CN101883364B - 一种基于多信道机结构的cmr及频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多信道机结构的CMR及频谱分配方法，主要包含三方面内容：明确了具有多信道机的功能和实体构成；根据频谱分配场景提出了频谱分配优化方法；结合多信道机结构的频谱分配实体，提出了能够同时利用多个频段的频谱分配机制。同时设计了该机制在不同频谱环境下的状态转移图，保证次级用户能够及时有效地获得可用频谱，提升次级用户个体和认知网络性能。

Description

一种基于多信道机结构的CMR及频谱分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的认知无线电(cognitive radio)和认知无线网络(cognitive radio network)领域中的一种网络形态--认知无线网格网络，具体而言是一种集中式场景下的基于多信道机结构的CMR及频谱分配方法。

背景技术

在CogMesh网络中，频谱处于不断的变化之中。变化的频谱分为三种类型：静态、动态和高度动态(机会的)。静态频谱意为主用户频段的占据时间相对静止。从次级用户的角度来看，一旦某频段可用，其就可以长时间的使用下去。动态的频谱意为认知无线电可发现可用频段，但是，短暂的可用时间严重影响了次级用户的服务质量。机会的频谱意为主用户所占用的该频段高度活跃，通断更替非常频繁。本发明所考虑的频谱环境为静态和动态。

同时，由于次级用户所处的地理位置不同，其感知到的可用频谱的质量和数量也不尽相同，那些主用户出现概率较低、持续时间较长且信道质量良好的频段被感知和利用的机会也就更多。这样造成的问题是，多个认知节点都在抢占同一频段，造成不必要冲突，增加业务传输失败的概率，对通信系统的效能发挥造成恶劣影响。因此，需要根据信道的质量以及用户感知结果综合进行决策，确定次级用户使用的频段。

动态频谱环境要求CMR的MAC协议能够对频谱环境的变化做出非常快速的反应，从而保证业务传递的连续性和有效性。反之，则会造成通信时延的增长，并对主用户的通信产生不利的影响。

本发明从网络整体优化的角度出发，针对集中式场景当中认知用户自主行为带来网络性能不高，个别信道冲突加剧，时延增加，网络吞吐量提升不明显等问题，提出了由频谱分配实体CMR进行网络频谱分配统一优化的方法，平衡各个信道的负载，使得网络中的所有节点的平均端到端时延得到降低，冲突得以缓解，系统的吞吐量得到提升。

端到端通信时延由传输时延、传播时延以及退避时延组成。传输时延主要取决于分组的大小，其是一个相对固定的量。传播时延取决于地理距离和地理环境，也是一个相对固定的量。而退避时延则与同一频段的活跃用户个数、用户业务等相关，MAC层对信道的调度对其具有决定性的影响。按照冲突避免的规定，竞争失败的用户将会进行退避，以此来保证自身和其他相邻用户数据流的成功传输。退避的用户将保持静默。经过一段时间之后，继续竞争。如此往复，直至成功。从此可以看出，退避不仅增加了时延，而且从另一方面减少了节点公平使用信道的机会。

发明内容

本发明的目的是针对目前认知技术在集中式的场景之中，网络性能较差、用户退避时延较长的问题，提出一种基于多信道机结构的CMR及频谱分配方法，根据可用不同频谱资源的容量大小以及各个次级用户的感知结果，在满足约束条件的情况下，为用户指定不同可用频段，从而使得各个次级用户的平均退避时延最小。

本发明的技术方案是：

一种基于多信道机结构的CMR，即无线网格网络骨干节点，多跳无线互联构成骨干网络，负责次级网格网络节点SMC（Second mesh client）的接入；它由M+2个信道机、主栈、频谱感知模块、频谱融合模块、频谱环境学习模块、次级用户信息管理模块和频谱分配模块组成；无线网格网络骨干节点CMR中各信道机的对应收发信号端均与主栈的对应信号端相连，主栈与频谱感知模块、频谱融合模块、频谱环境学习模块、次级用户信息管理模块和频谱分配模块的对应收发信号端相连；

M+2个信道机中，M个信道机负责与本小区内的所有次级网格网络用户SMC（Second mesh client）即次级用户进行通信；其余的2个信道机一个工作在公共控制信道CCC(common control Channel)上的控制信道机，负责与SMC以及其他CMR进行信令交互，另一个与其他CMR进行数据交互，完成骨干网络互联；

主栈，存储各个信道机接收到的信息，并为各个信道机的发送通道维持独立的缓存；主栈中经过处理的信息会由频谱分配模块直接对应到相应的信道机缓存当中；

频谱感知模块，依托各个信道机接收的感知信息进行频谱感知，所感知到的频谱空洞与各SMC所感知到的结果进行融合判断，得到最终的感知结果；

频谱融合模块，以频谱感知模块和各个SMC的感知结果作为输入，结合融合方法，判断出各个频段的可用性；

频谱环境学习模块，将历史信息、先验信息和当前信息进行结合，以此来决定或者预测出可用信道及其可用时间、可用时段；同时，该模块判断频谱环境的变化程度属于静态、动态或机会的三种状态中的其中一种；

次级用户信息管理模块，对多种类型的次级用户信息进行管理，包括：次级用户的地理位置信息、频谱感知信息、使用频谱的记录、通信的时间点和持续时长、CMR选择频谱的信息，各个节点的入网时间和在网时间及其它体现网络环境变化的指标；该模块将上述信息进行归纳存储，供主用户和次级用户进行查询，同时作为频谱环境学习模块的输入条件；

频谱分配模块，依据频谱分配方法SASMS（Spectrum Allocation SchemeUnder Multi-transceiver Structure）得到的频谱分配决策结果下发到各个信道机，并完成相应的硬件模块配置。

本发明的频谱融合模块可为独立模块，也可集成在频谱感知模块中。

本发明的骨干网络是由CMR所构成，骨干网络互联信道机负责将处于不同的地理区域的CMR通过无线方式进行互联，是专门用于CMR间进行数据交互的信道机。

一种基于所述的基于多信道机结构的无线网格网络骨干节点CMR的频谱分配方法，即SASMS方法，它包括以下步骤：

步骤一：当SMC欲加入CMR，退出CMR，或由CMR通过频谱感知模块和频谱融合与决策模块联合确定PC（主用户到来）条件或CD（信道质量恶化）条件或DY（频谱环境呈现动态化状态）条件为真时，即成为状态跳转的条件触发信息；

当有SMC欲加入CMR时，即处于触发条件：SMC加入（In）时，首先SMC通过工作于控制信道的信道机向CMR发出加入请求，同时上传其感知结果，即频谱机会集合SOP（Spectrum opportunity）至CMR；CMR在接收到SMC向其发出的请求以及SMC上传的感知结果SOP后，转入待分配状态，进入步骤二；

当检测到PC或CD或DY为真时，即处于触发条件，则转入步骤四；

当检测到SMC工作结束，即处于触发条件：SMC的退出(Out)时，需要释放信道资源时，CMR转入B状态，进入步骤三；

步骤二：CMR首先将该SMC的SOP集合与各信道机所工作的频段做交集，如有重合，即处于触发条件：频段重合条件满足(CS)，则转入B状态，进入步骤三；否则，即处于触发条件：频段重合条件不满足(CUS)，转入A和C的联合状态，进入步骤四；

步骤三：执行B方法，CMR为该SMC指定到具有最小η值的信道机，即计算出该SMC可以使用的信道，如果此时所得分配结果将会使得频段所承载的用户过多，不再能够满足用户的QoS（服务质量）要求，即处于触发条件：信道质量下降(QU)，则转入A和C的联合状态，进入步骤四；如果仍然没有超出以上预计的QoS要求水平，则转入步骤一；

步骤四：依次执行A方法和C方法，而后将分配结果通过控制信道机广播给所有SMC，转入步骤一，进入稳定状态；

A方法

A方法为CMR的各个信道机指定所用的信道，

步骤一：它以各个SMC所感知到的可用信道集合，即频谱机会集合SOP（Spectrum opportunity）作为输入；

令D=(d_ij)_N×K，d_ij=1代表第i个SMC可以使用第j个信道，d_ij=0代表第i个SMC不可以使用第j个信道；其中：N是SMC的数量、K是网络中可以使用的信道数目，D实际上是各个用户可用信道的矩阵；

表示所有可以使用第j个信道的SMC的个数；

步骤二：对信道j进行量化，

Q值所代表的含义是每个SMC可以分到信道资源的比例，

代表SMC对每个信道的评价，采用信道带宽作为此评价的估计值，

在信道感知过程中获得，表示使用对应信道用户的个数；

步骤三：对上述参数采用如下公式进行计算，得到CMR可用信道与次级用户对应的矩阵

$\min Z\left(\stackrel{\→}{X}\right)=\max (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})-\min (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{ij}}\·x_j\≥1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·N$

x_j∈{0,1}j＝1,2，…K

是一个包含M个1和K-M个0的向量，1表示选择当前信道，0表示不选择；

B方法

CMR统计每个信道机的η值，η值代表了每个信道机的业务负载等级；在静态的频谱环境中，CMR为该SMC指定到具有最小η值的信道机：计算出该SMC可以使用的信道

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{AT}}_b}{{\mathrm{AT}}_i}$

ATb和ATi为各信道机的累积工作时间和累积空闲时间，ATb和ATi均由CMR中的认知信息管理模块进行采集；

C方法

C方法以A方法的结果CMR可用信道与次级用户对应的矩阵

作为输入，是一个M×N的矩阵，其中：M是CMR与SMC进行通信所使用的信道机的个数，N是SMC的数量，代表着各个CMR可以服务的SMC，采用如下公式进行计算，得到优化后的分配结果

即各SMC可以使用的信道：

$\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\·w_{\mathrm{ij}}\≤W_j$

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N$

x_ij∈{0,1}j=1,2,…,M

其中，

表示第i个用户使用第j个频段的代价，w_ij表示第i个用户使用第j个信道的最小资源需求即带宽。

本发明涉及五个状态：稳定状态、待分配状态、非平衡状态、B状态、A和C联合状态；

稳定状态是指CMR所管辖范围内的所有用户均工作在相应的频段上，且不同频段的业务量处于相对平衡状态，也即等同于各个SMC的平均分组传递时延最小化，此状态为本发明的起始状态；

待分配状态是指当一个新的SMC欲加入CMR时，已通过控制信道机向CMR提出了申请后，还未得到可以使用的信道前的状态；

非平衡状态是指在SMC完成业务传输退出了CMR为其提供的当前信道后，CMR的各个信道机处于一个不平衡的状态；

B状态是指执行方法B的状态；

A和C联合状态是指依次执行方法A和C的状态；

同时，不同状态间的跳转同样涉及到八个触发条件：SMC的加入(In)、SMC的退出(Out)、主用户的到来(PC)、信道质量恶化(CD)以及动态的频谱环境(DY)，信道冲突将会加剧，信道质量下降(QU)，频段重合条件满足(CS)，频段重合条件不满足(CUS)。

本发明的有益效果：

本发明将频谱分配实体和次级用户间的分配过程进行联合设计，明确了分配细节。

本发明所分配的结果能够使得所有次级用户在时延性能方面达到平均最小化，增加次级用户利用频谱资源的机会，提高业务传输质量，提升网络性能。

本发明能够适应慢变和快变的频谱环境，能够根据各个信道机负载的不均衡以及信道质量的变化做出状态的跳转变化。

附图说明

图1为CMR的结构示意图。

图2为本发明的状态转移图。

图3为实施例中B方法的示意图。

图4为不同节点数情况下本发明与基于用户平均的频谱分配方法BUSA在退避时延和端到端时延方面的对比图。

图5为不同节点数情况下本发明与BUSA在系统吞吐量方面的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明涉及五个状态：稳定状态、非平衡状态、B状态、A和C联合状态。

稳定状态是指CMR所管辖范围内的所有用户均工作在相应的频段上，且不同频段的业务量处于相对平衡状态，也即等同于各个SMC的平均分组传递时延最小化。此状态为本发明的起始状态。

非平衡状态是指在SMC完成业务传输退出了CMR为其提供的当前信道后，CMR的各个信道机处于一个不平衡的状态。

B状态是指执行方法B的状态。

A和C联合状态是指执行方法A和C的状态。

同时，不同状态间的跳转同样涉及到八个触发条件：SMC的加入(In)、SMC的退出(Out)、主用户的到来(PC)、信道质量恶化(CD)以及动态的频谱环境(DY)，信道冲突将会加剧，质量下降(QU)，条件满足(CS)，条件不满足(CUS)。

本发明的分配方法包括如下步骤：

步骤一：SMC欲加入CMR时，首先通过控制信道机向CMR发出加入请求，同时上传其感知结果。CMR在接收到SMC向其发出的请求以及上传其SOP后，转入待分配状态，进入步骤二。如果一旦检测到PC或CD或DY为真，则转入步骤四。当SMC工作结束，需要释放信道资源时，CMR转入B状态，进入步骤三。

步骤二：CMR首先将该SMC的SOP集合与各信道机所工作的频段做交集，如有重合(CS)，则转入B状态，进入步骤三。否则，转入A和C的联合状态，进入步骤四。

步骤三：执行B方法，计算出该SMC可以使用的信道。如果此时所得分配结果将会使得频段所承载的用户过多，不再能够满足用户的QoS要求，则转入A和C的联合状态，进入步骤四。如果仍然没有超出以上预计的QoS要求水平，则转入步骤一。

步骤四：执行A方法和C方法。而后将分配结果通过控制信道机广播给所有SMC，转入步骤一，进入稳定状态。

其中，步骤一至四所涉及的CMR硬件结构及功能模块如下：

如前所述，本发明建立在多信道机结构的基础之上。多信道机结构可以通过硬件结构的增加换取性能的提升。同时，多信道机结构还可以通过对多个不同信道的同时利用增加信道的使用率以及提高节点业务传递的可靠性。在CogMesh网络中，CMR处于接入点位置，但不仅仅发挥接入点功能，同时其还负责感知、融合、学习、分配、管理拓扑等多个适应认知无线网络的功能。多个信道机的结构有利于节点资源的预留，为其进行信道切换提供预备。

CMR共有M+2个信道机，其中一个工作在公共控制信道CCC(commoncontrol Channel)上负责和SMC以及其他CMR进行信息交互。此外，另有一个负责骨干网络连接，与其他CMR进行数据传递的信道机。其余的M个信道机负责与本小区内的所有SMC进行通信。CMR保留了MR(mesh router)的接入点功能，以负责为用户提供接入网络的服务。但是，CMR的特殊性不仅仅体现在其AP功能之上，更体现在其5个特殊模块的设计上。

频谱感知模块。频谱感知模块是CMR作出所有决策的基础。其感知能力决定了信道的可用性。CMR可以依托各个具备频率捷变的信道机进行频谱感知，所感知到的频谱空洞与各个SMC所感知到的结果进行融合判断，得到最为准确的感知结果。

频谱融合模块。频谱融合模块以频谱感知模块和各个SMC的感知结果作为输入，结合融合方法，判断出各个频段的可用性。该模块可集成在频谱感知模块。

频谱环境学习模块。频谱环境学习模块将历史信息、先验信息和当前信息进行结合，以此来及时地决定或者预测出哪些信道可用、什么时候可用、可以用多长时间。同时，该模块还可以区分频谱环境的变化程度：静态、动态或机会的。

认知信息管理模块。认知信息包括：次级用户的地理位置信息、频谱感知信息、使用频谱的记录、通信的时间点和持续时长、CMR选择频谱的信息，网络间各个节点在网络中的加入时间和生存时间，体现网络环境变化的各种指标等等。该模块将这些信息进行归纳存储，方便认知节点进行查询，同时作为频谱环境学习模块的输入条件。

频谱分配模块。频谱分配模块负责将经过SASMS方法得出的分配结果与各个信道机进行匹配。该模块能够直接配置硬件模块的各个参数，使其能够适应频谱的快速变化。

CMR维持一个主栈，负责存储来自各个信道机的输入信息，统一调度，集中处理。同时还要在各个信道机端维持一个缓存，负责各个信道机端的信息收发。主栈中经过处理的信息会由频谱分配模块直接对应到相应的信道机缓存当中。每个信道机还可以同时配备多种接入模式，此模式的确定完全取决于当前频谱环境的变化以及网络需要。

步骤四所涉及A方法的详细内容如下：

方法A的目标是为CMR的各个信道机指定所用的信道。它以各个SMC所感知到的可用信道集合作为输入。令D＝(d_ij)_N×K，d_ij=1或0代表第i个SMC可以或不可以使用第j个信道。因此，

就表示所有可以使用第j个信道的SMC的个数。r_j的值越大，说明感知到第j个信道可用的SMC的用户数越多，也就表明第j个信道的质量和受关注的程度越大，等同于信道j被使用的几率越大。但是，如果为这些能够使用第j个信道的所有SMC都指定使用该信道，则冲突将会加剧致使SMC利用信道的几率降低，也就违反了初衷。因此，信道j应首先被量化，本发明采用下式进行量化：

$\stackrel{\→}{Q}=\frac{\stackrel{\→}{W}}{\stackrel{\→}{R}}$

代表对每个信道的评价，此评价作为反应信道质量的关键参量，可以根据使用场景的不同，进行相应设计，本发明中将采用带宽作为其估计值。 $\stackrel{\→}{R}=(r_1,r_2,\·\·\·,r_j,r_K).$

本发明认为所选择出的M个信道应当含有最为平均的Q值。Q值所代表的含义是每个SMC可以分到信道资源的比例，此比例越高，SMC获得资源使用权就越大，反之，则越小。各个信道的Q值越平均，也就意味着每个SMC所能够最终获得的信道资源越平均，也就等同于其总体越优。因此，以上问题被建模为：

$\min Z\left(\stackrel{\→}{X}\right)=\max (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})-\min (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{ij}}\·x_j\≥1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·N$

x_j∈{0,1}j＝1，2，…K

是一个包含M个1和K-M个0的向量，1表示选择当前信道，0表示不选择。此问题实际上是一个典型的集覆盖问题(set-covering problem)，本发明采用0-1线性整数规划的方法进行求解。

步骤三所涉及B方法的详细内容如下：

B方法的触发条件是由于SMC的退出而造成的CMR各信道机的业务负载不均衡。如图3所示，信道机I和II在t时刻各有4个SMC，在t+1时刻，信道机II的用户B和C由于业务的结束退出了信道机II所在的频段。此时，在t+1时刻，信道机I和II的负载出现了不平衡现象。CMR启动B方法，在t+2时刻将原先在信道机I中工作的A用户重新分配到信道机II中，此时，信道机I和II又一次达到了平衡，在这个过程当中，SMC A的可用信道集合当中必须含有信道机II当前工作的信道。

B方法的优势在于，只针对个别用户进行小范围调整，而不会影响到其他用户的正常工作。

在该方法当中，CMR应当统计每个信道机的η值，η值代表了每个信道机的业务负载等级。在静态的频谱环境中，当一个新的SMC加入CMR时，CMR将为其指定一个可用的信道。另一方面，当一个SMC退出CMR时，CMR为了保证各个信道机业务负载量的均衡，则需要对个别用户进行调整。此时，调整的依据是，CMR将为该SMC指定到具有最小η值的信道机。

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{AT}}_b}{A{T}_i}$

AT_b和AT_i为累积工作时间和累积空闲时间。这两个值的计算由CMR完成。

步骤四所涉及C方法详细内容如下：

C方法以A方法的结果作为输入。C方法的输入结果是一个M×N的矩阵，代表着各个CMR可以服务的SMC。由于SMC在加入CMR前的感知结果的多样性，会出现一个SMC可以使用多个信道机信道的情况。在本发明中，这种情况不被允许，原因如下：

SMC可用信道的多样性虽然可以保证其接入选择的多样性，但同时会造成信道机端性能的不可控。即使在SMC端设计了相应的选择机制，也会使得SMC在接入时产生更多的控制信息交互，不利于信息传递效率的提升。

所以，C方法需要完成的工作是根据A方法的选择结果，为SMC进一步明确指定其可以使用的一个信道，同时满足各个信道机端的业务负载均衡，保证每个SMC的性能。此问题可以建模为：

$\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\·w_{\mathrm{ij}}\≤W_j$

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N$

x_ij∈{0,1}j=1，2,…,M

其中，

表示第i个用户使用第j个频段的代价。w_ij表示第i个用户使用第j个信道的最小资源需求。如前分析，W_j与信道质量密切相关。此问题实际上是一个多背包选择问题(multi-choice knapsack problem)，同样，本发明采用0-1线性整数规划方法进行求解。

具体实施时：

本发明的核心思想是，根据信道机所利用的信道质量不同，以平衡各个信道机负载为出发点，以降低各个次级用户的退避时延，增加各个次级用户利用信道机会为落脚点，设计了基于多信道机结构的频谱分配机制。该机制共包含三种分配策略，分别适用于CMR上各个信道机的频谱资源分配以及SMC的频谱资源分配。其具体实施方式如下：

如前所述，本发明所设计机制起始于稳定状态。此时，CMR的各个信道机所用信道确定，且对于覆盖范围之内的所有SMC的信道感知情况十分明确。

在一个半径为100米的圆形区域内，CMR位于圆心，其信号覆盖范围为100米。CMR共具备6个信道机，其中的4个与SMC进行通信，另外2个为控制信道机和专为CMR间的通信服务。在此区域内共有6个主用户，10个可用信道，分别标号1-10，带宽为10-100kHz。同时，该区域内共有20个次级用户，随机散落在该区域内，根据所处位置不同感知可用信道，发射功率为0.2w。所有的次级用户均需要和CMR进行一次通信，传输100*1024bytes数据。同时，该区域内随机散落6个主用户，其保护半径为50米，满足泊松分布。系统仿真时间为10秒。

步骤一：各个SMC感知可用信道集合，即SOP(Spectrum OPportunity)，如下表所示：

节点号	SOP(使用信道号表示)
		1	1，2，3，4，5，6，7，8，9
2	2，3，4，5，6，7，8，9，10
		3	2，3，4，5，6，7，8，9
4	1，2，3，4，5，6，7，8，9
		5	1，2，3，4，6，7，8，9，10
6	2，3，4，5，6，7，8，9，10
		7	1，2，3，4，5，6，7，8，9，10
8	1，3，4，5，6，7，8，9
		9	2，3，4，5，6，7，8，9，10
10	1，2，3，4，5，6，7，8，9，10

11	3，4，5，6，7，8，9
		12	2，3，4，5，6，7，8，9，10
13	2，3，4，5，6，7，8，9
		14	1，2，3，4，5，6，7，8，9，10
15	3，4，5，6，7，8，9
		16	3，4，5，6，7，8，9
17	1，3，4，5，6，7，8，9，10
		18	2，3，4，5，6，7，8，9，10
19	1，2，3，4，5，6，7，8，9
		20	1，2，3，4，5，6，7，8，9

步骤二：在SMC获取其SOP后，将通过控制信道机将自身的感知结果告知CMR。由此，在CMR处将会形成矩阵D。

步骤三：后续的分配目标包括两个方面：首先，为CMR的4个信道机指定4个不同的信道，满足A方法的约束。其次，为SMC指定一个可用信道，使得所分配的结果满足C方法的约束。

在执行A方法过程之中，

R：11，16，20，20，19，20，20，20，20，11

Q：909.1，1250，1500，2000，2631.6，3000，3500，4000，4500，9090.9

经A方法优化后，得到结果，也即分配得到的CMR可用的信道编号。

X：3，4，6，7

进而得到后续的分配矩阵

Q=0.2*ones(4,20)

Ones为全1矩阵，经过C方法的优化，得到分配结果。

以上为节点数为20时的分配过程。当获得此分配结果后，SMC将使用相应信道进行通信。

为了便于体现本发明在性能上的优势，将对不同节点数情况下的单个节点的平均退避时延、端到端时延以及系统吞吐量与BUSA方法进行比较。通过对比可以发现，本发明图4、5中，以上三个指标上均较BUSA方法有提升。

在吞吐量的对比分析当中，网络中节点数为30时，吞吐量有所增加，但随着节点数的继续增加，吞吐量下降。这主要是由于节点数目的增多使得节点数利用信道机会的降低所致。同时，考虑到频谱特征的SASMS方法使得吞吐量在节点数量增加的同时，吞吐量的降低幅度低于BUSA方法，保证了每个用户公平使用信道资源的机会。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于多信道机结构的CMR，即无线网格网络骨干节点，多跳无线互联构成骨干网络，负责次级网格网络节点SMC（Second mesh client）的接入；其特征是它由M+2个信道机、主栈、频谱感知模块、频谱融合模块、频谱环境学习模块、次级用户信息管理模块和频谱分配模块组成；无线网格网络骨干节点CMR中各信道机的对应收发信号端均与主栈的对应信号端相连，主栈与频谱感知模块、频谱融合模块、频谱环境学习模块、次级用户信息管理模块和频谱分配模块的对应收发信号端相连；

M+2个信道机中，M个信道机负责与本小区内的所有次级网格网络节点SMC（Second mesh client）即次级用户进行通信；其余的2个信道机一个工作在公共控制信道CCC(common control Channel)上的控制信道机，负责与SMC以及其他CMR进行信令交互，另一个与其他CMR进行数据交互，完成骨干网络互联；

主栈，存储各个信道机接收到的信息，并为各个信道机的发送通道维持独立的缓存；主栈中经过处理的信息会由频谱分配模块直接对应到相应的信道机缓存当中；

频谱感知模块，依托各个信道机接收的感知信息进行频谱感知，所感知到的频谱空洞与各SMC所感知到的结果进行融合判断，得到最终的感知结果；

频谱融合模块，以频谱感知模块和各个SMC的感知结果作为输入，结合融合方法，判断出各个频段的可用性；

频谱环境学习模块，将历史信息、先验信息和当前信息进行结合，以此来决定或者预测出可用信道及其可用时间、可用时段；同时，该模块判断频谱环境的变化程度属于静态、动态或机会的三种状态中的其中一种；

次级用户信息管理模块，对多种类型的次级用户信息进行管理，包括：次级用户的地理位置信息、频谱感知信息、使用频谱的记录、通信的时间点和持续时长、CMR选择频谱的信息，各个节点的入网时间和在网时间及其它体现网络环境变化的指标；该模块将上述信息进行归纳存储，供主用户和次级用户进行查询，同时作为频谱环境学习模块的输入条件；

频谱分配模块，依据频谱分配方法SASMS（Spectrum Allocation SchemeUnder Multi-transceiver Structure）得到的频谱分配决策结果下发到各个信道机，并完成相应的硬件模块配置；

所述的基于多信道机结构的CMR的频谱分配方法，即SASMS方法，包括以下步骤：

步骤一：当SMC欲加入CMR，退出CMR，或由CMR通过频谱感知模块和频谱融合模块联合确定PC主用户到来条件或CD信道质量恶化条件或DY频谱环境呈现动态化状态条件为真时，即成为状态跳转的条件触发信息；

当有SMC欲加入CMR时，即处于触发条件：SMC加入（In）时，首先SMC通过工作于控制信道的信道机向CMR发出加入请求，同时上传其感知结果，即频谱机会集合SOP（Spectrum opportunity）至CMR；CMR在接收到SMC向其发出的请求以及SMC上传的感知结果SOP后，转入待分配状态，进入步骤二；

当检测到PC或CD或DY为真时，即处于触发条件，则转入步骤四；

当检测到SMC工作结束，即处于触发条件：SMC的退出(Out)时，需要释放信道资源时，CMR转入B状态，进入步骤三；

步骤二：CMR首先将该SMC的SOP集合与各信道机所工作的频段做交集，如有重合，即处于触发条件：频段重合条件满足(CS)，则转入B状态，进入步骤三；否则，即处于触发条件：频段重合条件不满足(CUS)，转入A和C的联合状态，进入步骤四；

步骤三：执行B方法，CMR为该SMC指定到具有最小η值的信道机，即计算出该SMC可以使用的信道，如果此时所得分配结果将会使得频段所承载的用户过多，不再能够满足用户的QoS（服务质量）要求，即处于触发条件：信道质量下降(QU)，则转入A和C的联合状态，进入步骤四；如果仍然没有超出以上预计的QoS要求水平，则转入步骤一；

步骤四：依次执行A方法和C方法，而后将分配结果通过控制信道机广播给所有SMC，转入步骤一，进入稳定状态；

4.1A方法

A方法为CMR的各个信道机指定所用的信道，

步骤一：它以各个SMC所感知到的可用信道集合，即频谱机会集合SOP（Spectrum opportunity）作为输入；

令D=(d_ij)_N×K，d_ij=1代表第i个SMC可以使用第j个信道，d_ij=0代表第i个SMC不可以使用第j个信道；其中：N是SMC的数量、K是网络中可以使用的信道数目，D实际上是各个用户可用信道的矩阵；

表示所有可以使用第j个信道的SMC的个数；

步骤二：对信道j进行量化，

Q值所代表的含义是每个SMC可以分到信道资源的比例，

代表SMC对每个信道的评价，采用信道带宽作为此评价的估计值，

在信道感知过程中获得，表示使用对应信道用户的个数；

步骤三：对上述参数采用如下公式进行计算，得到CMR可用信道与次级用户对应的矩阵

$\min Z\left(\stackrel{\→}{X}\right)=\max (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})-\min (\stackrel{\→}{Q}\·\stackrel{\→}{X})$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{ij}}\·x_j\≥1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·N$

x_j∈{0,1} j＝1,2，…K

是一个包含M个1和K-M个0的向量，1表示选择当前信道，0表示不选择；

4.2B方法

CMR统计每个信道机的η值，η值代表了每个信道机的业务负载等级；在静态的频谱环境中，CMR为该SMC指定到具有最小η值的信道机：计算出该SMC可以使用的信道

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{AT}}_b}{{\mathrm{AT}}_i}$

AT_b和AT_i为各信道机的累积工作时间和累积空闲时间，AT_b和AT_i均由CMR中的次级用户信息管理模块进行采集；

4.3C方法

C方法以A方法的结果CMR可用信道与次级用户对应的矩阵

作为输入，是一个M×N的矩阵，其中：M是CMR与SMC进行通信所使用的信道机的个数，N是SMC的数量，代表着各个CMR可以服务的SMC，采用如下公式进行计算，得到优化后的分配结果

即各SMC可以使用的信道：

$\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\·w_{\mathrm{ij}}\≤W_j$

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N$

x_ij∈{0,1}j=1,2,…,M

其中，

表示第i个用户使用第j个频段的代价，w_ij表示第i个用户使用第j个信道的最小资源需求即带宽。

2.根据权利要求1所述的基于多信道机结构的CMR，其特征是所述的频谱融合模块可为独立模块，也可集成在频谱感知模块中。

3.根据权利要求1所述的基于多信道机结构的CMR，其特征是所述的骨干网络是由CMR所构成，骨干网络互联信道机负责将处于不同的地理区域的CMR通过无线方式进行互联，是专门用于CMR间进行数据交互的信道机。

4.根据权利要求1所述的基于多信道机结构的CMR，其特征是所述的基于多信道机结构的CMR的频谱分配方法涉及五个状态：稳定状态、待分配状态、非平衡状态、B状态、A和C联合状态；

稳定状态是指CMR所管辖范围内的所有用户均工作在相应的频段上，且不同频段的业务量处于相对平衡状态，也即等同于各个SMC的平均分组传递时延最小化，此状态为本发明的起始状态；

待分配状态是指当一个新的SMC欲加入CMR时，已通过控制信道机向CMR提出了申请后，还未得到可以使用的信道前的状态；

非平衡状态是指在SMC完成业务传输退出了CMR为其提供的当前信道后，CMR的各个信道机处于一个不平衡的状态；

B状态是指执行方法B的状态；

A和C联合状态是指依次执行方法A和C的状态；

同时，不同状态间的跳转同样涉及到八个触发条件：SMC的加入(In)，SMC的退出(Out)，主用户的到来(PC)，信道质量恶化(CD)以及动态的频谱环境(DY)，信道质量下降(QU)，频段重合条件满足(CS)，频段重合条件不满足(CUS)。

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