CN111918296A - 分布式无线网络频谱共享系统及共享方法 - Google Patents

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CN111918296A CN202010624989.9A CN202010624989A CN111918296A CN 111918296 A CN111918296 A CN 111918296A CN 202010624989 A CN202010624989 A CN 202010624989A CN 111918296 A CN111918296 A CN 111918296A
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Abstract

一种分布式无线网络频谱共享系统及共享方法，在分布式无线网络中，节点根据任务需要被划分为若干个联盟，联盟内通信过程中，同一个联盟内的联盟成员和联盟头使用相同信道，联盟成员向联盟头发送信息，相邻联盟之间存在互扰，联盟内通信过程结束后进入联盟间通信过程，联盟头利用部分重叠信道进行信息交互，通过空间自适应行动学习算法，以分布式的频谱共享方法实现全网通信效率最大化。本发明能够在节点只有一个收发信机且不进行信道切换的情况下同时实现联盟内和联盟间通信，降低了对节点负载的需求和硬件生产开销，提升了网络稳定性。

Description

分布式无线网络频谱共享系统及共享方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种分布式无线网络频 谱共享系统及共享方法，尤其涉及一种基于联盟划分和部分重叠信道 的分布式无线网络频谱共享系统及共享方法。
背景技术
分布式无线网络作为近几年通信领域发展较快的技术，受到越来 越多的关注。分布式无线网络的前身是AdHoc网络，起源于1972年 美国DAPRA提出的分组无线网(PRNET)，是由一组具有无线收发装置 的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统。随着研究的不断深入 以及AdHoc网络应用的扩展，衍生出了无线传感器网络和无线Mesh 网络，它们也采用分布式、自组织组网思想。分布式无线网络中，节 点可能会根据任务需要被划分为若干个联盟，如传感网络中的传感器、 蜂群系统中的无人机等。每一个联盟包括一个联盟头和若干个联盟成 员，联盟头负责所在联盟的节点调度和资源分配。此类网络中的通信 分为联盟间通信和联盟内通信。其中，联盟间通信指联盟头之间交互 信息；联盟内通信包括联盟成员之间交互信息、联盟成员向联盟头发 送信息和联盟头向联盟成员发送信息。由于频谱资源有限，联盟内通 信过程中会存在联盟间干扰，因此相邻联盟倾向于选择正交信道。同 时，为实现联盟间通信，信源联盟头和信宿联盟头需要工作在同一个 信道上。联盟头如何通过信道选择在实现联盟间通信的同时尽量避免 联盟间干扰是一个亟需解决的问题，解决这个问题通常有以下几种方 法：
1)为联盟头配备多个收发信机，一个用于联盟间通信，一个用 于联盟内通信，两个收发信机工作于不同信道；
2)为联盟头配备一个多协议收发信机，内置多个通道；
3)为联盟头配备一个收发信机，联盟头在多个信道上切换。以 上几种方法存在的缺点如下：
1)对联盟头的载荷要求较大，不适用于载荷受限的设备，如有 关无人机的现有技术的公开文献，参见：M.Mozaffari,W.Saad,M. Bennis,et al.,“ATutorial on UAVs forWireless Networks:Applications, Challenges,and Open Problems,”IEEECommunications Surveys and Tutorials,vol.21,no.3,pp.2334-2360,2019；A.Fotouhi,H.Qiang,M. Ding,et al.,“Survey on UAV Cellular Communications:PracticalAspects,Standardization Advancements,Regulation,and Security Challenges,”IEEECommunications Surveys and Tutorials,vol.21,no. 4,pp.3417-3442,2019.；
2)硬件生产开销较于传统收发信机较大；
3)产生额外能量开销，且可能造成时延甚至通信中断，这样的 现有技术的公开文献，参见：S.Agarwal and S.De,“Impact of Channel Switching in Energy ConstrainedCognitive Radio Networks,”IEEE Communications Letters,vol.19,no.6,pp.977-980,2015；T.Le,C. Szepesvari and R.Zheng,“Sequential Learning for Multi-ChannelWireless Network Monitoring with Channel Switching Costs,”IEEE Transactionson Signal Processing,vol.62,no.22,pp.5919-5929,2014.。 由此就需要找到一种稳健且开销低的通信方法。
利用部分重叠信道(partially overlapping channel,POC)能够实现 相邻信道上的通信，从而能够解决以上问题。具体的，较于所有联盟 工作于同一个信道，相邻联盟工作于POC能够减少互扰；同时，较 于所有联盟工作于正交信道，相邻联盟工作于POC能够实现联盟间 通信。现有利用POC该特性的研究大多针对扁平网络中的物理层设 计，这种现有技术的方法，可以参见：A.Mishra,E.Rozner,S.Banerjee, “Exploiting PartiallyOverlapping Channels in Wireless Networks: Turning a Peril into anAdvantage,”in Proc.2005ACM SIGCOMM；J. Lim,K.Naito,J.Yun,et al.,“RevisitingOverlapped Channels:Efficient Broadcast in Multi-channel Wireless Networks,”in Proc.2015IEEE INFOCOM,pp.1984-1992；J.Lim,K.Naito,J.Yun,et al.,“ExploitingOverlapped Bands for Efficient Broadcast in Multichannel Wireless Networks,”IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.66,no.5, pp.4355-4370,2017.，但是这种现有技术尚未考虑基于联盟划分的分 布式无线网络中的频谱共享方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种分布式无线网络频谱共享系 统及共享方法，有效避免了现有技术中尚未考虑基于联盟划分的分布 式无线网络中的频谱共享方法的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种分布式无线网络 频谱共享系统及共享方法的解决方案，具体如下：
一种分布式无线网络频谱共享系统，包括分布式无线网络，所述 分布式无线网络中共有A个部分重叠信道，其集合为
Figure BDA0002565838270000031
相 邻信道的中心频率间隔为fτ，所述分布式无线网络共有H个联盟，其 集合为
Figure BDA0002565838270000032
定义联盟
Figure BDA0002565838270000033
的邻居为能收到其联盟头消息且 其在联盟内通信过程中会与产生互扰的联盟，集合为
Figure BDA0002565838270000034
联盟h中的 成员集合为
Figure BDA0002565838270000035
成员数为
Figure BDA0002565838270000036
成员
Figure BDA0002565838270000037
需要上传的信息量为
Figure BDA0002565838270000038
mh,k表示联盟h中的第k个成员。
所述分布式无线网络内所有联盟的联盟内通信时长均为T1，则联 盟h中每个成员向联盟头发送信息的时长为
Figure BDA0002565838270000041
联盟内通信过程结 束后整个分布式无线网络进入联盟间通信过程，各个联盟头有专属长 度为T2的时间向其邻居的联盟头进行广播，这里A、h、k和H均为正 整数。
所述分布式无线网络频谱共享系统的共享方法，具体包括如下步 骤：
步骤1，在联盟内通信过程中，同一个联盟内的联盟成员和联盟 头使用相同信道，联盟成员
Figure BDA0002565838270000042
上传的吞吐量为
Figure BDA0002565838270000043
其中，B为所述相同信道的带宽，
Figure BDA0002565838270000044
为 联盟h中成员的发送功率，
Figure BDA0002565838270000045
为联盟的第k个成员mh,k与联盟头h之 间的信道增益，N0为背景噪声，
Figure BDA0002565838270000046
为作为邻居的联盟g对 联盟h产生的联盟间干扰，
Figure BDA0002565838270000047
为联盟g中成员的发送功率，
Figure BDA0002565838270000048
为联 盟g的联盟头与联盟h的联盟头之间的信道增益，Hgh为联盟g和联盟 h所用信道的重叠度，mh,k上传的信息量为
Figure BDA0002565838270000049
联盟头h收 集的信息量为
Figure BDA00025658382700000410
步骤2，在联盟间通信过程中，联盟头不用使用相同信道，联盟 h的联盟头传输给其作为邻居的联盟
Figure BDA00025658382700000411
的联盟头的吞吐量为
Figure BDA00025658382700000412
其中，B为联盟h和联盟
Figure BDA00025658382700000413
之间的信 道带宽，
Figure BDA00025658382700000414
为联盟h的联盟头广播的发送功率，
Figure BDA00025658382700000415
为联盟h的联盟 头与联盟
Figure BDA0002565838270000051
的联盟头g之间的信道增益，Hhg为联盟h的联盟头与 联盟
Figure BDA0002565838270000052
的联盟头g所用信道的重叠度，N0为背景噪声，作为邻居 的联盟
Figure BDA0002565838270000053
的联盟头收到联盟头h的信息量为
Figure BDA0002565838270000054
联盟h的 联盟头成功广播的信息量为
Figure BDA0002565838270000055
步骤3，将联盟h的通信效率定义为
Figure BDA0002565838270000056
全网通信效 率定义为
Figure BDA0002565838270000057
步骤4，通过空间自适应行动学习算法，以分布式的部分重叠信 道共享方法实现全网通信效率最大化。
进一步地，所述步骤1和步骤2中所述的信道的重叠度，具体如 下而得：
设定作为信源的联盟h的联盟头和作为信宿的联盟
Figure BDA0002565838270000058
的联盟 头所用信道分别为ah和ag，
Figure BDA0002565838270000059
信源的信号功率谱密度表示为 Sh(f)，信宿的带通滤波器频率响应为Sg(f)，信道ah和ag的信道距离 为|ah-ag|，中心频率间隔为δhg＝fτ·|ah-ag|，则信道的重叠度可表示为
Figure BDA00025658382700000510
进一步地，步骤4中所述的空间自适应行动学习算法，具体如下：
步骤4.1，初始化状态下，联盟h，
Figure BDA00025658382700000511
的联盟头将信道选择 概率设为
Figure BDA00025658382700000512
并随机选择一个信道ah(0)；
步骤4.2，在第k次迭代中，随机选择一个联盟h更新信道选择， 其余联盟保持当前信道选择，其中，k是正整数且1≤k≤Kmax，Kmax是 正整数且为最大迭代次数；
步骤4.3，按照公式(1)更新各个信道的选择概率，并依概率选 择信道：
Figure BDA0002565838270000061
其中，β为学习参数，
Figure BDA0002565838270000062
为联盟h的效用函数。
本发明的有益效果为：
(1)在为节点只配备一个收发信机且无需信道切换的条件下， 能够在实现联盟间通信的同时降低联盟内通信过程中产生的互扰；
(2)与为节点配备多个收发信机的方式相比，能够降低对节点 负载的需求；
(3)与为节点配备一个多协议收发信机的方式相比，能够降低 硬件生产开销；
(4)与为节点配备一个收发信机，节点在多个信道上切换的方 式相比，能够降低能量开销。
附图说明
图1是利用部分重叠信道实现基于联盟划分的分布式无线网络 通信示意图。
图2是本发明实施例中的网络结构示意图。
图3是本发明实施例中的学习算法对比图。
图4是本发明实施例中不同联盟内通信时长下的收敛结果对比 图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
所述分布式无线网络的一种示例如图1所示，图1中联盟1-联盟 4分别工作于信道1、信道2、信道3和信道1上，其中，联盟1的 邻居为联盟2和联盟3，联盟2的邻居为联盟1和联盟4，联盟3的 邻居为联盟1和联盟4，联盟4的邻居为联盟2和联盟3，信道1、 信道2和信道3为部分重叠信道，各个联盟内的成员与其联盟头工作 于同一信道上，如联盟头1和联盟成员1,1、1,2,、1,3均工作于信道 1上，联盟内通信过程中，由于相邻联盟工作于部分重叠信道而非相 同信道，联盟间互扰降低，同时，由于邻居联盟头工作于部分重叠信 道而非正交信道，可实现信息交互，且无需在联盟内通信过程结束后 进行信道切换。在分布式无线网络中，节点可能会根据任务需要被划 分为若干个联盟，如传感网络中的传感器、蜂群系统中的无人机等。 每一个联盟包括一个联盟头和若干个联盟成员，联盟头负责所在联盟 的节点调度和资源分配。此类网络中的通信分为联盟间通信和联盟内 通信。其中，联盟间通信指联盟头之间交互信息；联盟内通信包括联 盟成员之间交互信息、联盟成员向联盟头发送信息和联盟头向联盟成 员发送信息。
一种分布式无线网络频谱共享系统，包括分布式无线网络，所述 分布式无线网络中共有A个部分重叠信道，其集合为
Figure BDA0002565838270000071
相 邻信道的中心频率间隔为fτ，所述分布式无线网络共有H个联盟，其 集合为
Figure BDA0002565838270000072
定义联盟
Figure BDA0002565838270000073
的邻居为能收到其联盟头消息且 其在联盟内通信过程中会与产生互扰的联盟，集合为
Figure BDA0002565838270000074
联盟h中的 成员集合为
Figure BDA0002565838270000075
成员数为
Figure BDA0002565838270000076
成员
Figure BDA0002565838270000077
需要上传的信息量为
Figure BDA0002565838270000078
mh,k表示联盟h中的第k个成员。
所述分布式无线网络内所有联盟的联盟内通信时长均为T1，则联 盟h中每个成员向联盟头发送信息的时长为
Figure BDA0002565838270000081
联盟内通信过程结 束后整个分布式无线网络进入联盟间通信过程，各个联盟头有专属长 度为T2的时间向其邻居的联盟头进行广播，这里A、h、k和H均为正 整数。
所述分布式无线网络频谱共享系统的共享方法，具体包括如下步 骤：
步骤1，在联盟内通信过程中，同一个联盟内的联盟成员和联盟 头使用相同信道，联盟成员
Figure RE-GDA0002703807670000086
上传的吞吐量为
Figure RE-GDA0002703807670000087
其中，B为所述相同信道的带宽，
Figure RE-GDA0002703807670000088
为 联盟h中成员的发送功率，
Figure RE-GDA0002703807670000089
为联盟的第k个成员mh,k与联盟头h之 间的信道增益，N0为背景噪声，
Figure RE-GDA00027038076700000810
为作为邻居的联盟g对 联盟h产生的联盟间干扰，
Figure RE-GDA00027038076700000811
为联盟g中成员的发送功率，
Figure RE-GDA00027038076700000812
为联 盟g的联盟头与联盟h的联盟头之间的信道增益，Hgh为联盟g和联盟 h所用信道的重叠度，mh,k上传的信息量为
Figure RE-GDA00027038076700000813
联盟头h收 集的信息量为
Figure RE-GDA00027038076700000814
步骤2，在联盟间通信过程中，联盟头不用使用相同信道，联盟 h的联盟头传输给其作为邻居的联盟
Figure BDA00025658382700000811
的联盟头的吞吐量为
Figure BDA0002565838270000091
其中，B为联盟h和联盟
Figure BDA0002565838270000092
之间的信 道带宽，
Figure BDA0002565838270000093
为联盟h的联盟头广播的发送功率，
Figure BDA0002565838270000094
为联盟h的联盟 头与联盟
Figure BDA0002565838270000095
的联盟头g之间的信道增益，Hhg为联盟h的联盟头与 联盟
Figure BDA0002565838270000096
的联盟头g所用信道的重叠度，N0为背景噪声，作为邻居 的联盟
Figure BDA0002565838270000097
的联盟头收到联盟头h的信息量为
Figure BDA0002565838270000098
联盟h的 联盟头成功广播的信息量为
Figure BDA0002565838270000099
步骤3，将联盟h的通信效率定义为
Figure BDA00025658382700000910
全网通信效 率定义为
Figure BDA00025658382700000911
步骤4，通过空间自适应行动学习算法，以分布式的部分重叠信 道共享方法实现全网通信效率最大化。
所述步骤1和步骤2中所述的信道的重叠度，具体如下而得：
设定作为信源的联盟h的联盟头和作为信宿的联盟
Figure BDA00025658382700000912
的联盟 头所用信道分别为ah和ag，
Figure BDA00025658382700000913
信源的信号功率谱密度表示为 Sh(f)，信宿的带通滤波器频率响应为Sg(f)，信道ah和ag的信道距离 为|ah-ag|，中心频率间隔为δhg＝fτ·|ah-ag|，则信道的重叠度可表示为
Figure BDA00025658382700000914
步骤4中所述的空间自适应行动学习算法，具体如下：
步骤4.1，初始化状态下，联盟h，
Figure BDA00025658382700000915
的联盟头将信道选择 概率设为
Figure BDA00025658382700000916
并随机选择一个信道ah(0)；
步骤4.2，在第k次迭代中，随机选择一个联盟h更新信道选择， 其余联盟保持当前信道选择，其中，k是正整数且1≤k≤Kmax，Kmax是 正整数且为最大迭代次数；
步骤4.3，按照公式(1)更新各个信道的选择概率，并依概率选 择信道：
Figure BDA0002565838270000101
其中，β为学习参数，
Figure BDA0002565838270000102
为联盟h的效用函数。
以下用实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
为了直观说明本发明的有益效果，对本发明的方法进行了如下仿 真实验，系统仿真采用Matlab软件，参数设定不影响一般性。
仿真参数设定如下：一个12000m×9600m的网络中有12个联盟，每 个联盟中有1个联盟头和8个联盟成员，联盟成员发送功率均为0.1W， 所需上传信息量均为1024×103bit，联盟头发送功率均为0.3W，联盟内 通信时长为T1＝0.25，联盟间通信时长为T2＝0.35，邻居范围为 4.195×3130，背景噪声N0＝-90dBm，共有6个802.11b部分重叠信道， 每个信道带宽B＝22MHz，相邻信道中心频率间隔fτ＝5MHz，信源x与 信宿y在相同信道上通信时的信道增益为
Figure BDA0002565838270000103
其中，dxy为两者之间的物理距离， fc＝2.4GHz为载波频率，当信源x与信宿y信道距离为0-5时，对应的 信道重叠度为
Figure BDA0002565838270000104
网络拓扑如图2所示， 三角形表示联盟头，联盟头上方数字表示联盟的序号，圆点表示联盟 成员，圆圈表示联盟的范围，联盟头之间的实线表示邻居关系。所提 空间自适应行动学习算法中学习参数设为β＝1.2×k(k为迭代次数)。
基于图2所示的网络环境，各个联盟头自组织地执行空间自适应 行动学习算法，收敛效果如图3所示。所示结果为1000次独立仿真 的结果取平均所得。可以看出，由于空间自适应行动学习算法依概率 进行信道选择的更新，而最优响应学习算法在每次迭代中总是选择当 前最优信道，易陷入局部最优，所提算法能收敛到更好的结果。
基于图2所示的网络环境，图4给出了不同联盟内通信时长下所 提方法(各节点配备一个收发信机且不进行切换，工作于部分重叠信 道上)与对比方法所得结果(各节点配备多收发信机或进行切换，联 盟内通信过程中相邻联盟工作于正交信道，即不存在联盟间干扰，联 盟间通信工程中，联盟头工作于相同信道上)。所示结果为1000次独 立仿真的结果取平均所得。可以看出，所提方法在部分情况下能够获 得比对比方法更高的全网通信效率，而在效率较低时也能够在硬件开 销和维持网络稳定性方面保持优势。
结合仿真实验可以看出，本发明所述分布式无线网络频谱共享系 统的共享方法能够在节点只有一个收发信机且不切换的情况下同时 实现联盟内和联盟间通信，降低了对节点负载的需求和硬件生产开销， 提升了网络稳定性。
以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应 当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的 情况下，可以做出各种变化、改变和替换。

Claims (5)

1.一种分布式无线网络频谱共享系统，其特征在于，包括分布式无线网络，所述分布式无线网络中共有A个部分重叠信道，其集合为
Figure FDA0002565838260000011
相邻信道的中心频率间隔为fτ，所述分布式无线网络共有H个联盟，其集合为
Figure FDA0002565838260000012
定义联盟
Figure FDA0002565838260000013
的邻居为能收到其联盟头消息且其在联盟内通信过程中会与产生互扰的联盟，集合为
Figure FDA0002565838260000014
联盟h中的成员集合为
Figure FDA0002565838260000015
成员数为
Figure FDA0002565838260000016
成员
Figure FDA0002565838260000017
需要上传的信息量为
Figure FDA0002565838260000018
mh,k表示联盟h中的第k个成员。
2.根据权利要求1所述的分布式无线网络频谱共享系统，其特征在于，所述分布式无线网络内所有联盟的联盟内通信时长均为T1，则联盟h中每个成员向联盟头发送信息的时长为
Figure FDA0002565838260000019
联盟内通信过程结束后整个分布式无线网络进入联盟间通信过程，各个联盟头有专属长度为T2的时间向其邻居的联盟头进行广播，这里A、h、k和H均为正整数。
3.一种分布式无线网络频谱共享系统的共享方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，在联盟内通信过程中，同一个联盟内的联盟成员和联盟头使用相同信道，联盟成员
Figure FDA00025658382600000110
上传的吞吐量为
Figure FDA00025658382600000111
其中，B为所述相同信道的带宽，
Figure FDA00025658382600000112
为联盟h中成员的发送功率，
Figure FDA00025658382600000113
为联盟的第k个成员mh,k与联盟头h之间的信道增益，N0为背景噪声，
Figure FDA00025658382600000114
为作为邻居的联盟g对联盟h产生的联盟间干扰，
Figure FDA00025658382600000115
为联盟g中成员的发送功率，
Figure FDA00025658382600000116
为联盟g的联盟头与联盟h的联盟头之间的信道增益，Hgh为联盟g和联盟h所用信道的重叠度，mh,k上传的信息量为
Figure FDA0002565838260000021
联盟头h收集的信息量为
Figure FDA0002565838260000022
步骤2，在联盟间通信过程中，联盟头不用使用相同信道，联盟h的联盟头传输给其作为邻居的联盟
Figure FDA0002565838260000023
的联盟头的吞吐量为
Figure FDA0002565838260000024
其中，B为联盟h和联盟
Figure FDA0002565838260000025
之间的信道带宽，
Figure FDA0002565838260000026
为联盟h的联盟头广播的发送功率，
Figure FDA0002565838260000027
为联盟h的联盟头与联盟
Figure FDA0002565838260000028
的联盟头g之间的信道增益，Hhg为联盟h的联盟头与联盟
Figure FDA0002565838260000029
的联盟头g所用信道的重叠度，N0为背景噪声，作为邻居的联盟
Figure FDA00025658382600000210
的联盟头收到联盟头h的信息量为
Figure FDA00025658382600000211
联盟h的联盟头成功广播的信息量为
Figure FDA00025658382600000212
步骤3，将联盟h的通信效率定义为
Figure FDA00025658382600000213
全网通信效率定义为
Figure FDA00025658382600000214
步骤4，通过空间自适应行动学习算法，以分布式的部分重叠信道共享方法实现全网通信效率最大化。
4.根据权利要求3所述的分布式无线网络频谱共享系统的共享方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中所述的信道的重叠度，具体如下而得：
设定作为信源的联盟h的联盟头和作为信宿的联盟
Figure FDA00025658382600000215
的联盟头所用信道分别为ah和ag，ah，
Figure FDA00025658382600000216
信源的信号功率谱密度表示为Sh(f)，信宿的带通滤波器频率响应为Sg(f)，信道ah和ag的信道距离为|ah-ag|，中心频率间隔为δhg＝fτ·|ah-ag|，则信道的重叠度可表示为
Figure FDA0002565838260000031
5.根据权利要求3所述的分布式无线网络频谱共享系统的共享方法，其特征在于，步骤4中所述的空间自适应行动学习算法，具体如下：
步骤4.1，初始化状态下，联盟h，
Figure FDA0002565838260000032
的联盟头将信道选择概率设为
Figure FDA0002565838260000033
并随机选择一个信道ah(0)；
步骤4.2，在第k次迭代中，随机选择一个联盟h更新信道选择，其余联盟保持当前信道选择，其中，k是正整数且1≤k≤Kmax，Kmax是正整数且为最大迭代次数；
步骤4.3，按照公式(1)更新各个信道的选择概率，并依概率选择信道：
Figure FDA0002565838260000034
其中，β为学习参数，
Figure FDA0002565838260000035
为联盟h的效用函数。
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