CN104796901A - 分布式频谱资源动态分配的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的分布式频谱资源动态分配的实现方法，通过将次级无线频谱市场中的频谱分配过程分布式化，解除集中式分配方法对中心节点的依赖，在保证可行的计算与通信开销的前提下，结合频谱的空间可重用性，设计分布式激励机制，具有防操纵性，激励节点如实参与分布式频谱动态分配过程。节点根据局部收集的信道估价和需求信息，使用贪心算法，通过合作提高频谱资源的总体分配效用。

Description

分布式频谱资源动态分配的实现方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络领域的技术，具体涉及一种无线网络中分布式频谱资源动态分配方法，解除集中式分配方法中对中心节点的依赖，在保证可行的计算与通信开销的前提下，结合频谱的空间可重用性，激励节点如实参与分布式的频谱动态分配过程，提高频谱资源的分配效用。

背景技术

快速增长的无线技术正在争夺有限的频谱资源。大量新加入的无线服务与应用对频谱资源的需求，已经难以通过传统的代价高且效率低的静态频谱分配方法得到满足。因此亟需设计公平高效的频谱资源动态分配方法。

近年来，涌现了很多性能良好的频谱动态分配方法，它们考虑频谱资源的空间可重用性，以及频谱资源对无线网络中不同节点的多样化的价值，进行动态的按需分配。然而，这些方法往往都依赖于一个集中式的、可靠的权威机构来进行操作。这一中心节点收集所有节点对频谱资源的估价和需求，基于全局情况，分配频谱资源，并向获得频谱的节点收取一定的租用费用。

通过观察可发现，集中式的频谱动态分配方法存在诸多弊端。第一，它当有一个实时存在的可靠的中心节点，而实际的无线网络次级频谱市场中，这样的中心节点可能并不存在。第二，集中式分配方法的可扩展性并不理想，中心节点为了动态按需分配频谱资源，需要与每个无线节点建立可靠的通信信道，以便收集节点对频谱资源的估价和需求，而这类通信信道在实际应用场景中可能并不存在。第三，集中式分配方法的鲁棒性值得质疑，一旦中心节点出现故障，整个分配过程将被迫停止。因此，有必要设计分布式的频谱资源动态分配方法。

分布式频谱资源动态分配方法的设计面临几个挑战。第一，分布式方法不再通过集中式的中心节点来管理动态分配过程，此时无线节点被赋予了双重身份，它们不仅需要竞争频谱资源，还需要合作决定动态分配结果，它们的行为空间由集中式的一维(提供估价)扩展至分布式的三维(提供估价、参与通信与计算结果)。第二，无线频谱具有空间可重用性，在满足足够的信噪比时，多个节点可同时使用同一个波段的频谱，这使得频谱资源分配最优化问题即便是在集中式环境中也变得多项式时间内不可计算。第三，节点的计算能力和通信能力有限，无法直接采用传统的可信多方计算方法，而需要设计防操纵性的分布式频谱动态分配机制，防止节点通过策略性的行为获得不正当的效用，激励节点真实地参与动态分配过程。

现有的频谱资源动态分配方法并没有综合考虑上述挑战。具体地说，目前的分布式频谱共享方法不具备防操纵性，而防策略性的频谱分配机制都是集中式的。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101681472，公开日2010‐03‐24，公开了一种无线客户机上的启用频谱拍卖从而允许节点获得频谱接入的方法，包括以下内容：频谱提供者虽然对频谱具有独占权限，但在某些约束条件下允许其他用户接入该频谱；无线客户机对在其他情况下不可用的频谱的使用权限进行投标，发送接入频谱的请求，接收到具有约束的接入频谱的提议后，可以选择接受、拒绝该提议或对该提议进行还价。但该技术的集中式的拍卖机制依赖于可信的中心节点，且不具备良好的可扩展性与鲁棒性。

中国专利文献号CN103987051A，公开日2014‐08‐13，公开了一种基于无线传感器网络可靠感知的频谱共享方法，包括以下步骤：构建具有无线传感器辅助认知的无线电网络；融合中心按照传感器节点与融合中心的距离大小选取传感器节点参与频谱感知，融合各节点感知到的频谱结果，获得当前可用于分配的频谱资源；将频谱分配状态转换为图论着色优化问题，引入量子菌群算法，通过对细菌进行量子位编码，测量及更新来实现公平有效的共享方案。但该技术没有考虑频谱资源对不同传感器节点的价值差异，不能将有限的频谱资源分配给最能够有效利用它的节点，且同样存在上述集中式方法的诸多弊端。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种分布式频谱资源动态分配的实现方法，能够将频谱分配过程分布式化，解除了集中式方法对可靠中心节点和通信信道的依赖，考虑了无线频谱的空间可重用性，在保障可行的计算与通信开销的前提下，实现了频谱的次优分配，提高了总体资源分配效用；再者，该机制具有防操纵性，大大减少了节点为了做出最优选择所需的行为空间探索开销，避免了操纵行为对真实参与分配过程的节点的效用的损害。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明包括以下步骤：

步骤1、收集信道需求信息：根据节点之间的冲突关系，各节点分别与邻居节点交换对信道的估价与需求数，得到局部信息集，并根据估价排序确定邻居节点的优先级。

所述的冲突关系即节点之间的信噪比冲突关系，具体是指：当两个节点同时通信时的信噪比低于阈值，即认为存在冲突，两节点不能同时使用同一信道，并用冲突图表示。存在冲突的节点之间可以通过预定的控制信道相互通信，从而实现分布式频谱分配过程。

所述的分布式频谱分配过程是指N个需要信道的各个节点，在竞争与合作共存的情形下，决定如何将m个同质正交的无线信道，按需动态分配，并实现优化目标。

本发明的优化目标为最大化总体资源分配效用，即 其中：v_i是节点a_i对信道的价值估计，d_i是a_i对信道的需求数，p_i是a_i为自己分配到的信道所需要支付的租用费用，W是所有获得信道的节点的集合。此过程不需要一个集中式的中心节点的管理，而是由各个节点合作组织并完成。

所述的局部信息集是指各节点只需要收集与之直接相邻的节点的信息，而不需要考虑多跳和全局情况。

所述的邻居节点的优先级是指可用信道使用权的先后选择顺序满足最大化总体资源分配效用，本发明使用贪心算法将可用信道优先分配给估价更高的节点。

所述的优先级分为优先邻居节点集或反馈邻居节点集，其中：优先邻居节点集中，邻居节点的估价高于本节点或与本节点相同但拥有更小的身份序列，因此邻居节点在信道分配过程中将优先于本节点选择信道；反馈邻居节点集中，邻居节点的估价低于本节点，或与本节点相同但拥有更大的身份序列，因此邻居节点在信道分配过程中将对本节点的选择做出反馈。

步骤2、选择可用信道与计算租用费用反馈信息：

2.1)各节点根据局部信息集中的优先级依次从可用信道集中选择需求数个信道，生成信道选择结果消息；

2.2)获得信道的节点进一步生成租用费用计算请求消息；

2.3)各个节点对从邻居节点处收到的租用费用计算请求做出反馈，生成信道反馈消息；

2.4)获得信道的节点将信道选择结果消息、租用费用计算请求消息和信道反馈消息融合成一条消息并对邻居节点进行广播。

所述的信道反馈消息是指优先邻居节点集中获得信道的邻居节点未曾参与此次动态分配时，节点将重新选择的信道集。

所述的可用信道是指节点选择信道时，本地范围内尚未被优先邻居节点选择的信道。从原始可用信道集中标记并剔除已选信道，可筛选出当前的可用信道集。限定节点的信道选择范围为可用信道集可以避免相邻节点同时选择同一信道，从而避免冲突。

所述的信道选择结果消息用于通知邻居节点已选信道，即当可用信道的个数大于等于需求数时，可获得信道；否则，无法获得信道。

所述的租用费用计算请求消息是指该节点需要为获得的信道支付一定租用费用，需要通过反馈邻居节点的反馈信息计算得到，因此向反馈邻居节点提出请求。

所述的租用费用是指该节点在此次动态分配中为获得需求数个信道愿意支付的最小金额，计算公式为：p_i＝b_j×d_i，其中，b_j是关键邻居提供的信道估价，d_i是节点的信道需求数。

步骤3、计算租用费用：获得信道的节点根据信道反馈消息对局部信息集进行更新、确定关键邻居、计算租用费用；在动态分配结束后，中心节点收集获得信道的节点应该支付的租用费用。

所述的关键邻居是指：在重新选择信道的过程中，使节点无法获得信道的反馈邻居节点。

所述的结算点在动态分配结束后进一步对不正确进行分配计算和消息传输过程的节点，实施处罚。

所述的不正确进行分配计算和消息传输是指：错误地计算可用信道集，错误地选择可用信道，不按规定融合消息，或不广播融合后的消息。

所述的处罚是指：如果节点不正确进行分配计算和消息传输，将可能破坏整个动态分配过程的有效性，因此结算点将对有这种破坏行为的节点进行一定金额的罚款。

本发明涉及一种实现上述方法的分布式频谱动态分配系统，包括：收集信道需求信息模块、选择可用信道计算租用费用反馈信息模块、计算租用费用模块以及结算认证模块，其中：收集信道需求信息模块与选择可用信道计算租用费用反馈信息模块相连并传输节点的信道需求信息和节点优先级信息，选择可用信道计算租用费用反馈信息模块与计算租用费用相连并传输节点选择的信道和费用反馈信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明解除了集中式频谱分配方法对可靠中心节点和通信信道的依赖，消除了可扩展性和鲁棒性方面的顾虑；利用无线频谱的空间可重用性，提高了资源的使用效率；设计具有防操纵性的分配机制，大大减少了节点为了做出最优决策所需的行为空间探索开销，避免了操纵行为对真实参与动态分配的节点的效用的损害，具有良好的激励性质；局部区别对待优先邻居节点与反馈邻居节点，减少了动态分配过程中的计算开销与通信开销，采用必要消息融合技术，缓解了通信冲突，具有良好的现实可行性。

附图说明

图1为本发明模块示意图。

图2为参与分布式频谱动态分配的节点在实际网络的冲突情况示意图和抽象冲突图。

图3为实施例中四个节点竞争两条信道时关于信道选择与租用费用计算过程的消息流的示意图。

图4为不同机制的总体资源分配效用的示意图。

图5为节点的通信开销的累积分布图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，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1

本实施例包括以下步骤：

步骤1、收集信道需求信息。

N个需要信道的无线节点，在竞争与合作共存的情形下，决定如何动态按需分配m个同质正交的无线信道，根据信噪比冲突图，各节点分别向邻居节点广播对信道的估价与需求数，MSGB_i＝＜BID，i，b_i，d_i＞，并收集邻居节点的消息，得到局部信息集。通过对估价信息的排序，将邻居节点划分到两个集合中：

1.1、优先邻居节点集：此类邻居节点的估价高于本节点，或与本节点相同但拥有更小的身份序列，在后续的信道选择过程中将优先于本节点选择信道；

1.2、反馈邻居节点集：此类邻居节点的估价低于本节点，或与本节点相同但拥有更大的身份序列，在后续的信道选择过程中将对本节点的选择做出反馈。

在本实例中，当两个节点同时通信时的信噪比低于阈值时，认为它们之间存在冲突关系，在网络拓扑图中用一条无向边表示，如图2所示。图2中，a₁与a₃、a₄冲突，而与a₂无冲突，因此，根据信道的空间可重用性，a₁与a₂可在同一时间使用同一信道。

步骤2、选择可用信道与计算租用费用反馈信息。

由于引入频谱空间可重用性后的频谱分配状态的优化目标在多项式时间内不可解，因此本发明选用贪心算法，将可用信道优先分配给真实估价更高的节点，即按照估价高低依次分配，具体为：根据步骤1所确定的局部节点优先级关系，各节点依次收集优先邻居节点的信道选择结果消息，在自身的可用信道集中标记并剔除已经被选的信道，避免冲突。在筛选过后的可用信道集中选择自身所需的信道，生成信道选择结果消息，

根据上述信道选择，所得到的结果分为：

2.1、获得信道：当可用信道集中可用信道数不少于信道需求数时，即节点从中按序选择前d_i个可用信道，并生成将向反馈邻居节点发起的租用费用计算请求消息，MSGP_i＝＜PAY，i＞；或者是

2.2、未获得信道：此时可用信道数小于需求数，不予分配。

对从优先邻居节点处收到的所有获得信道的节点a_k的租用费用计算请求消息做出反馈，当在a_k未曾参与动态分配过程，重新选择可用信道。此处的a_k不限于直接相邻的优先邻居节点，也包括由相邻优先邻居节点传递下来的有租用费用计算请求的间接优先邻居节点，具体为：收集优先邻居节点a_j对a_k的租用费用计算请求的反馈，更新针对a_k的重新选择可用信道集，做出自己的重新选择，或，并据此生成对a_k的租用费用计算请求的信道反馈消息，当某个优先邻居节点a_j未对a_k的租用费用计算请求做出反馈时，意味着该优先邻居节点不受a_k的影响，因此其反馈沿用初始选择的信道，

为减少通信冲突，合并所有信道反馈消息，

为进一步减少通信冲突，将信道选择结果消息、租用费用计算请求消息和信道反馈消息融合成一条消息，MSG_i←MSGC_i||MSGP_i||MSGR_i，并广播该信息，其中：MSGP_i不仅包括节点a_i的租用费用计算请求，也包括它所反馈的租用费用计算请求。

图3给出了四个节点竞争两条信道时的消息流示意图，表1给出了相应的详细的消息内容示意：

表1

根据冲突约束下的贪心分配算法，a₃最先选择信道c₁，向邻居节点广播自己的选择，并请求反馈邻居节点a₁、a₂和a₄帮助计算租用费用；a₁收到优先邻居节点a₃的消息后，更新可用信道集选择可用信道c₂，计算对a₃的反馈选择c₁，广播消息，请求反馈邻居节点a₄帮助计算租用费用；a₂的操作与a₁类似；a₄收到优先邻居节点a₁、a₂和a₃的消息，更新可用信道集没有可可用信道可供选择，计算对a₃的反馈选择c₂、对a₁的反馈选择对a₂的反馈选择广播消息。

步骤3、计算租用费用。

3.1)获得信道的节点根据反馈邻居节点的消息，根据估价的排序依次提取出信道反馈消息，更新可用信道集，首次使得可用信道数少于需求数的反馈邻居节点即为关键邻居，a_j，根据其估价b_j计算自己需要支付的租用费用，p_i＝b_j×d_i；若不存在这样的关键邻居，则租用费用为零。根据图3与表1的信道反馈消息，可以得到，p₁＝0，p₂＝0，p₃＝6。

3.2)动态分配结束后，结算点收集租用费用，并对节点的理性行为进行三方面的认证：

3.2.1)提供真实估价：由基于关键邻居的租用费用收取方式可证明节点在提供真实估价的情况下获得的效用最高，因此节点会理性地提供真实估价；

3.2.2)真实参与通信：由于各节点保存的消息能够在其至少一个邻居节点处找到副本，因此对比两节点的消息记录，可以发现通信相关的操纵行为，对违背通信规则的节点实施大力度惩罚，可防止节点的操纵行为；

3.2.3)真实计算结果：由于各节点的计算结果都与其优先邻居节点和反馈邻居节点的计算结果相辅相成，因此根据其邻居节点的计算结果可以还原出其应有的计算结果，对比之下可以发现计算相关的操纵行为，对违背计算规则的节点实施大力度惩罚，可防止节点的操纵行为。

至此，各节点合作完成分布式频谱动态分配过程，通过无冲突情况下的信道复用，提高了总体资源分配效用。

模拟实验结果

本实施实例的模拟实验计算了多个节点在本发明设计的分布式频谱动态分配过程中分配多个信道时的总体资源分配效用曲线和通信开销累积分布曲线。

在实验中，设置了基于纳什均衡的分配机制NE作为对比项。通过改变节点数和信道数，观察不同机制的总体资源分配效用。

如图4所示，不管是节点随机分布的情况(a)，还是节点聚集分布的情况(b)，总体资源分配效用曲线对比图说明本发明较之NE有更高的总体资源分配效用。原因是NE不考虑信道对不同节点的价值差异，以任意方式分配频谱，而本发明中根据节点的估价进行分配。

实验统计了本发明在不同场景中的通信开销的累积分布曲线。这里的通信开销指每个节点在动态分配过程中生成的消息量，以byte为单位计算。累积分布图可以看出相关参数对通信开销的影响，推断方法所适用场景的可扩展性。

如图5所示，(a)观察不同信道数对通信开销的影响，(b)观察不同节点数对通信开销的影响。信道越多，消息量越大，原因是更多的可用信道会让更多的节点获得信道，从而生成更多的租用费用计算请求消息和信道反馈消息；节点越多，各自产生的消息量越少，原因是过多的节点加剧了频谱竞争，使得冲突更为密集，只有较少比例的节点可以获得信道，也就减少了租用费用计算请求消息和信道反馈消息。不管是哪种情况，通信开销都在可接受的范围内。

实验结果表明，本发明提出的分布式频谱动态分配方法提高了总体资源分配效用。

Claims (8)

1.一种分布式频谱资源动态分配的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、收集信道需求信息：根据节点之间的冲突关系，即节点之间的信噪比冲突关系，各节点分别与邻居节点交换对信道的估价与需求数，得到局部信息集，并根据估价排序确定邻居节点的优先级，即可用信道使用权的先后选择顺序满足最大化总体资源分配效用；

第二步、选择可用信道与计算租用费用反馈信息，具体包括：

2.1)各节点根据局部信息集中的优先级依次从可用信道集中选择需求数个信道，生成信道选择结果消息；

2.2)获得信道的节点进一步生成租用费用计算请求消息；

2.3)各个节点对从邻居节点处收到的租用费用计算请求做出反馈，生成信道反馈消息；

2.4)获得信道的节点将信道选择结果消息、租用费用计算请求消息和信道反馈消息融合成一条消息并对邻居节点进行广播；

第三步、计算租用费用：获得信道的节点根据信道反馈消息对局部信息集进行更新、确定关键邻居、计算租用费用；在动态分配结束后，结算点收集获得信道的节点应该支付的租用费用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信噪比冲突关系是指：两个节点同时通信时的信噪比低于阈值，存在冲突的节点之间通过预定的控制信道相互通信，实现分布式频谱分配过程，即N个需要信道的各个节点，节点集合在竞争与合作共存的情形下，决定如何将m个同质正交的无线信道按需动态分配并实现最大化总体资源分配效用的优化目标。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的最大化总体资源分配效用是指：

优化目标： $\max \mathrm{imize\; SW}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{\text{=}}{\mathrm{\Σ}}_{a_i\∈W}(d_i\×v_i)$

限制条件：不能将同一信道分配给具有冲突关系的两个节点；

其中：v_i是节点a_i对信道的价值估计，d_i是a_i对信道的需求数，p_i是a_i为自己分配到的信道所需要支付的租用费用，W是所有获得信道的节点的集合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的租用费用计算请求消息是指该节点需要为获得的信道支付的租用费用，需要通过反馈邻居节点的反馈信息计算得到，因此向反馈邻居节点提出请求。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的租用费用是指该节点在此次动态分配中为获得需求数个信道愿意支付的最小金额，计算公式为：p_i＝b_j×d_i，其中，b_j是关键邻居提供的信道估价，d_i是节点的信道需求数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的关键邻居是指：未曾参与动态分配，并在重新选择信道的过程中，无法获得信道的反馈邻居节点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的结算点在动态分配结束后进一步对不正确进行分配计算和消息传输过程的节点，实施处罚，其中：

所述的不正确进行分配计算和消息传输是指：错误地计算可用信道集，错误地选择可用信道，不按规定融合消息，或不广播融合后的消息；

所述的处罚是指：如果节点不正确进行分配计算和消息传输，将可能破坏整个动态分配过程的有效性，因此结算点将对有这种破坏行为的节点进行一定金额的罚款。

8.一种实现上述任一权利要求所述方法的分布式频谱动态分配系统，其特征在于，包括：收集信道需求信息模块、选择可用信道计算租用费用反馈信息模块、计算租用费用模块以及结算认证模块，其中：收集信道需求信息模块与选择可用信道计算租用费用反馈信息模块相连并传输节点的信道需求信息和节点优先级信息，选择可用信道计算租用费用反馈信息模块与计算租用费用相连并传输节点选择的信道和费用反馈信息。