CN102905275B - 适用于认知Ad Hoc网络的基于优先级的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于认知Ad？Hoc网络的基于优先级的频谱分配方法，包括授权用户和认知簇头用户间进行簇间频谱分配：频谱提供者为授权用户提供一定数量的频谱，将认知Ad？Hoc网络的簇头用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，簇头用户与授权用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得部分频谱用于频谱共享；认知Ad？Hoc网络中簇头用户和簇成员用户进行簇内频谱分配：将认知Ad？Hoc网络的簇成员用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，簇成员用户与各自簇头用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得的部分频谱用于频谱共享，每个簇头用户将上述频谱共享所剩下的频谱用于自身的通信。以实现根据不同的用户需要合理分配频谱的优点。

Description

适用于认知Ad Hoc网络的基于优先级的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及认知AdHoc网络领域，具体地，涉及一种适用于认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法。

背景技术

目前，认知AdHoc网络是一种分布式的认知网络，可以在不依赖网络基础设施的情况下，快速和灵活地配置。网络中的各个用户可以进行实时感知，从而得到空闲授权频谱的信息，并利用这些空闲频谱进行多条通信。这样，认知AdHoc网络既保持了传统AdHoc网的组网快速灵活、可伸缩性强、节省功耗、结构健壮等特点，同时每个节点又都可以独立地探测各自的“频谱机会”以自主选择空闲频段实施通信。认知Adhoc网络中节点既能够动态适应无线电频谱环境变化和网络拓扑变化，又能在获得最高频率资源利用率的同时提高网络通信的服务质量。

认知Adhoc网络与蜂窝网络互连，不仅能够提高网络的覆盖范围和网络容量，而且能够通过认知无线电技术机会式接入频谱来提高频谱利用率，增强了二者的优势。因此，为了实现网络互连，认知Adhoc网络通常需要一些节点充当互连网关，以便认知用户终端能够以一跳或多跳方式连接到网关，接着再通过基站以有线方式连接到IP核心网络中。因受授权用户使用频谱的限制，认知用户使用的频谱数量和位置随时间在不断地变化。由于频谱空穴有限，认知用户之间需要竞争使用这些资源，而且不同认知用户的优先级、QoS要求都不一样，所以认知Adhoc网络需要保证优先级高的认知用户先得到服务，同时，也要保证频谱资源不会被某些认知用户独占，即系统需要公平而有效地管理频谱空穴。

因此，认知Adhoc网络中频谱分配基于频谱资源的可用性，根据一定的规则，给认知用户进行分配频谱。在频谱分配中，需要设计一个频谱分配规则以提高认知无线电性能，在保证授权用户使用频谱无冲突的前提，使系统性能得到改善或者接近最优状态。

目前国内外频谱分配算法主要是从网络结构、授权用户、认知用户和算法自适应等角度去研究认知网络中授权用户与认知用户之间的频谱分配问题。

（1）从网络结构角度：频谱分配目标和结果是关注频谱效率还是关注收敛速度等。根据分配的目标，采取何种网络结构是集中式还是分布式。

（2）从授权用户角度：所提供频谱数量和质量上是否存在差异；授权用户为了一定目标采取何种策略。

（3）从认知用户角度：认知用户的频谱需求是否相同；是否允许认知用户同时利用多个谱带进行传输；认知用户在共享频谱过程中为了达到某种目标又采取何种策略。

（4）从所提频谱分配算法自适应角度：所提算法是否具有自适应特性以及收敛性。

这些频谱分配策略的不足之处在于未考虑用户间不同服务等级的要求。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种适用于认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法，以实现根据不同的用户需要合理分配频谱的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法，包括以下步骤：

授权用户和认知簇头用户间进行簇间频谱分配：

频谱提供者为授权用户提供一定数量的频谱，

将认知AdHoc网络的簇头用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

上述簇头用户与授权用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得部分频谱用于频谱共享；

以及

认知AdHoc网络中簇头用户和簇成员用户进行簇内频谱分配：

将认知AdHoc网络的簇成员用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

上述簇成员用户与各自簇头用户进行频谱的分配协商，以最优条件从上述授权用户获得的部分频谱用于频谱共享，

每个簇头用户将上述频谱共享所剩下的频谱用于自身的通信。

根据本发明的优选实施例，所述簇间频谱分配过程中，根据各自优先级的所有簇头用户获得的频谱总数与各自优先级所在的簇头用户总数，得到单个簇头用户获得的频谱数目，根据各自优先级的所有簇成员用户购得的频谱总数与各自优先级所在的簇成员用户总数，得到单个簇成员用户获得的频谱数目。

根据本发明的优选实施例，上述簇间频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇头用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；上述簇内频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇成员用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；同时，所述簇头用户所在优先级越高，其簇内的簇成员获得的频谱越多。

本发明的技术方案，通过在簇间、簇内两阶段的频谱分配方式。进行簇间频谱分配时，授权用户和认知簇头用户进行频谱共享。将授权用户看作是频谱的提供者，将具有不同优先级的认知簇头用户看作是频谱的使用方，这些认知簇头用户通过与授权用户进行协商，以最优条件从授权用户处订购不同数量的频谱。进行簇内频谱分配时，认知簇头用户是频谱的提供方，簇内具有不同优先级的认知簇成员用户是频谱的使用方，簇内认知簇成员用户与所在簇的认知簇头用户进行协商，以最优条件从簇头处订购不同数量的频谱。从而根据频谱用户的优先级不同分配不同的频谱，达到了根据不同的用户需要合理分配频谱的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例所述的认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配的系统模型示意图；

图2为本发明实施例所述的认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法原理图。

其中，图1中，为主用户节点；为簇头节点；为簇成员节点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种适用于认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法，包括以下步骤：

授权用户和认知簇头用户间进行簇间频谱分配：

频谱提供者为授权用户提供一定数量的频谱，

将认知AdHoc网络的簇头用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

簇头用户与授权用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得部分频谱用于频谱共享；

以及

认知AdHoc网络中簇头用户和簇成员用户进行簇内频谱分配：

将认知AdHoc网络的簇成员用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

簇成员用户与各自簇头用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得的部分频谱用于频谱共享，

每个簇头用户将频谱共享所剩下的频谱用于自身的通信。

其中，簇间频谱分配过程中，根据各自优先级的所有簇头用户获得的频谱总数与各自优先级所在的簇头用户总数，得到单个簇头用户获得的频谱数目，根据各自优先级的所有簇成员用户购得的频谱总数与各自优先级所在的簇成员用户总数，得到单个簇成员用户获得的频谱数目。簇间频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇头用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；簇内频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇成员用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；同时，所述簇头用户所在优先级越高，其簇内的簇成员获得的频谱越多。

其中分配的条件为价格、带宽、需求等影响通信质量的通信因子。

对于第一阶段的频谱分配，频谱提供者的收益由两部分组成：第一部分来自授权用户使用其分得的频谱进行数据传输；第二部分来自具有优先等级的认知簇头用户及认知簇成员用户使用其分得的频谱进行数据传输。系统进行频谱分配的稳定性取决于系统的学习因子和优先级数目。系统进行频谱分配的时间开销与优先级数目和认知用户数目密切相关。若认知用户数目一定，系统进行频谱分配的时间开销随优先级数目的增加而线性增加；若优先级数目一定，系统进行频谱分配的时间开销随认知用户的增加而缓慢增加。

在频谱分配阶段，频谱提供者随机选择初始条件（价格）P1[0]，并把这个条件告知给频谱使用者。然后，基于需求函数，频谱提供者确定所需频谱数目并反馈给频谱使用者。频谱使用者从频谱提供者的需求量中减去供应的频谱数目，从而得到额外需求。若如果需求量高于供应量，频谱提供者将增加条件以获得较高的收益；反之，若需求量低于供应量，频谱提供者将降低条件以获得较高的收益。为了得到下次迭代的条件，需要计算本次t时刻的频谱需求量和频谱供应量之间的差值，加权计算后（权重为，称之为学习因子），得到本次迭代和下一次迭代价格间的关系表示式。此过程重复进行，直到满足终止条件为止。

学习因子对价格调整有很大的影响。如果学习因子大，则频谱提供者在很大程度上依赖于额外需求信息，会导致价格调整上的波动，使条件不能达到一个稳定状态。如果学习因子小，则频谱提供者依赖额外需求信息的程度减小，能够很快达到价格的稳定状态。因此，需通过局部稳定性分析来得到稳定条件，并确定学习因子的取值范围以获得一个稳定条件。

在图1中，认知AdHoc网络由具有认知功能的簇头用户和簇成员用户组成，认知簇头用户具有接入蜂窝网的接口，从而可以与蜂窝网中的授权用户进行通信。

阶段1、进行簇间频谱分配

授权用户和认知簇头用户间的频谱分配。令频谱提供者为N1个授权用户提供的单元频谱数目为W，N1个授权用户和认知Adhoc网络中具有m个优先级的N2个认知簇头用户共享Q1频谱，此阶段中的认知簇头用户订购的频谱单价为P1。

簇头用户共有m个优先等级，其中优先级1为最高等级，优先级m为最低等级。等级i（i=1,…m）的簇头用户数目为，购得的频谱总数为，则每个簇头用户获得的频谱数目为（若频谱数目为小数，则取整）。假若不存在某个等级的簇头用户，则给其分配的频谱为空。

阶段2、进行簇内频谱分配

一个簇内，认知簇头用户和认知簇成员用户的频谱分配。认知簇头用户将第一阶段获得的部分频谱，以单价P2分配给其所在簇的具有k个优先级的N3个认知簇成员用户，而剩余部分则用于自身的通信。令处于等级i的认知簇头用户数目为，则在该等级的每个认知簇头用户获得的频谱数目为（），其中，Mi为等级i的认知簇头用户获得的频谱单元总数，Q2为以单价P2分配给认知簇成员用户的频谱数目，用于认知簇头用户自身的通信活动。这1…k个优先等级依次递减，簇成员用户获得的频谱数目为（若为小数，则取整），其中为优先级j的簇成员个数，为这些簇成员获得的频谱总数目。假若不存在某个等级的簇成员用户，则给其分配的频谱为空。

图2中，Q1：用于频谱共享的频谱数量；

P1：频谱提供者出售簇头的频谱单价；

Mi：处于优先等级i的所有簇头获得的频谱数量；

Q2：簇头分配给簇成员节点的频谱数量；

P2：簇头出售簇成员节点的频谱单价；

：处于优先等级j的所有簇成员节点获得的频谱数量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于认知AdHoc网络的基于优先级的频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

授权用户和认知簇头用户间进行簇间频谱分配：

频谱提供者为授权用户提供一定数量的频谱，

将认知AdHoc网络的簇头用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

上述簇头用户与授权用户进行频谱的分配协商，以最优条件从授权用户获得部分频谱用于频谱共享；

以及

认知AdHoc网络中簇头用户和簇成员用户进行簇内频谱分配：

将认知AdHoc网络的簇成员用户按照服务等级要求进行优先级划分归类，

上述簇成员用户与各自簇头用户进行频谱的分配协商，以最优条件从上述授权用户获得的部分频谱用于频谱共享，

每个簇头用户将上述频谱共享所剩下的频谱用于自身的通信；

所述簇间频谱分配过程中，根据各自优先级的所有簇头用户获得的频谱总数与各自优先级所在的簇头用户总数，得到单个簇头用户获得的频谱数目，根据各自优先级的所有簇成员用户购得的频谱总数与各自优先级所在的簇成员用户总数，得到单个簇成员用户获得的频谱数目；

上述簇间频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇头用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；上述簇内频谱分配过程中，处于不同优先等级的簇成员用户获得的频谱数目不同，优先级越高，获得的频谱数目越多；同时，所述簇头用户所在优先级越高，其簇内的簇成员获得的频谱越多；

进行频谱分配的时间开销与优先级数目和认知用户数目密切相关，若认知用户数目一定，进行频谱分配的时间开销随优先级数目的增加而线性增加；若优先级数目一定，进行频谱分配的时间开销随认知用户的增加而缓慢增加；

在频谱分配阶段，频谱提供者随机选择初始条件，并把这个条件告知给频谱使用者，然后，基于需求函数，频谱提供者确定所需频谱数目并反馈给频谱使用者，频谱使用者从频谱提供者的需求量中减去供应的频谱数目，从而得到额外需求，如果需求量高于供应量，频谱提供者将增加条件以获得较高的收益；反之，若需求量低于供应量，频谱提供者将降低条件以获得较高的收益，为了得到下次迭代的条件，需要计算本次t时刻的频谱需求量和频谱供应量之间的差值，加权计算后，权重为α₁，得到本次迭代和下一次迭代价格间的关系表示式，此过程重复进行，直到满足终止条件为止；

初始条件包括价格、带宽或需求影响通信质量的通信因子。