CN104703283A - 一种Ad Hoc网络中节点频率的分配方法 - Google Patents

Abstract

一种用于Ad Hoc网络的频率分配方法，包括第一步，设定最小频率间隔限制、总频段带宽限制、第一计数器的最大值、第二计数器的最大值，初始化禁忌列表为零，初始化第一计数器为零，初始化第二计数器为零；第二步，选择下一个待分配频率的节点；第三步，对当前选择的节点，根据设定的最小频率间隔限制和总频段带宽限制确定其可用频率；第四步，在当前频率分配结果基础上进行优化。本发明满足最小频率间隔限制和总频段带宽限制的Ad Hoc网络的频率分配，最大限度的减少节点之间的干扰，保障通信质量，在分配完成的基础上，可以动态的根据环境情况改变节点所使用的频率，同时满足限制条件。

Description

一种Ad Hoc网络中节点频率的分配方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种为Ad Hoc网络（自组织对等多跳移动通信网络）中的节点动态、合理的分配工作频率的方法。

背景技术：

Ad Hoc网络是一种新型的网络组织形式。与传统的服务器-客户端模型不同，Ad Hoc网络由节点的动态连接形成，每个节点之间都是平等的。节点既可以作为客户接受来自其他节点的消息，又可以作为信源向外发送消息，同时还可以作为路由节点进行中继和转发。由于其具有自组织的特性，可以快速而方便的组网，因此Ad Hoc网络经常被用于特定场景下。但是随着无线网络技术的快速发展，越来越多的日常应用也开始朝向Ad Hoc网络的形式发展，例如物联网和移动互联网。

在任何无线网络中，频率分配都是一个至关重要的问题。所谓频率分配，指的是为无线网络中的每个发射节点分配合适的工作频率。一方面，距离相近的节点所使用的频率要有一定的差异，否则节点之间会产生干扰进而导致通信质量下降；另一方面，由于频率资源受限，因此频率要尽可能的复用，以满足更多节点的通信需求。以上两个方面所反映出的要求——通信质量和频带利用率，本质上是相互矛盾的，因此在不同的应用场景中各自的权重有所不同。在一些既有的无线网络场景中，例如地面数字电视网络和2G/3G蜂窝网络，频率分配已经得到很好的解决。然而，在这些网络中，大功率的发射节点（电视发射塔和基站）是经过仔细选址的，并且在建成后是固定不动的，而在Ad Hoc网络中，节点是可以任意移动的，包括节点相对位置的改变和加入/离开网络等，这就为频率分配带来了新的挑战。

在现有的频率分配方法中，绝大多数是将频率分配问题转化为图论中的顶点 着色问题进行分析，即：首先把网络节点看作无向图中的顶点，把可能存在干扰的节点之间用一条边连接起来，形成“干扰图”；然后按照图论中的着色理论为每个顶点进行着色，即完成节点的频率分配。用图论/着色理论来解决频率分配问题的思想最早源于论文“Frequency assignment:theory and applications”，其中提出了两种经典模型，即T着色和具有加权边的着色。在这之后，陆续有其他学者提出类似的模型，如列表着色等。然而，这些模型与Ad Hoc网络之间存在一些不相容的地方。第一，上述模型中，频率分配的优化目标是尽可能使用最少的频率资源。而在Ad Hoc网络场景中，由于网络一般具有特殊用途，因此频率资源是给定的，进而优化目标转为总的频率间隔度（即所有相邻节点之间频率间隔的和）最大，既保障通信质量最优；第二，在Ad Hoc网络中，节点既是发射单元又是接收单元。当两个使用相近频率的节点同时向一个节点发送消息时，在接收节点处会产生干扰，这就要求在“干扰图”中相隔两跳的节点之间所使用的频率也不能相近，而在以上模型中，仅仅要求相隔一跳节点之间使用的频率不相近；第三，当某个节点所使用的频率的信道质量发生变化时，为了提高通信质量，需要该节点在不对其它节点产生干扰的情况下做出适应环境的改变，而一般的着色理论难以实现这种局部的改变。

发明内容：

本发明针对上述现有的Ad Hoc网络中频率分配存在的问题，提供了一种Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，可以实现在给定最小频率间隔限制和总频段带宽限制的条件下，对节点进行以总的频率间隔最大为优化目标的频率分配，即最大限度保障通信质量。同时，在完成频率分配、网络进入工作状态后，当某个节点当前所使用的频率因外界环境变化而无法使用时，节点可以进行改变，且改变后仍然满足限制条件。总而言之，该方法在实现传统频率分配的基础上，同时解决了上述的三方面问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种用于Ad Hoc网络的频率分配方法，包括两个部分：最优化频率分配方法和动态频率改变机制。最优化频率分配算法可以根据输入信息（包括“干扰图”和限制条件等）计算出最优的频率分配结果；动态频率改变机 制可以在已经完成频率分配的基础上，完成某个特定的节点改变频率的要求，并且不会影响到其他节点。具体包括如下步骤：

第一步，设定最小频率间隔限制、总频段带宽限制、第一计数器的最大值、第二计数器的最大值，初始化禁忌列表为零，初始化第一计数器为零，初始化第二计数器为零

第二步，选择下一个待分配频率的节点，具体如下：若无未分配频率的节点，则转到第四步；否则，选择当前情况下饱和度最大的节点（饱和度最大的节点是指当前未分配频率的节点中拥有最多已分配频率邻居的节点）。如果有几个饱和度相等的节点，则选择度最大的节点（度最大的节点是指未分配频率的节点中拥有邻居最多的节点），进入第三步。

第三步，对当前选择的节点，根据给定的最小频率间隔限制和总频段带宽限制确定其可用频率，具体如下：若无可用频率，则算法终止，即在当前限制条件下，所给的“干扰图”无法实现对所有节点的频率分配；否则，对所有可用频率进行遍历，找出使当前总的频率间隔度最大的频率作为当前节点的频率，返回第一步。

第四步，在当前分配结果（用X表示）基础上进行优化，具体如下：（1）更新禁忌列表（禁忌列表是一个具有固定长度的存放节点的列表），具体如下：首先随机选择一个不在禁忌列表中的节点（若禁忌列表为空，则随机选择任意一个节点），找出所有在X下满足上述限制条件的频率，并随机选择一个与X中该节点所使用的频率不同的频率作为该节点新的频率，产生新的分配结果（用Y表示），同时将该节点加入禁忌列表中，若禁忌列表已经满了，则将最先进入的节点移除。（2）计算Y的总的频率间隔度。①若大于X的频率间隔度，则用Y取代X（X=Y），计数器A（初始值为零）加一，若A达到上限，则完成优化，网络进入工作状态（即所有节点都已分配频率）；否则（A未达到上限），清空禁忌列表，计数器B归零，返回(1).②若不如X，则先另存X（用Z表示），同时用Y取代X（X=Y），计数器B（初始值为零）加一，若B未达到上限，则返回（1）；否则（B达到上限），清空禁忌列表，B清零，A加一，用Z取代X（X=Z），返回（1）。

网络在工作状态下，若某个节点要求改变频率，则通过上述限制条件计算其当前所有可用频率，从中选择一个与之前不同的频率作为新的频率，并用当前分 配结果取代之前的分配结果。网络重新回到工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于以下几点：

1.实现了满足最小频率间隔限制和总频段带宽限制的Ad Hoc网络的频率分配，最大限度的减少节点之间的干扰，保障通信质量。

2.与基于传统着色理论的频率分配方法相比，添加了两跳节点之间的限制条件，更加符合实际情况。

3.在分配完成的基础上，可以动态的根据环境情况改变节点所使用的频率，同时满足限制条件。

附图说明：

图1.本发明Ad Hoc网络中节点频率的分配方法的流程图。

图2.本发明实际应用频率分配结果图，其中（a）为中心发散状网络拓扑，（b）为树形网络拓扑。

图3.本发明实际应用节点改变频率图，其中（a）为改变前，（b）为改变后。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例包括以下步骤：

第一步，得到Ad Hoc网络的“干扰图”，用G(V,E)表示，本实施例中节点总数为40个，每个节点的邻居最多有4个。开始执行算法，整个流程图如图1所示。选择下一个待分配频率的节点，具体如下：若无未分配频率的节点，则转到第三步；否则，选择当前情况下饱和度最大的节点（饱和度最大的节点是指当前未分配频率的节点中拥有最多已分配频率邻居的节点）。如果有几个饱和度相等的节点，则选择度最大的节点（度最大的节点是指未分配频率的节点中拥有邻居最多的节点），进入第二步。记按如上规则选择出的节点为v_i。

第二步，对v_i，根据给定的最小频率间隔限制和总频段带宽限制确定其可用 频率（本实施例中的限制条件为：共有30个可使用频率，用数字1到30表示，最小频率间隔为2），具体如下：若无可用频率，则算法终止，即在当前限制条件下，图G无法实现对所有节点的频率分配；否则，对所有可用频率进行遍历，找出使当前总的频率间隔度最大的频率作为当前节点的频率，返回第一步。

第三步，在当前分配结果（用X表示）基础上进行优化，具体如下：（1）更新禁忌列表（禁忌列表是一个具有固定长度的存放节点的列表，本实施例中长度为2），具体如下：首先随机选择一个不在禁忌列表中的节点（若禁忌列表为空，则随机选择任意一个节点），找出所有在X下满足上述限制条件的频率，并选择一个与X中该节点所使用的频率不同的频率作为该节点新的频率，产生新的分配结果（用Y表示），同时将该节点加入禁忌列表中，若禁忌列表已经满了，则将最先进入的节点移除。（2）计算Y的总的频率间隔度。①若优于X，则用Y取代X（X=Y），计数器A（初始值为零）加一，若A达到上限（本实施例中上限为10000），则完成优化，网络进入工作状态（即所有节点都已分配频率），图G的分配结果如图2所示，其中包含两个不同拓扑的例子，在每个节点边上，前边的数字代表节点编号，后边的数字为当前分配的频率编号；否则（A未达到上限），清空禁忌列表，计数器B归零，返回(1).②若不如X，则先另存X（用Z表示），同时用Y取代X（X=Y），计数器B（初始值为零）加一，若B未达到上限（本实施例中上限为10），则返回（1）；否则（B达到上限），清空禁忌列表，B清零，A加一，用Z取代X（X=Z），返回（1）。

网络在工作状态下，若某个节点要求改变频率，则通过上述限制条件计算其当前所有可用频率，从中选择一个与之前不同的频率作为新的频率，并用当前分配结果取代之前的分配结果。网络重新回到工作状态。在实施例中，对另一个有7个节点的图的1号节点进行了频率改变，由图3可以看出，1号节点的工作频率从9变成了16。

Claims (7)

1.一种Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，设定最小频率间隔限制、总频段带宽限制、第一计数器的最大值、第二计数器的最大值，初始化禁忌列表为零，初始化第一计数器为零，初始化第二计数器为零；

第二步，选择下一个待分配频率的节点，具体如下：

若无未分配频率的节点，则转到第四步；

否则，选择当前情况下饱和度最大的节点，即指当前未分配频率的节点中拥有最多已分配频率邻居的节点，如果有几个饱和度相等的节点，则选择度最大的节点，即指未分配频率的节点中拥有邻居最多的节点，进入第三步；

第三步，对当前选择的节点，根据设定的最小频率间隔限制和总频段带宽限制确定其可用频率，具体如下：

若无可用频率，则终止，即在当前限制条件下，无法实现对所有节点的频率分配；否则，对所有可用频率进行遍历，找出使当前总的频率间隔度最大的频率作为当前节点的频率，返回第二步；

第四步，在当前频率分配结果基础上进行优化，具体如下：

(1)若禁忌列表为空，则随机选择任意一个节点，否则，随机选择一个不在禁忌列表中的节点，找出所有在当前频率分配结果下满足第一步中限制条件的频率，并随机选择一个与当前频率分配结果中该节点所使用的频率不同的频率作为该节点新的频率，产生新的频率分配结果，同时将该节点加入禁忌列表中，若禁忌列表已经满了，则将最先进入的节点移除。

(2)计算新的频率分配结果的总的频率间隔度：

①当新的频率分配结果的频率间隔度大于当前频率分配结果的频率间隔度，则用新的频率分配结果取代当前频率分配结果，第一计数器加一，并判断第一计数器是否达到最大值：

如是，则完成优化，网络进入工作状态，即所有节点都已分配频率；

否则，清空禁忌列表，第二计数器归零，返回步骤(1)；

②当新的频率分配结果的频率间隔度小于当前频率分配结果的频率间隔度， 则先暂存当前频率分配结果，同时用新的频率分配结果取代当前频率分配结果，第二计数器加一，并判断第二计数器是否达到最大值：

如是，则清空禁忌列表，第二计数器归零，第一计数器加一，用暂存当前频率分配结果取代当前频率分配结果，返回步骤①；

否则，则返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，在所述的网络在工作状态下，当某个节点要求改变频率，则通过第一步所述的限制条件计算其当前所有可用频率，从中选择一个与之前不同的频率作为新的频率，并用当前分配结果取代之前的分配结果，网络重新回到工作状态。

3.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，所述的第二步中，按照饱和度大小的顺序对节点进行频率分配，若饱和度相同，则按度大小的顺序对节点进行频率分配。

4.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，所述的最小频率间隔限制条件的应用范围为距离两跳之内的节点。

5.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中频率分配方法，其特征在于，所述的第四步中，在初次完成频率分配后，进一步优化结果，且采用了一个大循环和一个小循环，即用两个计数器表示，以提高优化效率。

6.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，在完成频率分配，网络进入工作状态后，当某个节点有改变频率的要求时，可以局部动态改变其工作频率，并且仍然满足限制条件。

7.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中节点频率的分配方法，其特征在于，所述的禁忌列表是一个具有固定长度的存放节点的列表。