CN102036313A - 基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法 - Google Patents

Abstract

基于分组协商的认知无线网络信道分配方法，将邻居节点分成两类并分别在不同的阶段与之进行分组协商，实现了认知用户能动态对信道进行分配和接入，保证了其在移动无线网络的场景中能高效地维持通信，降低了节点的高速移动对网络性能的影响。仿真结果表明，相对于分布式网络中的贪婪分配和本地协商分配，本发明能在节点移动(尤其是高速移动)的场景下以大约50％的通信开销取得和前者相近的性能，有效提高了信道分配的效率和收敛速度，保障了高速移动环境下的正常通信。

Description

基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的认知分布式网络的信道分配设计方法，尤其涉及一种基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法。

背景技术

随着无线通信在朝着宽带化、无缝化、智能化的方向发展和不断拓展的无线应用，通信系统对无线频谱资源需求“相对短缺”的问题显得更加严重，现已成为制约无线通信事业进一步发展的关键因素。认知无线电技术允许非授权用户在授权用户使用频谱资源的情况进行监测，并在不影响其工作的前提下接入授权频段，被认为是解决频谱资源短缺问题的有效途径，而信道的动态分配方法一直是该领域的研究难题和热点之一。

在分布式认知网络中，信道分配是认知用户通信的前提。由于没有基础设施可作为控制中心对信道进行统一分配，分布式节点必须在对其它节点信息掌握不完全的情况下进行分配，一种广泛使用的方法是使其通过预定的规则进行协作分配，但是会带来的通信开销另一方面也会降低网络性能。此外，在节点高速移动的场景下，节点往往需要更频繁地更新消息，从而使网络性能进一步降低。因此提出一种能适用于高速移动场景的高效频谱分配算法是十分必要的。

近年来，学术界已经对基于固定网络拓扑的信道分配提出了一系列的解决方法。C.Peng等人将图论中的渐进最小邻居优先算法应用于信道分配模型，并在分布式网络中予以实现。加州大学圣巴巴拉分校的H.Zheng等人在无控制中心的网络中，提出了5种“抢占”邻居节点已分配信道的规则，节点在抢占的同时将自己的分配变更情况广播，以消除分配中的“饥饿”现象，使分配更为公平。但是，在更接近实际情况的场景下，比如节点运动的场景，相关的研究成果并不十分丰富。L.L.Cao等人提出了一种本地协商的方法，允许节点在移动事件中和多个邻居节点进行协商交换信道，一定程度上缓解了拓扑变化对信道分配的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效提高信道分配的效率和收敛速度，保障高速移动环境下的正常通信的基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，规定协商由单个节点发起，由其部分邻居共同参与，并将协商过程分为三个阶段：①发起，发起节点将请求消息(RQST)进行组播，发起该次协商；②响应，发起节点的邻居收到RQST后，如果满足条件，响应并返回确认/否定消息((N)ACK)；③执行，在发起节点收到(N)ACK和响应节点在发出(N)ACK后，各自都要对信道分配作出相应变更，并终止此次协商；

2)其次，在节点的移动过程中，将第i个时间考察点处节点n的邻居集合记为

其中c代表节点n、k的邻居关系；并将邻居分为两类：新邻居和旧邻居，分别记为NewN_n(i)和OldN_n(i)，定义如下：

NewN_n(i)＝N_n(i)-N_n(i-1)    OldN_n(i)＝N_n(i)∩N_n(i-1)

其中i＝2，3，...，在初始状态下(i＝1时)所有邻居都属于NewN_n(i)，定义了“贫困线”PL_n＝L(n)/[d(n)-1]用以反应节点本地的“贫富”状况，其中L(n)和d(n)分别代表节点n的可用信道数和邻居数。将第i个时间考察点的“贫困线”记为PL_n(i)，将第i个时间考察点的已分配信道数和“贫困线”之差称作净分配信道数；

3)再次，将信道分配分为以下两个协商阶段：

a.第一个协商阶段：在一个新的时间考察点，当节点n检测到本地拓扑发生改变时即便此节点静止，将与新邻居节点发起协商，协调与这些邻居的分配冲突，在RQST消息中包括发起节点的信道分配矩阵、信道分配数和PL，发起节点将这些信息向新邻居进行组播，响应节点在收到后找出分配冲突；

b.第二个协商阶段：如果节点n在第一个协商阶段中被动放弃了部分信道，那么在此阶段首先对自己的第一个旧邻居k1发送Feed消息，k1在收到后立即将该消息转发为RQST消息，面向自己的全体邻居广播，k1的邻居在收到RQST后转换为响应状态，并查询自己的分配情况，如果自己没有占用这些信道中的任何一条，就直接回到空闲状态，否则将占用的信道通过NACK消息回复给k1然后再回到空闲状态，k1将一定时间内收到的NACK消息进行整合，放弃其中的相应信道；如果没有收到任何NACK消息则在超时后自动返回；随后k1向节点n回复ACK，表示自己的这轮协商结束，节点n再向下一个旧邻居k2发送相同的Feed消息，并以相同的流程执行，直至遍历所有待发的旧邻居；

在此阶段引进补偿限制机制，根据待补偿信道数和“贫困线”，只补偿一定数目的旧邻居，记N_n(i)和OldN_n(i)的元素个数分别为Num(N_n(i))和Num(OldN_n(i))，Feed消息中的信道数目为K，那么收到补偿的邻居个数FeedNum为：

所述的每个节点都有三种状态：空闲、发起和响应，在小组协商的过程中，节点的状态会随着消息的收发而转换，节点在空闲状态组播请求消息后，转变为发起状态，直到收到所有响应消息或者等到超时再返回空闲状态。响应节点的协商过程如下：当节点处在协商状态(发起或响应)时，将收到的RQST丢弃，另外，在协商发起时将RQST消息是以组播发送，而所有的协商消息都带有RQST里的唯一组号，不属于本组的消息也将直接被协商状态中的节点丢弃。

所述的第一个协商阶段具体处理方法如下：首先将状态置为响应，然后依次对双方分配的信道进行比对，如果节点n的净分配信道数大于自己，则决定由节点n放弃该信道，否则自己放弃该信道，如果在该处理结束节点n无需作出任何变更，响应节点将直接转为空闲状态，否则将节点n的变更结果通过ACK回复再转为空闲状态。

本发明采用分布式网络中的图论信道模型，将邻居节点分成两类并分别在不同的阶段与之进行分组协商，实现了认知用户能动态对信道进行分配和接入，保证了其在移动无线网络的场景中能高效地维持通信，降低了节点的高速移动对网络性能的影响。仿真结果表明，相对于分布式网络中的贪婪分配和本地协商分配，本发明能在节点移动(尤其是高速移动)的场景下以大约50％的通信开销取得和前者相近的性能，有效提高了信道分配的效率和收敛速度，保障了高速移动环境下的正常通信。

附图说明

图1为节点的三种状态及转换关系说明图；

图2为第二个协商阶段的说明图；

图3为不同算法的平均利用率(a)和平均通信开销(b)随节点移动性(即每时隙移动节点占所有节点的百分比值)变化的仿真曲线图，图中的3条曲线分别为本地协商分配方法、贪婪分配方法和两阶段式分组协商分配方法。

图4为不同算法的平均利用率(a)和平均通信开销(b)随节点数变化的仿真曲线图，图中的3条曲线分别为本地协商分配方法、贪婪分配方法和两阶段式分组协商分配方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先参见图1来说明节点的三种状态以及在协商过程中这三种状态的转换形式。每个节点都有三种状态：空闲、发起和响应。在协商开始之前每个节点都处在空闲状态，对于在两个阶段欲发起分组协商的节点，向相应的邻居节点(第一个协商阶段中的新邻居和第二个协商阶段中的旧邻居)发送RQST消息，并转换到发起状态。处在空闲状态的节点在收到RQST消息后，将转到响应状态。在第一个协商阶段中，处在响应状态的节点将RQST消息中的信道与自己的已分配信道进行比对，找出交集并根据双方的净分配信道数进行判决和处理：如果发起节点的净分配信道数大于自己，则决定由发起节点放弃该信道，否则自己放弃该信道。如果发起节点无需放弃任何信道，响应节点只需执行己方相应变更并返回空闲状态，发起节点在超时后也将返回空闲状态；否则响应节点将发起节点需放弃的信道通过ACK消息予以回复，双方各自执行相应变更后返回空闲状态。在第二个协商阶段中的状态转换过程与此类似，但是节点对消息的处理和执行的动作不同，这在下面将详细介绍。

接下来参见图2详细介绍节点在第二个协商阶段中收发的消息及对信道分配的相关处理。如果节点在第一个协商阶段放弃了某些信道，在此阶段它将这些信道用Feed消息依次对旧邻居进行发布(①)。Feed消息不属于小组协商，但是旧邻居节点在收到Feed消息后将发起新的小组协商：旧邻居节点k₁在收到Feed消息后，立即将其转发为RQST消息，面向全体邻居广播(②)。其邻居在收到RQST后，转为响应状态，并与自己的已分配矩阵进行比对，如果自己没有占用这些信道中的任何一条，就不作任何处理，超时之后将返回空闲状态；否则将占用的信道通过NACK消息予以回复然后再回到空闲状态(③)。k₁不管在协商后能否分到都回复ACK消息至节点n，表示协商结束(④)，然后节点n再向下一个旧邻居节点k₂发送相同的Feed消息，重复相同的步骤直至遍历待补偿的旧邻居节点。

此阶段引进补偿限制机制，根据待补偿信道数和“贫困线”，只补偿一定数目的旧邻居，记N_n(i)和OldN_n(i)的元素个数分别为Num(N_n(i))和Num(OldN_n(i))，Feed消息中的信道数目为K，那么收到补偿的邻居个数FeedNum为：

为了验证本发明中的信道分配方法性能，进行了一系列的数值仿真，将本地协商分配方法和贪婪分配方法作为比较对象，另外也给出了不发明中不包含“补偿限制”的分配方法。我们假定了一个1000m×1000m的正方形开阔场地作为仿真场景，在该场地中随机地摆放若干节点，这些节点将随着业务的生成自动组成一个认知分布网络。通常认为距离小于一定值的SU节点互为邻居，这里将该值设为200m。节点的运动服从随机游走模型，在抵达边界时以反射路径折回。我们用时间考察点将时间轴均等地划分成若干时隙，在每个时隙有p％节点随机游走到一个新的位置，并以此表征节点移动和网络拓扑变化的程度。不失一般性地，我们假定所有信道都是可用的，但是所得到的结论可以方便地推广至更为一般的认知场景。我们分别从平均利用率和平均通信开销来衡量算法的性能，其中分别代表所有节点分配的信道总数和在通信过程中发送的消息总数。

下面参见图3详细介绍不同算法的平均利用率(a)和平均通信开销(b)随节点移动性(即每时隙移动节点占所有节点的百分比值)变化的仿真曲线图。图中的3条曲线分别为本地协商分配方法、贪婪分配方法和两阶段式分组协商分配方法。这里设节点数为40，信道数为30，节点在网络中的初始位置是随机的，我们采用图论模型对拓扑进行建模，然后使用“两阶段式”分组协商分配方法在100个时隙内进行连续分配，并将结果分别与贪婪分配算法和本地协商分配算法进行比较。如图3(b)，在不同的节点移动性下，本发明中的信道分配方法在通信开销上只有本地协商分配方法的一半左右，且大大低于贪婪分配方法，同时对比图3(a)，其信道利用率随着移动节点比例的增加只比那两种方法略有下降。另外，和不包含补偿限制的“两步式”信道分配算法相比，利用率上的下降也相对低于通信开销的减少。因此“两阶段式”分组协商分配方法在保证效用较接近于那两种方法的前提下，能够大幅降低算法复杂度，使分配算法的收敛速度得以提高。在图3(b)中，随着移动节点比例的提高，信道开销的增速明显放慢，和本地协商算法的差距逐渐拉大，但是同时也带来了利用率的逐渐下降。这是因为拓扑过快的变化，使节点在第一阶段发生大量冲突，造成利用率的下降。

下面参见图4为不同算法的平均利用率(a)和平均通信开销(b)随节点数变化的仿真曲线图，图中的3条曲线分别为本地协商分配方法、贪婪分配方法和两阶段式分组协商分配方法。这里设信道数为40，每个时隙内有20％的节点随机游走到下一位置。图4(a)表明在节点数较少的情况下，平均利用率与贪婪分配方法和本地协商分配方法几乎相同，但是随着节点数增多，节点间的冲突加剧，稍劣于那两种方法。从图4(b)中可以看出，随着节点数增多，本发明提出的方法在通信开销上的优势也更大。另外，包含了补偿限制的“两步式”信道分配算法的优质更加明显，因为算法有效地缓解了大量的旧邻居同时竞争的现象。因此总的来说，本文所提出方法在节点高速移动，拓扑变化频繁的网络中优势更加明显，是一种快速分配算法。

Claims (3)

1.基于分组协商的认知无线网络信道分配方法，其特征在于：

1)首先，规定协商由单个节点发起，由其部分邻居共同参与，并将协商过程分为三个阶段：①发起，发起节点将请求消息(RQST)进行组播，发起该次协商；②响应，发起节点的邻居收到RQST后，如果满足条件，响应并返回确认/否定消息((N)ACK)；③执行，在发起节点收到(N)ACK和响应节点在发出(N)ACK后，各自都要对信道分配作出相应变更，并终止此次协商；

2)其次，在节点的移动过程中，将第i个时间考察点处节点n的邻居集合记为

其中c代表节点n、k的邻居关系；并将邻居分为两类：新邻居和旧邻居，分别记为NewN_n(i)和OldN_n(i)，定义如下：

NewN_n(i)＝N_n(i)-N_n(i-1)OldN_n(i)＝N_n(i)∩N_n(i-1)

其中i＝2，3，...，在初始状态下(i＝1时)所有邻居都属于NewN_n(i)，定义了“贫困线”PL_n＝L(n)/[d(n)-1]用以反应节点本地的“贫富”状况，其中L(n)和d(n)分别代表节点n的可用信道数和邻居数。将第i个时间考察点的“贫困线”记为PL_n(i)，将第i个时间考察点的已分配信道数和“贫困线”之差称作净分配信道数；

3)再次，将信道分配分为以下两个协商阶段：

a.第一个协商阶段：在一个新的时间考察点，当节点n检测到本地拓扑发生改变时即便此节点静止，将与新邻居节点发起协商，协调与这些邻居的分配冲突，在RQST消息中包括发起节点的信道分配矩阵、信道分配数和PL，发起节点将这些信息向新邻居进行组播，响应节点在收到后找出分配冲突；

b.第二个协商阶段：如果节点n在第一个协商阶段中被动放弃了部分信道，那么在此阶段首先对自己的第一个旧邻居k1发送Feed消息，k1在收到后立即将该消息转发为RQST消息，面向自己的全体邻居广播，k1的邻居在收到RQST后转换为响应状态，并查询自己的分配情况，如果自己没有占用这些信道中的任何一条，就直接回到空闲状态，否则将占用的信道通过NACK消息回复给k1然后再回到空闲状态，k1将一定时间内收到的NACK消息进行整合，放弃其中的相应信道；如果没有收到任何NACK消息则在超时后自动返回；随后k1向节点n回复ACK，表示自己的这轮协商结束，节点n再向下一个旧邻居k2发送相同的Feed消息，并以相同的流程执行，直至遍历所有待发的旧邻居；

在此阶段引进补偿限制机制，根据待补偿信道数和“贫困线”，只补偿一定数目的旧邻居，记N_n(i)和OldN_n(i)的元素个数分别为Num(N_n(i))和Num(OldN_n(i))，Feed消息中的信道数目为K，那么收到补偿的邻居个数FeedNum为：

2.根据权利要求1所述的基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法，其特征在于：所述的每个节点都有三种状态：空闲、发起和响应，在小组协商的过程中，节点的状态会随着消息的收发而转换，节点在空闲状态组播请求消息后，转变为发起状态，直到收到所有响应消息或者等到超时再返回空闲状态。响应节点的协商过程如下：当节点处在协商状态(发起或响应)时，将收到的RQST丢弃，另外，在协商发起时将RQST消息是以组播发送，而所有的协商消息都带有RQST里的唯一组号，不属于本组的消息也将直接被协商状态中的节点丢弃。

3.根据权利要求1所述的基于分组协商的认知分布式网络信道分配的实现方法，其特征在于：所述的第一个协商阶段具体处理方法如下：首先将状态置为响应，然后依次对双方分配的信道进行比对，如果节点n的净分配信道数大于自己，则决定由节点n放弃该信道，否则自己放弃该信道，如果在该处理结束节点n无需作出任何变更，响应节点将直接转为空闲状态，否则将节点n的变更结果通过ACK回复再转为空闲状态。

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