认知无线电系统中一种基于图论的频谱分配方法 【技术领域】
本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中认知用户频谱分配的实现方案，属于通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多(大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用)。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。有报告显示，某些频段大部分时间里是空闲的，一些频段只是有时被占用，剩余频段则被过度使用。分配频段的利用在时空上变化范围从15％-85％，有限的可用频谱和无效的利用使得机会的利用当前存在的无线频谱资源这种新的通信范例成为必要。
造成频谱资源紧缺的主要原因是现有的频谱管理方式和频谱分配策略，现有的频谱管理机构主要采用固定分配频谱的方式将无线频谱分配给不同的无线通信系统，就是将整个无线频谱划分成各种固定带宽的大小不同的频段，同时为了避免各类有害干扰，保障各个无线接入网能够正常运行，各频谱分配算法研究频段之间预留足够的保护带宽，将各个频谱块分配给已授权的无线接入网。在固定分配方式下，即使授权用户在某一时间、地点没有使用其授权频谱，其他非授权用户也不能使用该频段，从而导致频谱资源在时间和空间上的浪费，频谱利用率低下，不适应无线通信的高速发展。
针对这种不合理的频谱使用方式，人们提出了建立频谱二级市场，对已授权频谱进行“二次利用”，以提高频谱利用率的思想。认知无线电技术的出现使得对频谱的“二次利用”成为可能，因而被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的方法之一，成为近年来研究的热点。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机”的方式工作在已授权的频段内。
在认知无线电系统中，可用频谱的数量和位置都是随时变化的，传统的频谱分配方法不再完全适用于认知无线电网络，要实现完全动态频谱分配受到很多政策、标准及接入协议的限制，因此频谱分配是认知无线电系统中的关键技术之一。
【发明内容】
技术问题：本发明的目的是提供一种认知无线电系统中一种基于图论的频谱分配方法，该方法在计算分配优先级时，将信道可用度和信道连接度综合考虑，同时引入了区域呼损率参数，降低了呼损率，提高了频谱利用率。
技术方案：本发明的认知无线电系统中一种基于图论的频谱分配方法，基于区域呼损率参数，综合考虑信道可用度和信道连接度，实现了认知无线电系统中频谱的公平分配。
在认知无线电系统的频谱分配方法中，可以将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图，图中的每一个顶点代表一个无线用户，每一条边表示边所连接着的两个顶点间存在冲突或者干扰，这两个节点不能同时使用相同的频谱。另外，将每一个顶点与一个集合相关联，这个集合代表该顶点所在区域位置可以使用地频谱资源，将集合里面的元素用不同的颜色加以表示。由于每个顶点地理位置的不同，不同顶点可以使用的频谱资源集合也是不同的，也就是可以使用的颜色是不同的。
该方法包括以下步骤：
a.根据信道空闲矩阵L＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N*M和干扰矩阵C＝{ci，j|ci，j∈{0，1}}N*N，计算节点可用的频段数目frenum(频段度目)和节点的邻居节点的数目linknum(连接度数)，其中N为网络中总的认知用户数目，M为系统中总的信道数目，ln，m＝1表示信道m对于认知用户n可用，ln，m＝0表示信道m对于认知用户n不可用，ci，j＝1表示认知用户i和认知用户j同时使用同一信道会产生干扰，而ci，j＝0表示认知用户i和认知用户j同时使用同一信道不会产生干扰；
b.计算各节点的优先级其中ConnetFailRate表示区域呼损率，选择具有最大优先级的节点进行分配，若节点具有相同的优先级，选择频段度数较小的节点进行分配，若频段数仍然相同，则随机选择；
c.确定分配节点后，在它的频段列表中，找出与其邻居具有最小干扰的频段进行分配；
d.分配此频段后，将与其具有此相同频段的邻居节点中删除此频段，更新拓扑图；
e.重新更新其他节点的信道空闲矩阵L和干扰矩阵C，返回第一步重新计算优先级，直到所有节点均分配完毕，此时第一轮分配结束；
f.当第一轮分配结束后，在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用的干扰信道，连接干扰关系仍然保持不变；
g.按照相同法则继续进行第二轮、第三轮的分配，直到在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用掉的干扰信道后，所有节点都不存在可用信道为止。
有益效果：本发明提供一种认知无线电系统中一种基于图论的频谱分配方法，该方法将信道可用度和信道连接度结合考虑，同时引入了区域呼损率参数，可以动态调节各个区域(节点)之间的平衡，在频谱公平分配的基础上，降低了呼损率，提高了频谱利用率。本发明算法简单，可以在认知无线电系统中得到广泛的应用。
【附图说明】
图1是八个节点图论着色模型拓扑图。
图2是五个节点图论着色模型拓扑图。
图3是分配节点3后更新的拓扑图。
图4是分配完节点3、2后的拓扑图。
图5是分配完节点3、2、4后的拓扑图。
【具体实施方式】
图1是一个认知无线电系统的网络拓扑结构图例。图中的八个顶点1-8代表八个不同的认知用户，系统可用的共有4个信道A、B、C和D，系统中分布了有四个主用户，即图中的用户I-IV，现假设他们分别占用了信道A、信道B、信道C和信道D。由于认知无线电择机使用授权用户暂时不用的频段进行通信，如果当前信道被授权用户使用，为了避免对授权用户的干扰，这个信道不能被处于授权用户小区中的认知用户使用。图中4个虚圆圈表示4个授权用户的干扰范围，即在圆圈范围内与授权用户使用相同的频率会对授权用户产生干扰。每个顶点旁边的括号内代表可用的频率集。举例来说，顶点1在授权用户I的干扰范围内，所以信道A对顶点1来说是不可用的，顶点2既在授权用户I的干扰范围，又在授权用户II的干扰范围内，故信道A和信道B对2来说均不可用，2可使用的频率集合为C和D所组成的集合。依次类推得出其他顶点可以使用的频率集合，如图1所标示。
图上标注的仅仅考虑了认知用户对授权用户的干扰，而没有考虑认知用户间的干扰，在具体选择哪个信道使用时顶点之间存在约束。如前所述，若在两个顶点间存在一条边，则这两个顶点不能同时使用同一频率。虽然图中顶点1可用频率的集合是(B，C，D)，顶点2可使用的频率的集合是(C，D)，但当顶点1使用频段C时，顶点2便不能使用C。同样，顶点2也受到顶点3的制约。如何在这些节点中分配这些频率，形象地说，如何给这些顶点分配不同的颜色(频谱)，便是不同的图形着色算法。
将与节点相关联的可用频段的集合中所包含的频段个数定义为“频段度数”，而顶点的邻居个数定义为“连接度数”。
本发明综合考虑了节点的连接度数和频段度数，具有较小的连接度数且频段度数较小的时候，就优先分配此节点，即连接度数和频段度数乘积的倒数决定了优先级，倒数越大，则分配信道的优先级越高，同时引入了区域呼损率，动态的调节区域信道分配的优先级，进而达到平衡。优先级算法表达式为：
priority=ConnetFailRatelinknum*frenum---(1)]]>
其中ConnetFailRate表示区域呼损率，linknum表示节点的连接度数，也就是节点邻居节点的数目，frenum表示节点的频段度数，即节点可用的频段数目。上式综合考虑了节点的连接度数和频段度数，具有较小的连接度数且频段度数较小的时候，就优先分配此节点，同时哪个区域的呼损率越高，下次分配时候会优先考虑。
本方法首先根据信道空闲矩阵L和干扰矩阵C，分别计算出各节点的频段度数和连接度数，然后根据式(1)计算出各节点的优先级，选择具有最大优先级的节点进行分配。若节点具有相同的优先级，选择频段度数较小的节点进行分配。若频段数仍然相同，则随机选择。确定分配节点后，在它的频段列表中，找出与其邻居具有最小干扰的频段进行分配。分配此频段后，将与其具有此相同频段的邻居节点中删除此频段，更新拓扑图。重新更新其他节点的信道空闲矩阵L和干扰矩阵C，返回第一步重新计算优先级。直到所有节点均分配完毕。此时第一轮分配结束。当第一轮分配结束后，在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用掉的干扰信道，连接干扰关系仍然保持不变，按照相同法则继续进行第二轮、第三轮的分配，直到在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用掉的干扰信道后，所有节点都不存在可用信道为止。
图论着色模型是将网络拓扑抽象为一幅图G(V，E，CL)，如图2所示。图中的顶点V表示无线用户，在认知无线电的着色理论模型中，用顶点表示认知用户，边E表示的是边所连接的两个顶点之间存在干扰，如果两个顶点之间存在一条边，那么这两个顶点所代表的用户则不能同时使用同一频段。另外，将每个顶点与一个集合联系起来，这个集合表示的是此刻在此位置可以使用的频率资源，每段频谱资源用颜色CL表示。由于每个顶点处于不同的地理位置，它们所关联的频率集可能也不同。此外，由于授权用户的接入迁出，每个顶点在不同时刻检测到的可用频率集可能也是不同的。
定义几个数学符号来描述图论着色模型。
(1)认知用户SU集合V
用V表示网络中所有的认知用户，N＝|V|表示的是网络中总的认知用户数目。
(2)系统中信道集合K
用K表示系统中所有的信道，M＝|K|表示的是系统中总的信道数目。
(3)信道空闲矩阵L
信道空闲矩阵L＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N*M，ln，m＝1表示信道m对于认知用户n可用；ln，m＝0表示信道m对于认知用户n不可用。
(4)干扰矩阵C
干扰矩阵C＝{ci，j|ci，j∈{0，1}}N*N，ci，j＝1表示认知用户i和认知用户j同时使用同一信道会产生干扰；而ci，j＝0表示认知用户i和认知用户j同时使用同一信道不会产生干扰。图上表现为顶点之间是否存在边。若存在边，则ci，j＝1，否则为0。
(5)无干扰的信道分配矩阵A
无干扰的子信道分配矩阵A＝{an，m|an，m∈{0，1}}N*M，an，m＝1表示信道m分配给认知用户n使用，否则an，m＝0。信道分配矩阵A必须满足干扰矩阵的限制条件：
ci,j=1⇒ai,m+aj,m≤1,]]>∀0≤i,]]>j≤N，0≤m≤M
也即存在干扰的任两个认知用户不能共用同一信道。
从图论着色模型算法可以看出，各节点的连接度数和频段度数是影响信道分配的关键因素，而分配算法又常常导致分配失衡(某些节点因为算法缺陷在信道分配中长期处于劣势，接通率低)。
先讨论连接度数和频段度数(可用信道数)对优先级的影响。分布式贪婪算法优先考虑了连接度数，连接度数小的节点在分配时具有优先权，当连接度数相等的时候再考虑频段度数。这样存在一个问题，就是当一个节点的连接度数较大的时候，而频段度数很小(比如只有一个可用信道)的情况下，这个节点一直处于劣势，有可能一直分配不到信道。这是优先考虑连接度数的缺点。而分布式公平算法是优先考虑频段度数，频段度数小的优先分配，当频段度数相同的情况下再考虑连接度数。这样也存在问题，比如一个具有较大的频段度数的节点，它的连接度数也相当大，按照分布式公平算法，它一直最后分配，有可能分配到它的时候，所有可用的频段数都分配给它的邻居了，它一直分配不到频段。所以无论是优先考虑连接度数还是优先考虑频段度数，总有些节点长期处于劣势。为了减轻这种劣势，可以综合考虑节点的连接度数和频段度数。另外本发明引入区域呼损率来影响频谱分配的优先级，如果某个区域长期分配不到信道，这个区域的呼损率就会升高，通过引入呼损率参数，可以动态的调节区域信道分配的优先级，进而达到平衡。因此定义优先级表达式为：priority=ConnetFailRatelinknum*frenum.]]>
ConnetFailRate表示区域呼损率，priority表示分配的优先级，linknum表示节点的连接度数，也就是节点邻居节点的数目，frenum表示节点的频段度数，即节点可用的频段数目。上式综合考虑了节点的连接度数和频段度数，具有较小的连接度数且频段度数较小的时候，就优先分配此节点。即连接度数和频段度数乘积的倒数决定了优先级，倒数越大，则分配信道的优先级越高。另外ConnetFailRate越大，也就意味着这个区域的呼损率越高，下次分配时候会优先考虑这个区域。
算法的具体步骤如下：
(1)根据信道空闲矩阵L＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N*M和干扰矩阵C＝{ci，j|ci，j∈{0，1}}N*N，然后分别计算出各节点的频段度数和连接度数；
(2)根据式(1)计算出各节点的优先级，选择具有最大优先级的节点进行分配，若节点具有相同的优先级，选择频段度数较小的节点进行分配，若频段数仍然相同，则随机选择；
(3)确定分配节点后，在它的频段列表中，找出与其邻居具有最小干扰的频段进行分配；
(4)分配此频段后，将与其具有此相同频段的邻居节点中删除此频段，更新拓扑图；
(5)重新更新其他节点的信道空闲矩阵L和干扰矩阵C，返回第一步重新计算优先级，直到所有节点均分配完毕，此时第一轮分配结束；
(6)当第一轮分配结束后，在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用的干扰信道，连接干扰关系仍然保持不变；
(7)按照相同法则继续进行第二轮、第三轮的分配，直到在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用掉的干扰信道后，所有节点都不存在可用信道为止。
下面以图2的拓扑结构为例，分析各节点按照此算法进行分配的结果。首先计算1-5节点的可用信道数目分别为：3，2，1，2，2；干扰节点数分别为：2，2，2，3，1；优先级分别为1/6，1/4，1/2，1/6，1/2。可以看出，节点3和节点5的优先级相同。而节点3有1个信道可用，节点5具有2个节点可用，选择节点3进行分配。将信道C分配给信道3，同时删除节点2和节点4频段列表中的信道C，即节点2和信道4的可用信道列表变为(A)和(B)。分配节点3后，删除节点3，更新的拓扑图为图3。
分配完节点3后，重新计算其余节点的优先级。节点1，2，4，5的频段度数变为3，1，1，2；连接度数分别为2，1，2，1；优先级分别为1/6，1，1/2，1/2。优先级别最大的为节点2，所以优先分配信道A给节点2。接着更新节点1的可用信道列表为(B，C)。更新后的图如图4。
分配完节点2后，重新计算其余节点的优先级。节点1，4，5的频段度数变为2，1，2；连接度数分别为1，2，1；优先级分别为1/2，1/2，1/2。1、4和5优先级相同，由于4的可用信道数为1，优先分配信道B给节点4，接着更新节点1的可用信道列表为(C)。更新后的图如图5。
分配完节点4后，重新计算其余节点的优先级。节点1，5的频段度数变为1，2；连接度数分别为0，0；优先级均为无穷大。1和5优先级相同，由于1的可用信道数为1，优先分配信道C给节点1。接着更A和C随机分配信道A给节点5。第一轮分配完毕，五个节点分配情况依次为C，A，C，B，A。
当第一轮分配结束后，在每个节点中去除已经分配给自己的信道以及邻居节点已经使用掉的干扰信道，连接干扰关系仍然保持不变，按照相同法则继续进行第二轮分配，只有节点5仍剩余一个信道C，将这个信道分配给5。至此没有了可用信道，分配结束。