure 112019081257377-pat00044
) (812). The channel quality field 820 includes an available channel list 821 and a set of Q values 822 updated for all available channels measured by spectrum sensing. In addition, the neighboring node connectivity field 830 includes a neighboring node list 831 and an available channel list 832 of each neighboring node obtained by receiving an NCCI message broadcast from neighboring nodes within one hop distance. Finally, the neighbor cluster connection possibility field 840 includes a set 841 of neighboring clusters for which connection is augmented and current CADCs 842 for the clusters. The neighboring cluster information can be obtained by receiving a CH_ANM message periodically broadcast by neighboring cluster headers through a common control channel.

도 8과 도 1을 참조하여 NCCI 메세지는 노드

Figure 112019081257377-pat00045
에 의해 브로드캐스팅되며 네 개의 가용 채널을 갖는다. 노드
Figure 112019081257377-pat00046
는 네 개의 주변 노드들
Figure 112019081257377-pat00047
를 갖고 두 개의 주변 클러스터들
Figure 112019081257377-pat00048
를 갖는다. 노드
Figure 112019081257377-pat00049
는 주변 클러스터들의 멤버노드일 수도 있거나 클러스터의 CADC를 사용하여 다른 클러스터에 참여할 수 있다. 주변 클러스터
Figure 112019081257377-pat00050
Figure 112019081257377-pat00051
의 CADC는 각각 채널 3과 4이고 주변 클러스터들과 발생할 수 있는 간섭을 피하기 위해 새롭게 구성되는 클러스터는 주변 클러스터들의 CADC들을 사용하지 않아야 한다. 따라서 노드
Figure 112019081257377-pat00052
를 포함하여 새롭게 형성되는 클러스터는 주변 클러스터들
Figure 112019081257377-pat00053
에 의해 사용되고 있는 채널들
Figure 112019081257377-pat00054
를 사용하지 않는다. 클러스터가 형성된 후에 모든 멤버노드들은 CADC를 사용하여 NCCI를 주기적으로 갱신하여 브로드캐스팅한다.8 and 1, the NCCI message is a node
Figure 112019081257377-pat00045
Broadcast by and has four available channels. Node
Figure 112019081257377-pat00046
Is the four neighboring nodes
Figure 112019081257377-pat00047
With two surrounding clusters
Figure 112019081257377-pat00048
Has. Node
Figure 112019081257377-pat00049
May be a member node of neighboring clusters, or may participate in other clusters using the cluster's CADC. Peripheral cluster
Figure 112019081257377-pat00050
Wow
Figure 112019081257377-pat00051
The CADCs of are channels 3 and 4, respectively, and in order to avoid possible interference with the surrounding clusters, the newly formed cluster should not use the CADCs of the surrounding clusters. So node
Figure 112019081257377-pat00052
The newly formed cluster including the surrounding clusters
Figure 112019081257377-pat00053
Channels being used by
Figure 112019081257377-pat00054
Do not use. After the cluster is formed, all member nodes periodically update and broadcast NCCI using CADC.

도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터링을 구성하기 위한 동작 중 NCCI 메세지를 교환한 후에 각 노드는 필요한 주변노드 정보를 얻고 이를 사용하여 주변노드들과 자신을 포함한 클러스터 헤드 적합도를 계산한다. 노드의 클러스터 헤드 적합도 값은 해당 노드가 클러스터 헤드가 되기에 얼마나 적합한지를 나타내는 것으로써 잔여 에너지, 채널품질, 가용채널의 수, 연결 가능한 주변 노드들의 개수, 연결 가능한 클러스터들의 개수들의 가중합인 다중목적 적합도 함수로부터 계산된다.Referring to FIG. 2, after exchanging NCCI messages during an operation to configure clustering according to an embodiment of the present invention, each node obtains necessary neighboring node information and uses it to calculate the fitness of the neighboring nodes and the cluster head including itself. do. A node's cluster head suitability value indicates how suitable the node is to become a cluster head, and is a multipurpose weighted sum of residual energy, channel quality, number of available channels, number of connectable neighboring nodes, and number of connectable clusters. It is calculated from the fitness function.

본 발명의 일 실시예에 따라 특정 노드에 대한 클러스터 헤드 적합도를 산정하는데 사용되는 채널 적합도 함수는 노드

Figure 112019081257377-pat00055
에 대해 [수학식 7]에 의해 산정될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the channel fitness function used to calculate the cluster head fitness for a specific node is a node
Figure 112019081257377-pat00055
Can be calculated by [Equation 7].

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019081257377-pat00056
Figure 112019081257377-pat00056

[수학식 7]을 참조하여 노드

Figure 112019081257377-pat00057
의 채널 적합도 함수는 노드
Figure 112019081257377-pat00058
에 대해 유효가용채널들(Effective Available Channels; EACs)의 집합에 속하는 채널들에 대한 Q값과 해당 채널들을 사용하여 노드
Figure 112019081257377-pat00059
와 연결이 가능한 주변 노드들의 집합을 곱한 값이다.Node with reference to [Equation 7]
Figure 112019081257377-pat00057
The channel fitness function of the node
Figure 112019081257377-pat00058
Q values for channels belonging to the set of Effective Available Channels (EACs) and the corresponding channels are used for the node
Figure 112019081257377-pat00059
It is the product of the set of neighboring nodes that can be connected to.

[수학식 7]을 참조하여 노드

Figure 112019081257377-pat00060
와 연결 가능한 주변 노드들의 집합은 [수학식 8]과 같이 산정될 수 있다.Node with reference to [Equation 7]
Figure 112019081257377-pat00060
The set of neighboring nodes that can be connected to may be calculated as in [Equation 8].

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019081257377-pat00061
Figure 112019081257377-pat00061

[수학식 7]을 참조하여 노드

Figure 112019081257377-pat00062
의 유효가용채널의 집합은 노드
Figure 112019081257377-pat00063
의 가용채널의 집합에서 주변 클러스터들의 CADC들을 제거한 것으로써 [수학식 9]와 같이 산정될 수 있다.Node with reference to [Equation 7]
Figure 112019081257377-pat00062
The set of available channels of the node
Figure 112019081257377-pat00063
It can be calculated as [Equation 9] by removing the CADCs of neighboring clusters from the set of available channels of.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112019081257377-pat00064
Figure 112019081257377-pat00064

[수학식 7]을 참조하여 유효가용채널의 수가 많고, 유효가용채널들의 Q값이 높으며 유효가용채널들을 사용하는 연결가능 주변노드들의 수가 많을수록 채널적합도 함수의 값이 증가한다.Referring to [Equation 7], the value of the channel suitability function increases as the number of available available channels is large, the Q value of available available channels is high, and the number of connectable neighboring nodes using available available channels increases.

노드

Figure 112019081257377-pat00065
의 클러스터 헤드 적합도 함수의 값은 노드
Figure 112019081257377-pat00066
의 잔여에너지(
Figure 112019081257377-pat00067
), 채널적합도 함수(
Figure 112019081257377-pat00068
), 노드
Figure 112019081257377-pat00069
와 노드
Figure 112019081257377-pat00070
의 주변노드들을 통해 연결가능한 주변 클러스터들의 수(
Figure 112019081257377-pat00071
), 노드
Figure 112019081257377-pat00072
의 주변노드들의 개수(
Figure 112019081257377-pat00073
)를 사용하여 [수학식 10]과 같이 산정될 수 있다.Node
Figure 112019081257377-pat00065
The value of the cluster head fitness function of the node
Figure 112019081257377-pat00066
Residual energy (
Figure 112019081257377-pat00067
), channel suitability function (
Figure 112019081257377-pat00068
), node
Figure 112019081257377-pat00069
And node
Figure 112019081257377-pat00070
The number of neighboring clusters connectable through neighboring nodes of (
Figure 112019081257377-pat00071
), node
Figure 112019081257377-pat00072
The number of neighboring nodes of (
Figure 112019081257377-pat00073
) Can be calculated as in [Equation 10].

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019081257377-pat00074
,
Figure 112019081257377-pat00074
,

Figure 112019081257377-pat00075
Figure 112019081257377-pat00075

[수학식 10]을 참조하여 노드

Figure 112019081257377-pat00076
와 노드
Figure 112019081257377-pat00077
의 주변노드들을 통해 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수는 [수학식 11]을 사용하여 산정될 수 있다.Node with reference to [Equation 10]
Figure 112019081257377-pat00076
And node
Figure 112019081257377-pat00077
The number of neighboring clusters connectable through neighboring nodes of can be calculated using [Equation 11].

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112019081257377-pat00078
Figure 112019081257377-pat00078

노드

Figure 112019081257377-pat00079
가 [수학식 10]을 참조하여 자기 자신과 주변의 1 홉 거리의 노드들에 대한 클러스터 헤드 적합도 함수의 값들을 계산하고 난 뒤에, 노드
Figure 112019081257377-pat00080
는 클러스터 헤드 적합도 함수값이 가장 높은 노드를 선택하여 노드
Figure 112019081257377-pat00081
의 클러스터 헤드 후보로 고려할 수 있는데 이는 [수학식 12]와 같이 산정될 수 있다.Node
Figure 112019081257377-pat00079
After calculating the values of the cluster head goodness-of-fit function for nodes with a one-hop distance between themselves and neighboring nodes with reference to Equation 10, the node
Figure 112019081257377-pat00080
Selects the node with the highest cluster head fitness function
Figure 112019081257377-pat00081
It can be considered as a cluster head candidate of, which can be calculated as in [Equation 12].

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112019081257377-pat00082
Figure 112019081257377-pat00082

본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터 헤드 후보 노드를 선택한 후에 각 노드는 공통제어채널을 사용하여 클러스터 헤드 후보 노드에게 CH_REQ 메세지를 송신한다. CH_REQ 메세지를 수신한 어떠한 노드

Figure 112019081257377-pat00083
는 자기 자신을 포함하여 사전에 정의된 비율 이상으로 CH_REQ 메세지를 받았을 때 클러스터 헤드가 되며 이는 [수학식 13]을 사용하여 산정될 수 있다.After selecting a cluster head candidate node according to an embodiment of the present invention, each node transmits a CH_REQ message to the cluster head candidate node using a common control channel. Which node received the CH_REQ message
Figure 112019081257377-pat00083
Is a cluster head when a CH_REQ message is received in excess of a predefined ratio including itself, and this can be calculated using [Equation 13].

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112019081257377-pat00084
Figure 112019081257377-pat00084

[수학식 13]을 참조하여

Figure 112019081257377-pat00085
는 자기 자신에게 요구하는 것을 포함하여 수신된 총 CH_REQ이고
Figure 112019081257377-pat00086
는 백분위로 나타낸 임계값이다.Referring to [Equation 13]
Figure 112019081257377-pat00085
Is the total CH_REQ received, including requests from itself
Figure 112019081257377-pat00086
Is the threshold expressed in percentiles.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 주변 클러스터 헤드가 존재하지 않는 상황에서 클러스터 헤드 선택 과정을 도시하는 도면이다. 9 is a diagram illustrating a process of selecting a cluster head in a situation where there is no neighboring cluster head according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하여 다수의 NCCI 메세지가 교환된 후에 각 노드들은 주변노드 정보를 획득한다. [수학식 7]과 [수학식 10]을 참조하여 각 노드들은 채널 적합도 함수

Figure 112019081257377-pat00087
와 자신을 포함하여 주변 노드들의 클러스터 헤드 적합도 함수
Figure 112019081257377-pat00088
를 산정한다. 노드 C의
Figure 112019081257377-pat00089
는 가장 높은 값을 갖기 때문에 모든 노드들은 노드 C에게 CH_REQ 메세지를 송신하고, 노드 C는 노드 A, B, D에 대한 클러스터 헤드가 된다. 도 9를 참조하여
Figure 112019081257377-pat00090
,
Figure 112019081257377-pat00091
Figure 112019081257377-pat00092
Figure 112019081257377-pat00093
Figure 112019081257377-pat00094
,
Figure 112019081257377-pat00095
Figure 112019081257377-pat00096
Figure 112019081257377-pat00097
Figure 112019081257377-pat00098
이다.Referring to FIG. 9, after a plurality of NCCI messages are exchanged, each node acquires neighboring node information. Referring to [Equation 7] and [Equation 10], each node is a channel fitness function
Figure 112019081257377-pat00087
And the cluster head fitness function of neighboring nodes including itself
Figure 112019081257377-pat00088
Calculate Node c
Figure 112019081257377-pat00089
Since is the highest value, all nodes send CH_REQ messages to node C, and node C becomes the cluster head for nodes A, B, and D. With reference to FIG. 9
Figure 112019081257377-pat00090
,
Figure 112019081257377-pat00091
Figure 112019081257377-pat00092
Figure 112019081257377-pat00093
Figure 112019081257377-pat00094
,
Figure 112019081257377-pat00095
Figure 112019081257377-pat00096
Figure 112019081257377-pat00097
Figure 112019081257377-pat00098
to be.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 10 is a diagram illustrating a configuration of a Q-learning-based clustering device in consideration of scalability and stability in a cognitive wireless ad-hoc network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 인지무선 애드혹 네트워크에서 확장성과 안정성을 고려한 Q러닝 기반의 클러스터링 장치(1000)는 대역 및 채널 품질 평가부(1010), 노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부(1020), 선택부(1030)를 포함한다. The Q-learning-based clustering device 1000 considering scalability and stability in the proposed cognitive wireless ad-hoc network includes a band and channel quality evaluation unit 1010, a node channel cluster information message generation unit 1020, and a selection unit 1030. do.

대역 및 채널 품질 평가부(1010)는 인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가한다. The band and channel quality evaluation unit 1010 senses the frequency spectrum of a corresponding region through the cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and dynamically evaluates the quality of the band and channel using Q-learning.

대역 및 채널 품질 평가부(1010)는 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 계산하고, 정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 사용하여 Q값을 계산하기 위한 Q러닝 함수를 계산한다. 이후, Q러닝 함수를 사용하여 Q테이블의 채널 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하고, 채널 선택 동작에 대한 Q값을 사용하여 대역 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산한다. The band and channel quality evaluation unit 1010 calculates a normalized average idle time and an estimated idle time probability, and calculates a Q-learning function for calculating a Q value using the normalized average idle time and the estimated idle time probability. Thereafter, the Q value for the channel selection operation of the Q table is dynamically calculated using the Q learning function, and the Q value for the band selection operation is dynamically calculated using the Q value for the channel selection operation.

노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부(1020)는 대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성한다. The node channel cluster information message generation unit 1020 constructs a node channel cluster information message to use the evaluation result of the band and channel quality and neighboring node and cluster information.

노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부(1020)는 노드 식별인자와 잔여 에너지를 사용하여 노드 특성 필드를 구성하고, 가용채널 리스트와 가용채널의 Q값들을 사용하여 채널품질 필드를 구성한다. 이후, 주변노드 리스트와 주변노드 가용채널 리스트를 사용하여 주변노드 연결성 필드를 구성하고, 연결 가능한 주변 클러스터들의 집합과 연결 가능한 주변 클러스터들의 공통 활성 데이터 채널들을 사용하여 주변 클러스터 연결 가능성 필드를 구성한다. The node channel cluster information message generator 1020 configures a node characteristic field using a node identification factor and residual energy, and configures a channel quality field using the available channel list and Q values of the available channels. Thereafter, the neighboring node connectivity field is constructed using the neighboring node list and the neighboring node available channel list, and the neighboring cluster connectability field is constructed using a set of connectable neighboring clusters and common active data channels of connectable neighboring clusters.

선택부(1030)는 클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 최적 채널을 선택한다. The selector 1030 selects a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and an optimal channel in the cluster.

본 발명의 일 실시예에 따른 선택부(1030)는 클러스터 헤드를 선택하기 위해 각 노드가 접근 가능한 채널들에 대해 채널 적합도 함수를 계산하고, 각 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수, 주변노드들의 개수를 사용하여 클러스터 헤드 적합도 함수를 계산한다. 이후, 클러스터 헤드 적합도 함수 결과를 사용하여 클러스터 헤드 요구 메시지를 노드 상호간에 송수신하여 클러스터 헤드를 선출한다. The selection unit 1030 according to an embodiment of the present invention calculates a channel fitness function for channels accessible by each node to select a cluster head, and the residual energy of each node, channel fitness, and connectable neighbor clusters. The cluster head fitness function is calculated using the number and the number of neighboring nodes. Thereafter, a cluster head request message is transmitted and received between nodes using the result of the cluster head fitness function to select a cluster head.

본 발명의 다른 실시예에 따른 선택부(1030)는 클러스터 멤버노드를 선택하기 위해 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 브로드캐스팅하고, 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 수신 받은 노드가 자신의 가용 채널과 비교하고 가입 요청 메시지를 송신한다. 이후, 상기 클러스터 헤드 선택 결과 메시지를 수신 받는 노드가 중복 된 메시지를 수신하는 경우 클러스터 헤드를 선택한다. In the selection unit 1030 according to another embodiment of the present invention, a cluster head elected to select a cluster member node broadcasts a cluster head selection result message, and the node receiving the cluster head selection result message has its own available channel. And send a subscription request message. Thereafter, when the node receiving the message as a result of the cluster head selection receives a duplicate message, the cluster head is selected.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선택부(1030)는 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하고, 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택한다. The selection unit 1030 according to another embodiment of the present invention selects a gateway node by using the node channel cluster information received by the cluster head, and when a member node connectable to an arbitrary cluster exists in duplicate, the gateway Select a node.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선택부(1030)는 클러스터 내 최적 채널을 선택하기 위해 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하고, 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택한다. The selection unit 1030 according to another embodiment of the present invention selects a gateway node using the node channel cluster information received by the cluster head in order to select an optimal channel in the cluster, and is a member node that can be connected to an arbitrary cluster. If there are duplicates, the gateway node is selected.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 클러스터들이 동시에 생성된 상황에서 클러스터의 형성을 도시하는 도면이다. 11 is a diagram showing cluster formation in a situation in which multiple clusters are simultaneously created according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하여 동일하게 각 노드들은 자신을 포함한 주변노드들의 클러스터 헤드 적합도함수를 계산하고 가작 높은 클러스터 헤드 적합도 함수를 갖는 멤버 노드에게 CH_REQ 메세지를 송신한다. 노드 A(1110), B(1120), D(1130), K(1140)는 적어도 하나의 CH_REQ 메세지를 수신한다. 도 11을 참조하여

Figure 112019081257377-pat00099
이기 때문에 노드 A(1110)는 [수학식 13]을 참조하여 클러스터 헤드가 될 조건을 만족하지 못 한다. 따라서 노드 B(1120), D(1130), K(1140)는 클러스터 헤드가 되고, 각 클러스터 헤드는 자신의 클러스터를 구성한다. 노드 E(1150)의 가용 채널들이 노드 D 클러스터의 CADC와 노드 K 클러스터의 CADC를 포함하는 경우, 노드 E(1150)는 클러스터간 통신을 위한 게이트웨이 노드가 된다.Similarly with reference to FIG. 11, each node calculates the cluster head fitness function of neighboring nodes including itself, and transmits a CH_REQ message to a member node having the highest cluster head fitness function. Nodes A (1110), B (1120), D (1130), and K (1140) receive at least one CH_REQ message. With reference to FIG. 11
Figure 112019081257377-pat00099
For this reason, node A 1110 does not satisfy the condition of becoming a cluster head with reference to [Equation 13]. Therefore, nodes B 1120, D 1130, and K 1140 become cluster heads, and each cluster head constitutes its own cluster. When the available channels of node E 1150 include the CADC of the node D cluster and the CADC of the node K cluster, the node E 1150 becomes a gateway node for inter-cluster communication.

도 2를 참조하여 노드

Figure 112019081257377-pat00100
가 클러스터 헤드로 선택된 후에 클러스터를 위한 공통 활성 데이터 채널(common active data channel)을 결정한다. 클러스터간 간섭을 피하기 위해 클러스터 헤드는 주변 클러스터들의 CADC들을 사용하지 않아야 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CADC 선택에서는 채널의 Q값과 채널을 사용하여 연결 가능한 주변 노드들의 개수를 사용한다. CADC 선택은 [수학식 14]를 사용하여 산정될 수 있다.Node with reference to Figure 2
Figure 112019081257377-pat00100
After is selected as the cluster head, a common active data channel for the cluster is determined. To avoid inter-cluster interference, the cluster head should not use the CADCs of the surrounding clusters. In CADC selection according to an embodiment of the present invention, the Q value of the channel and the number of neighboring nodes that can be connected using the channel are used. CADC selection can be calculated using [Equation 14].

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112019081257377-pat00101
Figure 112019081257377-pat00101

[수학식 14]를 참조하여

Figure 112019081257377-pat00102
중에 두 번째로 큰
Figure 112019081257377-pat00103
를 갖는 채널이 있는 경우 해당 채널은 CBDC로 지정되어 주 사용자 신호가 CADC에서 검출되는 경우 CADC를 대체할 수 있다. 이후 클러스터 헤드
Figure 112019081257377-pat00104
는 공통제어채널을 사용하여 1홉 거리 내의 주변 노드들에게 CH_ANM 메세지를 브로드캐스팅하여 주변 노드들이 클러스터 헤드 노드 식별인자, CADC, CBDC의 정보를 획득할 수 있도록 한다.Referring to [Equation 14]
Figure 112019081257377-pat00102
The second largest among
Figure 112019081257377-pat00103
If there is a channel with a, the corresponding channel is designated as CBDC, and can replace CADC if the main user signal is detected by CADC. After cluster head
Figure 112019081257377-pat00104
Broadcasts a CH_ANM message to neighboring nodes within one hop distance using a common control channel so that neighboring nodes can obtain information on the cluster head node identification factor, CADC, and CBDC.

도 2를 참조하여 클러스터의 멤버노드 선정을 위해 특정 노드가 CH_ANM 메세지를 수신하여 메세지 내의 CADC가 해당 노드의 가용 채널들 중 하나와 동일할 경우 기 노드는 공통제어 채널을 사용하여 기 채널을 사용하는 클러스터 헤드에게 JOIN_REQ 메세지를 송신하여 클러스터에 병합될 수 있다. 노드

Figure 112019081257377-pat00105
가 다양한 클러스터 헤드들로부터 CH_ANM 메세지를 중복 수신하는 경우 해당 노드는 가장 큰 클러스터 헤드 적합도 함수 값을 갖는 최적 클러스터 헤드
Figure 112019081257377-pat00106
를 선택하며 이러한 방법은 [수학식 15]를 사용하여 산정될 수 있다.2, in order to select a member node of the cluster, when a specific node receives a CH_ANM message and the CADC in the message is the same as one of the available channels of the corresponding node, the node uses the common control channel to use the existing channel. It can be merged into the cluster by sending a JOIN_REQ message to the cluster head. Node
Figure 112019081257377-pat00105
When the node receives duplicate CH_ANM messages from various cluster heads, the node is the optimal cluster head with the largest cluster head fitness function value.
Figure 112019081257377-pat00106
And this method can be calculated using [Equation 15].

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112019081257377-pat00107
Figure 112019081257377-pat00107

[수학식 15]를 참조하여

Figure 112019081257377-pat00108
는 노드
Figure 112019081257377-pat00109
가 수신한 CH_ANM 메세지를 보낸 주변 노드들의 집합이다.Referring to [Equation 15]
Figure 112019081257377-pat00108
Is the node
Figure 112019081257377-pat00109
It is a set of neighboring nodes that sent the CH_ANM message received by

도 2를 참조하여 CH_ANM 메세지가 브로드캐스팅된 후 클러스터 헤드

Figure 112019081257377-pat00110
는 주변 노드들로부터 JOIN_REQ 메세지를 수신 받고 기 메세지를 송신한 노드들은 클러스터의 멤버 노드가 된다. 클러스터 헤드는 이미 모든 이웃 노드에 대해 이웃 클러스터 도달성 정보를 가지고 있기 때문에, 어떤 이웃 클러스터가 존재하는지, 어떤 CADC가 이웃 클러스터에 의해 사용되고 어떤 가입 요청 노드가 이웃 클러스터에 도달할 수 있는지를 알고 있다. 이러한 과정은 도 2를 참조하여 주변 노드 탐지 모듈이 동작하는 동안 수신된 NCCI 메세지를 통해 수행될 수 있다. 특정 멤버 노드가 주변 클러스터
Figure 112019081257377-pat00111
과 상호연결될 수 있는 단 하나의 노드인 경우 해당 노드는 주변 클러스터
Figure 112019081257377-pat00112
을 위한 게이트웨이노드
Figure 112019081257377-pat00113
로 결정된다. 클러스터
Figure 112019081257377-pat00114
과 연결 가능한 멤버 노드가 여러 개 존재하는 경우 클러스터 헤드
Figure 112019081257377-pat00115
Figure 112019081257377-pat00116
Figure 112019081257377-pat00117
의 평균 Q값이 가장 큰 멤버노드를 게이트웨이 노드(
Figure 112019081257377-pat00118
)로 선택하며 이는 [수학식 16]을 통해 산정될 수 있다.Referring to Fig. 2, the cluster head after the CH_ANM message is broadcast
Figure 112019081257377-pat00110
The nodes that received the JOIN_REQ message from neighboring nodes and sent the message become member nodes of the cluster. Since the cluster head already has neighbor cluster reachability information for all neighbor nodes, it knows which neighbor cluster exists, which CADC is used by the neighbor cluster and which join request node can reach the neighbor cluster. This process may be performed through an NCCI message received while the neighboring node detection module is operating with reference to FIG. 2. Cluster around a specific member node
Figure 112019081257377-pat00111
If there is only one node that can be interconnected with the neighboring cluster
Figure 112019081257377-pat00112
Gateway node for
Figure 112019081257377-pat00113
Is determined by cluster
Figure 112019081257377-pat00114
Cluster head when there are multiple member nodes that can be connected to
Figure 112019081257377-pat00115
Is
Figure 112019081257377-pat00116
Wow
Figure 112019081257377-pat00117
The member node with the largest average Q value of the gateway node (
Figure 112019081257377-pat00118
), which can be calculated through [Equation 16].

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112019081257377-pat00119
Figure 112019081257377-pat00119

도 2를 참조하여 게이트웨이 노드들이 선택되고 난 후 클러스터 헤드는 멤버노드 식별인자, 게이트웨이 노드 식별인자, 주변 클러스터 식별인자를 포함하는 MN&GN_ANM 메세지를 브로드캐스팅한다. After the gateway nodes are selected with reference to FIG. 2, the cluster head broadcasts an MN&GN_ANM message including a member node identification factor, a gateway node identification factor, and a neighbor cluster identification factor.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. Can be embodyed in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (11)

인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 단계;
대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 단계; 및
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
Sensing a frequency spectrum of a corresponding region through a cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and dynamically evaluating the band and channel quality using Q-learning;
Constructing a node channel cluster information message to use a result of the evaluation of the band and channel quality and information on neighboring nodes and clusters; And
Selecting the cluster head, cluster member node, gateway node, and channel within the cluster
Q-learning-based clustering method comprising a.
제1항에 있어서,
인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 단계는,
정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 계산하는 단계;
정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 사용하여 Q값을 계산하기 위한 Q러닝 함수를 계산하는 단계;
Q러닝 함수를 사용하여 Q테이블의 채널 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계; 및
채널 선택 동작에 대한 Q값을 사용하여 대역 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
The method of claim 1,
The step of sensing the frequency spectrum of the region through the cognitive radio terminal in the cognitive radio network, and dynamically evaluating the band and channel quality using Q-learning,
Calculating a normalized average idle time and an estimated idle time probability;
Calculating a Q-learning function for calculating a Q value using the normalized average idle time and the estimated idle time probability;
Dynamically calculating a Q value for a channel selection operation of a Q table using a Q learning function; And
Dynamically calculating the Q value for the band selection operation using the Q value for the channel selection operation.
Q-learning-based clustering method comprising a.
제 1항에 있어,
대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 단계는,
노드 식별인자와 잔여 에너지를 사용하여 노드 특성 필드를 구성하는 단계;
가용채널 리스트와 가용채널의 Q값들을 사용하여 채널품질 필드를 구성하는 단계;
주변노드 리스트와 주변노드 가용채널 리스트를 사용하여 주변노드 연결성 필드를 구성하는 단계; 및
연결 가능한 주변 클러스터들의 집합과 연결 가능한 주변 클러스터들의 공통 활성 데이터 채널들을 사용하여 주변 클러스터 연결 가능성 필드를 구성하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
In claim 1,
The step of constructing a node channel cluster information message to use the evaluation result of the band and channel quality and the neighboring node and cluster information,
Constructing a node characteristic field using the node identification factor and the residual energy;
Constructing a channel quality field using the available channel list and Q values of the available channels;
Configuring a neighboring node connectivity field using the neighboring node list and the neighboring node available channel list; And
The step of constructing a peripheral cluster connectability field using a set of connectable peripheral clusters and common active data channels of connectable peripheral clusters.
Q-learning-based clustering method comprising a.
제 1항에 있어,
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 단계는,
클러스터 헤드를 선택하기 위해 각 노드가 접근 가능한 채널들에 대해 채널 적합도 함수를 계산하는 단계;
각 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수, 주변노드들의 개수를 사용하여 클러스터 헤드 적합도 함수를 계산하는 단계; 및
클러스터 헤드 적합도 함수 결과를 사용하여 클러스터 헤드 요구 메시지를 노드 상호간에 송수신하여 클러스터 헤드를 선출하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
In claim 1,
Selecting a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and a channel within the cluster,
Calculating a channel fitness function for channels accessible by each node to select a cluster head;
Calculating a cluster head fitness function using the residual energy of each node, channel fitness, the number of connectable neighboring clusters, and the number of neighboring nodes; And
The step of selecting a cluster head by sending and receiving a cluster head request message between nodes using the result of the cluster head fitness function.
Q-learning-based clustering method comprising a.
제 1항에 있어,
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 단계는,
클러스터 멤버노드를 선택하기 위해 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 브로드캐스팅하는 단계;
클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 수신 받은 노드가 자신의 가용 채널과 비교하고 가입 요청 메시지를 송신하는 단계; 및
상기 클러스터 헤드 선택 결과 메시지를 수신 받는 노드가 중복 된 메시지를 수신하는 경우 클러스터 헤드를 선택하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
In claim 1,
Selecting a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and a channel within the cluster,
A cluster head selected to select a cluster member node, broadcasting a cluster head selection result message;
Comparing, by the node receiving the cluster head selection result message, with its available channel and transmitting a subscription request message; And
Selecting a cluster head when the node receiving the message as a result of selecting the cluster head receives a duplicate message
Q-learning-based clustering method comprising a.
제 1항에 있어,
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 단계는,
클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계; 및
임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
In claim 1,
Selecting a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and a channel within the cluster,
Selecting, by the cluster head, a gateway node using the received node channel cluster information; And
Step of selecting a gateway node when there are overlapping member nodes that can be connected to any cluster
Q-learning-based clustering method comprising a.
제 1항에 있어,
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 단계는,
클러스터 내 채널을 선택하기 위해 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계; 및
임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는 단계
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 방법.
In claim 1,
Selecting a cluster head, a cluster member node, a gateway node, and a channel within the cluster,
Selecting, by the cluster head, a gateway node using the received node channel cluster information to select a channel in the cluster; And
Step of selecting a gateway node when there are overlapping member nodes that can be connected to any cluster
Q-learning-based clustering method comprising a.
인지 무선 네트워크 내의 인지 무선 단말을 통해 해당 지역의 주파수 스펙트럼을 센싱하고, 대역 및 채널의 품질을 Q러닝을 사용하여 동적으로 평가하는 대역 및 채널 품질 평가부;
대역 및 채널의 품질에 대한 평가 결과와 주변 노드 및 클러스터 정보를 사용하기 위해 노드 채널 클러스터 정보 메시지를 구성하는 노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부; 및
클러스터 헤드, 클러스터 멤버노드, 게이트 웨이 노드 및 클러스터 내 채널을 선택하는 선택부
를 포함하는 Q러닝 기반 클러스터링 장치.
A band and channel quality evaluation unit that senses a frequency spectrum of a corresponding region through a cognitive radio terminal in the cognitive radio network and dynamically evaluates the quality of the band and channel using Q-learning;
A node channel cluster information message generator for configuring a node channel cluster information message to use a result of evaluation of band and channel quality and neighboring node and cluster information; And
Selector to select cluster head, cluster member node, gateway node, and channel within the cluster
Q learning-based clustering device comprising a.
제8항에 있어서,
대역 및 채널 품질 평가부는,
정규화된 평균 유휴시간 및 추정 유휴 시간 확률을 계산하여 Q값을 계산하기 위한 Q러닝 함수를 계산하고, Q러닝 함수를 사용하여 Q테이블의 채널 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하며, 채널 선택 동작에 대한 Q값을 사용하여 대역 선택 동작에 대한 Q값을 동적으로 계산하는
Q러닝 기반 클러스터링 장치.
The method of claim 8,
Band and channel quality evaluation unit,
Calculate the Q-learning function to calculate the Q value by calculating the normalized average idle time and the estimated idle time probability, and dynamically calculate the Q-value for the channel selection behavior of the Q table using the Q-learning function, and channel selection. Dynamically calculating the Q value for the band selection operation using the Q value for the operation.
Q-learning-based clustering device.
제8항에 있어서,
노드 채널 클러스터 정보 메시지 생성부는,
노드 식별인자와 잔여 에너지를 사용하여 노드 특성 필드를 구성하고, 가용채널 리스트와 가용채널의 Q값들을 사용하여 채널품질 필드를 구성하고, 주변노드 리스트와 주변노드 가용채널 리스트를 사용하여 주변노드 연결성 필드를 구성하며, 연결 가능한 주변 클러스터들의 집합과 연결 가능한 주변 클러스터들의 공통 활성 데이터 채널들을 사용하여 주변 클러스터 연결 가능성 필드를 구성하는
Q러닝 기반 클러스터링 장치.
The method of claim 8,
The node channel cluster information message generation unit,
The node characteristic field is constructed using the node identification factor and the residual energy, the channel quality field is constructed using the available channel list and the Q values of the available channel, and the neighboring node connectivity using the neighboring node list and the neighboring node available channel list. The field is composed of a set of connectable peripheral clusters and the common active data channels of connectable peripheral clusters are used to configure the peripheral cluster connectability field.
Q-learning-based clustering device.
제8항에 있어서,
선택부는,
클러스터 헤드를 선택하기 위해 각 노드가 접근 가능한 채널들에 대해 채널 적합도 함수를 계산하여 각 노드의 잔여 에너지, 채널 적합도, 연결 가능한 주변 클러스터들의 개수, 주변노드들의 개수를 사용하여 클러스터 헤드 적합도 함수를 계산하고, 클러스터 헤드 적합도 함수 결과를 사용하여 클러스터 헤드 요구 메시지를 노드 상호간에 송수신하여 클러스터 헤드를 선출하고,
클러스터 멤버노드를 선택하기 위해 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 브로드캐스팅하고, 클러스터 헤드 선택 결과 메세지를 수신 받은 노드가 자신의 가용 채널과 비교하고 가입 요청 메시지를 송신하며, 상기 클러스터 헤드 선택 결과 메시지를 수신 받는 노드가 중복 된 메시지를 수신하는 경우 클러스터 헤드를 선택하고,
클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하고, 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하고,
클러스터 내 채널을 선택하기 위해 클러스터 헤드가 수신된 노드 채널 클러스터 정보를 사용하여 게이트 웨이 노드를 선택하고, 임의의 클러스터와 연결 가능한 멤버 노드가 중복하여 존재하는 경우 게이트 웨이 노드를 선택하는
Q러닝 기반 클러스터링 장치.
The method of claim 8,
The choice is,
To select a cluster head, the channel fitness function is calculated for channels accessible by each node, and the cluster head fitness function is calculated using the residual energy of each node, channel fitness, the number of connectable surrounding clusters, and the number of surrounding nodes. And, using the result of the cluster head fitness function, the cluster head request message is sent and received between nodes to select the cluster head,
The cluster head elected to select a cluster member node broadcasts the cluster head selection result message, the node receiving the cluster head selection result message compares it with its available channel and transmits a subscription request message, and the cluster head selection If the node receiving the result message receives a duplicate message, select the cluster head,
The cluster head selects a gateway node using the received node channel cluster information, and if there are overlapping member nodes that can be connected to any cluster, selects the gateway node,
In order to select a channel within the cluster, the cluster head selects a gateway node using the received node channel cluster information, and selects a gateway node when there are duplicate member nodes that can be connected to any cluster.
Q-learning-based clustering device.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100021996A (en) * 2007-04-23 2010-02-26 더 홍콩 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀러지 Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems
KR20110069535A (en) * 2009-12-17 2011-06-23 주식회사 케이티 Cognitive radio communication apparatus and method for cluster based cooperative sensing
KR101332940B1 (en) * 2012-08-27 2013-11-26 세종대학교산학협력단 Cognitive radio network, and method for selecting gateway node of the network
KR20150041683A (en) * 2013-10-08 2015-04-17 국방과학연구소 Fast and reliable cluster-based common channel selection and advertisement method in ad-hoc dsa cognitive radio networks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100021996A (en) * 2007-04-23 2010-02-26 더 홍콩 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀러지 Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems
KR20110069535A (en) * 2009-12-17 2011-06-23 주식회사 케이티 Cognitive radio communication apparatus and method for cluster based cooperative sensing
KR101332940B1 (en) * 2012-08-27 2013-11-26 세종대학교산학협력단 Cognitive radio network, and method for selecting gateway node of the network
KR20150041683A (en) * 2013-10-08 2015-04-17 국방과학연구소 Fast and reliable cluster-based common channel selection and advertisement method in ad-hoc dsa cognitive radio networks

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.-J. Jang et al., Q-learning-based dynamic joint control of interference and transmission opportunities for cognitive radio, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2018. *

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