CN101534557A - 自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法 - Google Patents

Abstract

自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法涉及基于认知无线电的自组织(Ad Hoc)网络资源分配的问题，该方法设计出一个连接代价函数(link cost function，简称LCF)，依据该函数，对网络资源的分配进行跨层设计，通过分布式算法达到资源的优化分配。根据本发明中提出的连接代价函数LCF进行路由选择，能够使Ad Hoc网络中的多条链路通过分布式算法得到的传输速率更加接近于集中式算法得到的最优值。因而整个网络的资源就得到了优化分配。

Description

自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法

技术领域

本发明涉及基于认知无线电的自组织(Ad Hoc)网络资源分配的问题，属于无线通信中的资源分配技术领域。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio，CR)是为解决频谱资源的有效利用问题而提出的一种重要技术。认知无线电设备能够感知周围的无线环境，并根据感知到的频谱状况调整自己的发射参数(如载频，调制方式等)，从而充分利用无线频谱资源。在认知无线电系统中，认知无线电用户利用主用户未使用的频谱，从而与具有授权的主用户共享频谱。这就使得认知无线电用户可使用的频带在时间上和空间上都是动态变化的，从而给资源分配算法的设计带来了一定的难度。同时，由于Ad Hoc网络没有绝对的控制中心，所以认知无线Ad Hoc网络一般采用分布式的资源分配算法。为了实现最优资源分配，需要进行跨层资源分配。

在跨层设计方法中，需要综合利用每一层可供调整的资源进行设计，以使整个网络的资源达到最优。可以利用的资源包括物理层的功率控制和信道编码方案、MAC层的频带调度方案和网络层的路由选择方案等。若要考虑到网络层，则需要为节点之间的连接定义一个代价函数，根据该代价函数从多条路由中选择最优的一条。因而对代价函数的定义是路由选择过程中的一个关键步骤，进而如何设计代价函数也就成为整个跨层设计的一个重要方面。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法，设计出一个连接代价函数(link cost function，简称LCF)，依据该函数，对网络资源的分配进行跨层设计，通过分布式算法达到资源的优化分配。根据本发明中提出的连接代价函数LCF进行路由选择，能够使Ad Hoc网络中的多条链路通过分布式算法得到的传输速率更加接近于集中式算法得到的最优值。因而整个网络的资源就得到了优化分配。

技术方案：本发明首先提出一种频带代价函数(band cost function，简称BCF)，由频带代价函数BCF进一步定义连接代价函数LCF。通过该函数，在建立的认知无线Ad Hoc网络模型基础上，得到跨层的分布式资源分配方法。

网络中的所有节点根据本地信息进行功率控制以及频带的选择，并通过跨层设计的方法使整个网络的资源分配达到近似最优；该方法具有以下步骤：

步骤1)：每个认知节点检测周围频谱的使用情况，确认自己所能利用的频谱；

步骤2)：通过与邻居节点交换信息，确定自己的邻居以及它们所能使用的频谱，根据当前频谱的使用情况，利用所定义的频带代价函数和连接代价函数计算与邻居节点间的代价，同时告知邻居节点自己的有关信息；

步骤3)：由源节点向周围节点发出路由请求信息，中间节点收到请求信息后，对路由代价进行累加，即加上发送节点到本节点的连接代价，并与本节点存储的其它路由的代价进行比较；若当前代价小于原来的代价，则对存储的路由代价和上一节点进行更新，并向周围节点广播当前路由代价以及路由请求信息；否则丢弃请求；

步骤4)：目的节点接收到请求信息后，也对路由代价进行累加，比较累加后各路由的代价，选择其中代价最小的一条路由，并沿该路由向源节点发出结束信号，以通知源节点路由选择完毕；

步骤5)：中间节点在收到由目的节点发出的结束信号后，确定自己的下一节点以及与下一节点进行通信的频带和功率，并向上一节点转发结束信号；

步骤6)：源节点收到结束信号后，沿着选定的路由发送数据。此时即完成了功率、频带等资源的分配。

由以上资源分配过程可以看出，该方法结合了物理层(功率控制)、MAC层(频带选择)以及网络层(路由选择)，因而是一种跨层的资源分配方法。

有益效果：本发明针对频带的不同情况，给出了计算节点间连接代价的具体表达式。在资源分配的跨层设计中，根据所给出的计算连接代价的方法，利用分布式算法，得到资源的有效分配。

基于本发明的分布式跨层设计算法对网络资源的分配有如下作用：

1.为网络层的路由选择提供了一个有效依据，即能够在，路由选择过程中，综合考虑使用不同频带所能获得的速率与产生的干扰，由此选择一条较优的路由。

2.在避免节点间互相干扰的前提下，使得整个网络的频带和空间的综合利用率得到了有效提高。

3.通过功率控制，使得节点的能量得到了有效利用，这在Ad Hoc网络中显得尤为重要。

4.使得分布式跨层设计算法得到的资源分配结果更加接近于集中式算法得到的最优结果，实现了网络资源的有效分配。

具体实施方式

1 网络模型与假设

考虑由若干个认知用户构成的认知无线Ad Hoc网络。由Ad Hoc网络的特点可知，网络中没有中心控制节点，所以各个认知用户在网络中是地位平等的节点。同时，由认知无线电的特点可知，每个认知用户可获得的频带与它所处的位置以及时间有关，即每个节点的可用频带是不一样的。假设其中节点i可获得的频带数为M_i，由这些频带组成的集合记为C_i，并假定所有频带有相同的带宽w。

根据功率传播增益模型g_ij＝d_ij ^-α，其中α是路径损耗指数，d_ij是节点i和j之间的距离，则当节点i利用频带m∈M_i以功率

向节点j发送信号时，节点j的接收功率为 $p_{\mathrm{ij}}^m\·g_{\mathrm{ij}}=p_{\mathrm{ij}}^m\·{d_{\mathrm{ij}}}^{-\mathrm{\α}}.$

若接收功率门限设为P_T，则节点i的最小发送功率 $P_{\mathrm{ij}}^T=P_T/g_{\mathrm{ij}}=P_T\·d_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{\α}}.$ 若干扰功率门限设为P_l，则节点i的干扰半径为

从而得到干扰范围

2 频带代价函数BCF

为了表示一条连接需要付出的代价，首先需要给出代价的定义。这可以用BFP(bandwidth-footprint-product)来表示。BFP的值等于一个节点在一定功率下使用某个频带时，该频带的带宽和它所产生的干扰范围的乘积。这可以看作是该节点对频谱资源和空间资源的消耗。BFP越小，对频带和空间的综合利用率越高。例如当节点i利用频带m∈M_i以功率

向节点j发送信号时，它的BFP为

由于假设各频带的带宽相同，因而BFP值也可以用干扰范围来表示。

由以上BFP可以定义频带的代价函数BCF(band cost function)。某频带的BCF应该表示在该频带上增加一定的速率时所要付出的代价BFP，而速率可以用信道容量来表示。假设节点i利用频带m向节点j传送数据，信道为AWGN信道，且环境噪声的功率谱密度为η。则针对频带m的不同情况，BCF有以下三种定义：

A、若频带m已经使用，但节点i的发送功率 $p_{\mathrm{ij}}^m<{\left(p_{\mathrm{ij}}^m\right)}_U.$ 其中

为节点i在干扰约束等条件下发送功率

的上界。则此时频带m的BCF为

$\mathrm{BCF}(i,j,m)=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{[{\left(p_{\mathrm{ij}}^m\right)}_U/P_1]}^{2/\mathrm{\&alpha;}}-\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{(p_{\mathrm{ij}}^m/P_1)}^{2/\mathrm{\&alpha;}}}{w\left[{\log }_2\right[1+\frac{g_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&eta;w}}{\left(p_{\mathrm{ij}}^m\right)}_U]-{\log }_2(1+\frac{g_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&eta;w}}{p}_{\mathrm{ij}}^m)]}---\left[1\right]$

B、若频带m还未使用，其BCF可定义为

$\mathrm{BCF}(i,j,m)=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{(P_{\mathrm{ij}}^T/P_1)}^{2/\mathrm{\&alpha;}}}{{w\log }_2(1+\frac{g_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&eta;w}}{P}_{\mathrm{ij}}^T)}---\left[2\right]$

由上式可见，此时的BCF与频带无关。对节点i和节点j之间任何未使用的频带，其代价都是一样的。这是现有的BCF的一种定义。但实际上使用不同频带对周围节点造成的影响是不同的。如图1所示，每个节点都有一个与之相关联的可使用频带的集合。若节点A利用频带2与节点B通信，节点C如果在节点A的干扰范围内，那么节点C将不能使用频带2，从而使得节点D和节点C不能通信。若节点A利用频带1与节点B通信，那么节点D和节点C还能利用频带2进行通信。因而使用频带1与使用频带2对周围节点造成的影响是不一样的，从而代价也应该不一样。

因而在代价函数中必须考虑同一对节点之间不同频带对周围节点造成的影响的差异。为此，用节点传播范围内拥有某频带的节点个数来表示该频带对周围节点造成的影响，即：

$\mathrm{num}(i,m)=\underset{j\&Element;T_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{link}(i,j,m)---\left[3\right]$

其中T_i为节点i传播范围之内的节点的集合，而link(i，j，m)为0，1变量。若节点i与节点j之间能用频带m进行通信，则link(i，j，m)为1，否则为0。

同时节点可获得的频带个数越多，在频带选择方面也就越灵活，受到的约束也就越少。因而通过该节点的链路也就越有可能增加速率。所以在BCF中可以进一步考虑节点可获得的频带个数。

于是可将未使用的频带的代价函数重新定义为：

$\mathrm{BCF}(i,j,m)=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{(P_{\mathrm{ij}}^T/P_1)}^{2/\mathrm{\&alpha;}}}{{w\log }_2(1+\frac{g_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&eta;w}}{P}_{\mathrm{ij}}^T)}\&CenterDot;\frac{\mathrm{num}(i,m)+\mathrm{num}(j,m)}{M_i+M_j}---\left[4\right]$

C、若频带m已经使用，且节点i的发送功率

则此时频带m的BCF为∞。

3 连接代价函数LCF

根据以上BCF的定义，可以得到LCF(link cost function)的定义。若节点i和节点j之间存在情况A的频带，则可以通过增加功率来增加速率。此时LCF定义为

$\mathrm{LCF}(i,j)=\underset{m\&Element;A}{\min }\left\{\mathrm{BCF}(i,j,m)\right\}---\left[5\right]$

若不存在情况A的频带，则考虑情况B的频带，即分配一条新的频带。则此时BCF有两种表达式，即式[2]与式[4]。其中式[2]只需要发送节点处的参数，而式[4]除了需要发送节点处的参数外，还需要接收节点处的参数。因而式[2]可以看作是非协作工作方式下的定义，而式[4]可以看作是协作工作方式下的定义。不管是非协作还是协作工作方式，LCF都可以定义为

$\mathrm{LCF}(i,j)=\underset{m\&Element;B}{\min }\left\{\mathrm{BCF}(i,j,m)\right\}---\left[6\right]$

若以上频带都没有，即节点i和节点j之间已经不可能增加速率时，则LCF(i，j)＝∞。

4 分布式算法的实现

下面根据以上设计的连接代价函数LCF，给出一种分布式算法的主要步骤。假设网络中共有L条链路请求，该算法是通过迭代的方法逐步增加各条链路中的最小速率，当最小速率不能再增加时迭代结束。算法首先要选取一条速率最小的链路，当有速率相同的链路时，则选取其中源节点编号最小的一条。选好一条链路后，假设选择的链路为l，则将进行以下几个主要步骤：

步骤一：为当前链路l选择一条路由。路由的代价即为它所经过的所有连接的LCF之和。从不同路由中选择总LCF最小的路由来增加链路l的速率。

步骤二：根据选择的最小代价路由，从源节点到目的节点检查各个节点如何调整链路l的速率并进行新频带的分配。若两节点间只有一条可供分配的频带，则在此将该频带分配给这对节点。若有多条频带可供分配，则暂时不进行频带分配。

步骤三：沿着最小代价路由从源节点到目的节点逐步调整节点的发送功率以及完成新频带的分配。在分配新频带时，选择BCF最小的频带。

通过上述步骤增加所选链路的速率，然后重新选择一条链路重复执行上述步骤。若执行完上述步骤不能增加所选链路的速率，则考虑通过减少其它链路的速率来增加所选链路的速率。此时连接代价LCF可设为0。若仍不能增加所选链路的速率，则迭代结束。

由本发明中的连接代价函数LCF的定义可以看出，它并不限于认知无线网络。对于其它多信道Ad Hoc无线网络依然适用。因而只要在Ad Hoc网络中进行跨层设计，当考虑到路由选择时，都可以采用本发明中提出的连接代价函数LCF作为路由选择的依据。其具体实现步骤为：

(1)在Ad Hoc网络建立阶段，通过邻居发现等初始化过程，每个节点获得邻居节点的可用频带等相关信息。节点根据频带代价函数BCF的定义计算各频带的代价，再由计算得到的频带代价函数BCF得到连接代价函数LCF。

(2)有通信需求的节点发出路由请求，利用分布式算法为链路选择路由，为节点选择频带以及进行相应的功率控制。路由中的各节点根据连接代价函数LCF选择下一节点，再根据频带代价函数BCF选择与下一节点进行通信的频带。

(3)当需要同时为有多对节点选择路由时，节点通过功率控制等方式，在互不干扰的条件下，尽量满足所有链路的速率要求。在选择好一条路由后，节点更新频带代价函数BCF和连接代价函数LCF的值以进行下一轮路由和频带选择。

(4)当分布式算法已不能为节点分配更多资源以提高任何一条链路的速率时，资源分配结束。此时节点即可利用分配的资源进行通信。

Claims (1)

1.一种自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法，其特征在于，网络中的所有节点根据本地信息进行功率控制以及频带的选择，并通过跨层设计的方法使整个网络的资源分配达到近似最优；该方法具有以下步骤：

步骤1)：每个认知节点检测周围频谱的使用情况，确认自己所能利用的频谱；

步骤2)：通过与邻居节点交换信息，确定自己的邻居以及它们所能使用的频谱，根据当前频谱的使用情况，利用所定义的频带代价函数和连接代价函数计算与邻居节点间的代价，同时告知邻居节点自己的有关信息；

步骤3)：由源节点向周围节点发出路由请求信息，中间节点收到请求信息后，对路由代价进行累加，即加上发送节点到本节点的连接代价，并与本节点存储的其它路由的代价进行比较；若当前代价小于原来的代价，则对存储的路由代价和上一节点进行更新，并向周围节点广播当前路由代价以及路由请求信息；否则丢弃请求；

步骤4)：目的节点接收到请求信息后，也对路由代价进行累加，比较累加后各路由的代价，选择其中代价最小的一条路由，并沿该路由向源节点发出结束信号，以通知源节点路由选择完毕；

步骤5)：中间节点在收到由目的节点发出的结束信号后，确定自己的下一节点以及与下一节点进行通信的频带和功率，并向上一节点转发结束信号；

步骤6)：源节点收到结束信号后，沿着选定的路由发送数据。此时即完成了功率、频带等资源的分配。