CN102355320A - 一种自组织网络的抗干扰通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，公开了一种自组织网络的抗干扰通信控制方法。针对现有的自组织网络中单独的利用发送速率或发送功率控制通信节点通信质量的问题，本发明的方法引入了认知无线电的概念，把外界干扰源当作主用户处理，无线通信节点作为次用户通过调整其MAC层的发送功率和发送速率来适应自组织网络中的外界干扰，进而提高了整体网络的抗干扰能力和服务质量。具体包括：建立目标函数，利用检测外界干扰源的功率计算出信号干扰噪声比，利用初始化的可行点迭代求解最优解，无线通信节点根据最优解调整自身的发送功率和发送速率。

Description

一种自组织网络的抗干扰通信控制方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，特别涉及一种自组织网络的抗干扰通信控制方法。

背景技术

自组织网络(Ad hoc)是自组织理论在通信网络中的具体运用。目前对于无线自组织网络中保证通信节点通信质量的研究有发送速率控制和发送功率控制这两种方法，然而当通信节点受到干扰源干扰的时候，如果仅仅对发送功率进行控制，无法达到全局网络通信质量的最优化，因为单个通信节点在受到干扰的情况下为了保证自己的通信质量，对发送功率进行控制，就会增加发送功率，虽然自己的通信质量能得到一定的保证，但是相应的会对无线自组织网络中其它通信节点造成干扰。如果仅仅对发送速率进行控制，也无法达到全局网络通信质量的最优化，因为通信节点在受到干扰的情况下为了保证自己的通信质量，对发送速率进行控制，就会一味降低自己的发送速率，而这实际上是对珍贵的带宽资源的一种浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的自组织网络中单独的利用发送速率或发送功率控制通信节点通信质量的问题，提出了一种自组织网络的抗干扰通信控制方法。

本发明的技术方案是：一种自组织网络的抗干扰通信控制方法，具体包括如下步骤：

S1.选定初始发送速率，并通过控制报文通知其它节点，初始化k＝0；

S2.根据节点控制报文信息，得到一个关于所有通信节点初始发送速率的一行N列矩阵(R₁ ⁽⁰⁾，...，R_N ⁽⁰⁾)^T，其中，R_i ⁽⁰⁾|_1≤i≤N表示第i个通信节点的初始发送速率，建立目标函数其中，R＝(R₁，...，R_N)^T，N为自组织网络通信节点的数目，R_i|_1≤i≤N表示第i个通信节点的发送速率，所述目标函数的约束条件如下：第i个通信节点的传输功率大于或等于0，小于或等于它的最大传输功率；第i个通信节点的传输速率大于或等于QoS所要求的最小传输速率，小于或等于信道的最大传输速率；信号干扰噪声比大于或等于QoS所要求的信号干扰噪声比门限值α；

S3.检测外界干扰源的功率，计算出正在进行的无线通信链路的信号干扰噪声比，若计算出的无线链路的信号干扰噪声比小于预设的门限值β，则执行步骤S7；若计算出的无线链路的信号干扰噪声比大于或等于预设的门限值β，则初始化可行点R^(k)，令R^(k)＝(R₁ ^(k)，...，R_N ^(k))^T，其中R_i ^(k)表示第k次迭代第i个通信节点的传输速率，并执行步骤S4；

S4.验证求出的可行点是否为最优解，若是最优解，则执行步骤S6，若不是最优解，则计算第k次迭代的搜索方向P^(k)，并计算沿此搜索方向移动的最佳步长λ_k，然后执行步骤S5；

S5.根据步骤S3中计算出的搜索方向P^(k)和移动步长λ_k进行一维搜索迭代出新的可行点R^(k+1)＝R^(k)+λ_kP^(k)，并执行步骤S3，并且令k＝k+1；

S6.根据最优解，无线通信节点调整自身的发送功率和发送速率；

S7.终止该链路上的通信过程，执行步骤S3。

进一步的，步骤S1中所述的选定初始发送速率具体为：各个通信节点根据检测的信号噪声比和业务要求的误比特率，找出即满足该信号噪声比和该误比特率而且其对应的发送速率最大的编码方式，该编码方式的发送速率即作为每个通信节点的初始发送速率。

进一步的，步骤S4中所述的验证具体为：计算

的值，若

则该可行点为最优解，其中，ε是允许的误差。

进一步的，步骤S4所述搜索方向P^(k)的计算过程如下：计算

的值，令 $P^{\left(k\right)}=-\▿f\left(R^{\left(k\right)}\right).$

进一步的，步骤S4计算最佳步长λ_k的过程如下：通过梯度法求求解满足

的λ_k，即为最佳步长。

本发明的有益效果：本发明的方法引入了认知无线电的概念，把外界干扰源当作主用户处理，无线通信节点作为次用户通过调整其MAC层的发送功率和发送速率来适应自组织网络中的外界干扰，进而提高了整体网络的抗干扰能力和服务质量。

附图说明

图1本发明方法的系统模型图。

图2本发明方法的流程示意图。

图3本发明实施例中不同目标BER情况下不同调制方式所需的信噪比示意图。

图4本发明实施例中迭代次数与连接数之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明的目的在于利用发送速率与发送功率控制自组织网络的抗干扰，该方法能够对Ad Hoc网络遇到干扰源的时候，实现网络中的无线通信节点对发送功率与发送速率的控制，以保证整体网络的抗干扰能力和通信服务质量。

为了更好的理解本发明的实施例，先对几个术语作一说明：

(1)MAC(Media Access Control)层：介质访问控制子层，主要负责控制与连接物理层的物理介质，它定义了数据包怎样在介质上进行传输。

(2)控制报文：控制报文是与数据报文相对的一个概念，数据报文上封装有高层数据，而控制报文不含高层数据，用来协助数据报文传输的报文称为控制报文。

(3)主用户：认知无线电中的概念，本发明中干扰源作为主用户。

(4)次用户：认知无线电中与主用户相对应的，本发明中通信节点作为次用户。

(5)干扰源：在无线电通信系统中，能发出电波，并对无线通信节点之间的通信造成不好的影响的源点。

(6)通信链路：网络中两个结点之间的物理通道称为通信链路。

(7)凸优化：优化问题中，目标函数为凸函数，约束变量取值于一个凸集中的优化问题称为凸优化。

(8)几何规划：几何规划是运筹学——非线性规划中的一个新兴分支，是最近发展起来的有效的最优化方法之一。

本发明方法的系统模型如图1所示，无线通信节点组成Ad Hoc网络，无线通信节点之间相互通信。本模型有如下几点的假设：

无线通信节点能够检测通信链路的瞬时信道增益。

无线通信节点之间的信道增益是对称的。

在系统中始终存在一种调制编码方式能够使通信传输速率逼近香农限。

在此Ad Hoc网络中存在外界干扰源，这里的干扰源是瞄准式干扰，外界干扰源随机的出现在通信频段上，干扰源出现在通信频段上的次数是随时间变化的一个泊松过程，外界干扰源在通信频段上的持续时间是符合高斯分布的，并且每次在通信频段持续时间都是相互独立的。因此，外界干扰源的行为与认知无线电网络中的主用户的行为特征十分相似，而此系统模型中的无线节点就是认知无线电网络中的次用户，它们在频段空闲(频段无外界干扰)的时间进行通信，当检测到主用户(外界干扰)的存在时，次用户应立即停止在此通信频段的通信，避免对主用户造成干扰。但是，在本发明的系统模型中，由于主用户是外界干扰源，次用户检测到外界干扰源在通信频段上出现时，不需立即避让，应该先检测外界干扰的功率大小级别，并计算出正在进行的无线通信链路的信号干扰噪声比(SINR，signal-to-interference-and-noise-ratio)，若此链路距离外界干扰源距离较远，此时的无线链路的信号干扰噪声比仍然大于某一门限值，可以选择增大发送功率，降低发送速率。若此链路与外界干扰源的距离较近，并且外界干扰源的发送功率较大，此时无线链路的信号干扰噪声比已经小于某一门限值，在此情况下，只能选择终止当前通信。

在此Ad Hoc网络中，N个无线通信节点直接与其邻居节点进行通信，这些节点之间存在L条无线链路，第i条链路在此无线网络中所受到的其他无线节点的干扰总和I_i可以表达为对所有正在通信的无线节点(除了第i条链路两端的节点以外)的发送功率与该节点对第i条链路的增益之积求和。

那么第i条链路的信号干扰噪声比，即SINR可以表达为：

${\mathrm{SINR}}_i=\frac{B}{R_i}\frac{G_{i,i}{P}_i}{I_i+{\mathrm{\σ}}^2},i=\mathrm{1,2},...,L---\left(1\right)$

其中，B是系统的信道带宽，R_i和P_i分别是第i条链路的传输速率和发送功率，σ²则是背景热噪声，G_i，i是第i个节点对第i条链路的处理增益，L是进行通信的链路的数目。

为了保证无线节点的服务质量(QoS，Quality of Service)，这里QoS用误比特率进行表征，有如下的约束条件：

1.第i个通信节点的发送功率大于或等于0，小于或等于它的最大发送功率。

2.第i个通信节点传输速率大于或等于QoS所要求的最小传输速率，小于或等于信道的最大传输速率。

3.信号干扰噪声比要大于或等于QoS所要求的SINR门限值。

根据香农公式，可以得到发送功率与发送速率之间的对应关系：

$R_i=B\log (1+\frac{G_{i,i}{P}_i}{I_i+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(2\right)$

因此，可以通过香农公式将约束条件转换为只和R_i与SINR门限值这两个值相关的约束条件。在满足此限制条件的情况下，最大化无线通信节点的收益，这里采用全局的吞吐量来度量无线节点的收益。因此本发明将联合速率与功率的优化问题模型转化为计算所有链路传输速率的自然对数之和的最大值。

此问题模型中，在最大化全局吞吐量的情况下，也同时考虑到了对每条无线链路的传输速率分配的公平性。本发明的问题模型可以转化为凸优化问题，可以通过几何规划来得到全局的最优解。

本发明以全局的吞吐量为计算度量，并且考虑到每个节点相互之间的公平性，即避免出现部分节点传输速率很大，而部分节点的传输速率很小，甚至为零的情况。

本发明的将计算所有链路传输速率的自然对数之和的最大值，可以转化为计算所有链路传输速率的倒数之积的最小值，同样，限制条件也可以转化成几何规划的形式。

对于本发明的优化问题，令目标函数

表示为f(R)，R＝(R₁，...，R_N)^T，将之前的约束条件转化为几何规划的形式，然后转化为标准的凸优化模型，从可行点出发，沿着下降的可行方向进行搜索，求出使目标函数值下降的新的可行点.其主要步骤是选择搜索方向和确定沿此方向移动的步长，并验证求出的可行点是否为最优解。

基于以上的分析，本发明方法的过程如图2所示，具体如下：

S1.选定初始发送速率，并通过控制报文通知其它节点，初始化k＝0；；

S2.根据节点控制报文信息，得到一个关于所有通信节点初始发送速率的一行N列矩阵(R₁ ⁽⁰⁾，...，R_N ⁽⁰⁾)^T，其中，R_i ⁽⁰⁾|_1≤i≤N表示第i个通信节点的初始发送速率，建立目标函数

其中，R＝(R₁，...，R_N)^T，N为自组织网络通信节点的数目，R_i|_1≤i≤N表示第i个通信节点的发送速率，所述目标函数的约束条件如下：第i个通信节点的传输功率大于或等于0，小于或等于它的最大传输功率；第i个通信节点的传输速率大于或等于QoS所要求的最小传输速率，小于或等于信道的最大传输速率；信号干扰噪声比大于或等于QoS所要求的信号干扰噪声比门限值α；

S3.检测外界干扰源的功率，计算出正在进行的无线通信链路的信号干扰噪声比，若计算出的无线链路的信号干扰噪声比小于预设的门限值β，则执行步骤S7；若计算出的无线链路的信号干扰噪声比大于或等于预设的门限值β，则初始化可行点R^(k)，令R^(k)＝(R₁ ^(k)，...，R_N ^(k))^T，其中R_i ^(k)表示第k次迭代第i个通信节点的传输速率，并执行步骤S4；

S4.验证求出的可行点是否为最优解，若是最优解，则执行步骤S6，若不是最优解，则计算第k次迭代的搜索方向P^(k)，并计算沿此搜索方向移动的最佳步长λ_k，然后执行步骤S5；

S5.根据步骤S3中计算出的搜索方向P^(k)和移动步长λ_k进行一维搜索迭代出新的可行点R^(k+1)＝R^(k)+λ_kP^(k)，并执行步骤S3，并且令k＝k+1；

S6.根据最优解，无线通信节点调整自身的发送功率和发送速率；

这里得出的最优解为一个一行N列矩阵，无线通信节点在该矩阵中对应的速率即为节点自身应该调整的发送速率，通过香农公式得出应该调整的发送功率。

S7.终止该链路上的通信过程，执行步骤S3。

步骤S1中所述的选定初始发送速率具体为：各个通信节点根据测量的信噪比和业务要求的误比特率，参照图3所示，找出即满足该信噪比和该误比特率而且其对应的发送速率最大的编码方式，该编码方式的发送速率即作为每个通信节点的初始发送速率。

步骤S4中所述的验证具体为：计算

的值，若

则该可行点为最优解，其中，ε是允许的误差。这里，“||||表示模运算，

表示f(R^(k))的梯度值，可以记为

步骤S4所述搜索方向P^(k)的计算过程如下：计算

的值，令

步骤S4计算最佳步长λ_k的过程如下：通过梯度法求求解满足的λ_k，即为最佳步长。

梯度法为本领域的技术常识，具体可参考文献：运筹学教程(第二版)，胡运权主编，清华大学出版社，2003，在此不再进行详细描述。

本实施例的仿真环境如下：

根据系统模型，如图1，参数设置为信号接收SINR门限值μ＝12.5dB，背景热噪声σ²＝5×10^-13，系统信道带宽B＝1MHz，仿真中所有节点都用相同的信道增益，信道增益G＝p/dⁿ其中，p＝0.097，n＝4，d是相邻节点之间的距离。由于本发明的方法没有明确的解析解形式，因此只能通过迭代的方式逐步逼近最优解。下面对不同通信连接数情况下迭代次数，以及对有效连接数进行判断的次数进行了统计。

仿真迭的代次数与连接数之间的关系如图4所示：迭代次数随着通信连接数增多而不断增加，但是，在连接数达到35时，本发明的方法仍然表现出较好的收敛性，即只需要迭代大约100次就能够解出最优解。本发明的方法需要从所有通信连接中选取一个子集使优化目标达到最大值，L是总共的可能进行通信的连接数，因此需要对每对连接的节点进行检测，本发明的方法可以大大减少对节点检测的次数，从而降低所需的时间。

本发明的方法引入了认知无线电的概念，把外界干扰源当作主用户处理，无线通信节点作为次用户通过调整其MAC层的发送功率和发送速率来适应自组织网络中的外界干扰，进而提高了整体网络的抗干扰能力和通信服务质量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.选定初始发送速率，并通过控制报文通知其它节点，初始化k＝0；

S2.根据节点控制报文信息，得到一个关于所有通信节点初始发送速率的一行N列矩阵(R₁ ⁽⁰⁾，...，R_N ⁽⁰⁾)^T，其中，R_i ⁽⁰⁾|_1≤i≤N表示第i个通信节点的初始发送速率，建立目标函数

其中，R＝(R₁，...，R_N)^T，N为自组织网络通信节点的数目，R_i|_1≤i≤N表示第i个通信节点的发送速率，所述目标函数的约束条件如下：第i个通信节点的传输功率大于或等于0，小于或等于它的最大传输功率；第i个通信节点的传输速率大于或等于QoS所要求的最小传输速率，小于或等于信道的最大传输速率；信号干扰噪声比大于或等于QoS所要求的信号干扰噪声比门限值α；

S3.检测外界干扰源的功率，计算出正在进行的无线通信链路的信号干扰噪声比，若计算出的无线链路的信号干扰噪声比小于预设的门限值β，则执行步骤S7；若计算出的无线链路的信号干扰噪声比大于或等于预设的门限值β，则初始化可行点R^(k)，令R^(k)＝(R₁ ^(k)，...，R_N ^(k))^T，其中R_i ^(k)表示第k次迭代第i个通信节点的传输速率，并执行步骤S4；

S4.验证求出的可行点是否为最优解，若是最优解，则执行步骤S6，若不是最优解，则计算第k次迭代的搜索方向P^(k)，并计算沿此搜索方向移动的最佳步长λ_k，然后执行步骤S5；

S5.根据步骤S3中计算出的搜索方向P^(k)和移动步长λ_k进行一维搜索迭代出新的可行点R^(k+1)＝R^(k)+λ_kP^(k)，并执行步骤S3，并且令k＝k+1；

S6.根据最优解，无线通信节点调整自身的发送功率和发送速率；

S7.终止该链路上的通信过程，执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，所述的QoS用误比特率进行表征。

3.根据权利要求1或2所述的自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，步骤S1中所述的选定初始发送速率具体为：各个通信节点根据检测的信号噪声比和业务要求的误比特率，找出即满足该信号噪声比和该误比特率而且其对应的发送速率最大的编码方式，该编码方式的发送速率即作为每个通信节点的初始发送速率。

4.根据权利要求3所述的自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，步骤S4中所述的验证具体为：计算

的值，若则该可行点为最优解，其中，ε是允许的误差。

5.根据权利要求3所述的自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，步骤S4所述的计算搜索方向过程如下：计算的值，令

6.根据权利要求3所述的自组织网络的抗干扰通信控制方法，其特征在于，步骤S4所述的最佳步长λ_k的计算过程如下：通过梯度法求求解满足

的λ_k，即为最佳步长。

Images