[发明专利]自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于认知无线电的自组织(Ad Hoc)网络资源分配的问题，属于无线通信中的资源分配技术领域。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio，CR)是为解决频谱资源的有效利用问题而提出的一种重要技术。认知无线电设备能够感知周围的无线环境，并根据感知到的频谱状况调整自己的发射参数(如载频，调制方式等)，从而充分利用无线频谱资源。在认知无线电系统中，认知无线电用户利用主用户未使用的频谱，从而与具有授权的主用户共享频谱。这就使得认知无线电用户可使用的频带在时间上和空间上都是动态变化的，从而给资源分配算法的设计带来了一定的难度。同时，由于Ad Hoc网络没有绝对的控制中心，所以认知无线Ad Hoc网络一般采用分布式的资源分配算法。为了实现最优资源分配，需要进行跨层资源分配。

在跨层设计方法中，需要综合利用每一层可供调整的资源进行设计，以使整个网络的资源达到最优。可以利用的资源包括物理层的功率控制和信道编码方案、MAC层的频带调度方案和网络层的路由选择方案等。若要考虑到网络层，则需要为节点之间的连接定义一个代价函数，根据该代价函数从多条路由中选择最优的一条。因而对代价函数的定义是路由选择过程中的一个关键步骤，进而如何设计代价函数也就成为整个跨层设计的一个重要方面。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种自组织认知无线网络分布式最优资源分配方法，设计出一个连接代价函数(link cost function，简称LCF)，依据该函数，对网络资源的分配进行跨层设计，通过分布式算法达到资源的优化分配。根据本发明中提出的连接代价函数LCF进行路由选择，能够使Ad Hoc网络中的多条链路通过分布式算法得到的传输速率更加接近于集中式算法得到的最优值。因而整个网络的资源就得到了优化分配。

技术方案：本发明首先提出一种频带代价函数(band cost function，简称BCF)，由频带代价函数BCF进一步定义连接代价函数LCF。通过该函数，在建立的认知无线Ad Hoc网络模型基础上，得到跨层的分布式资源分配方法。

网络中的所有节点根据本地信息进行功率控制以及频带的选择，并通过跨层设计的方法使整个网络的资源分配达到近似最优；该方法具有以下步骤：

步骤1)：每个认知节点检测周围频谱的使用情况，确认自己所能利用的频谱；

步骤2)：通过与邻居节点交换信息，确定自己的邻居以及它们所能使用的频谱，根据当前频谱的使用情况，利用所定义的频带代价函数和连接代价函数计算与邻居节点间的代价，同时告知邻居节点自己的有关信息；

步骤3)：由源节点向周围节点发出路由请求信息，中间节点收到请求信息后，对路由代价进行累加，即加上发送节点到本节点的连接代价，并与本节点存储的其它路由的代价进行比较；若当前代价小于原来的代价，则对存储的路由代价和上一节点进行更新，并向周围节点广播当前路由代价以及路由请求信息；否则丢弃请求；

步骤4)：目的节点接收到请求信息后，也对路由代价进行累加，比较累加后各路由的代价，选择其中代价最小的一条路由，并沿该路由向源节点发出结束信号，以通知源节点路由选择完毕；

步骤5)：中间节点在收到由目的节点发出的结束信号后，确定自己的下一节点以及与下一节点进行通信的频带和功率，并向上一节点转发结束信号；

步骤6)：源节点收到结束信号后，沿着选定的路由发送数据。此时即完成了功率、频带等资源的分配。

由以上资源分配过程可以看出，该方法结合了物理层(功率控制)、MAC层(频带选择)以及网络层(路由选择)，因而是一种跨层的资源分配方法。

有益效果：本发明针对频带的不同情况，给出了计算节点间连接代价的具体表达式。在资源分配的跨层设计中，根据所给出的计算连接代价的方法，利用分布式算法，得到资源的有效分配。

基于本发明的分布式跨层设计算法对网络资源的分配有如下作用：

1.为网络层的路由选择提供了一个有效依据，即能够在，路由选择过程中，综合考虑使用不同频带所能获得的速率与产生的干扰，由此选择一条较优的路由。

2.在避免节点间互相干扰的前提下，使得整个网络的频带和空间的综合利用率得到了有效提高。

3.通过功率控制，使得节点的能量得到了有效利用，这在Ad Hoc网络中显得尤为重要。

4.使得分布式跨层设计算法得到的资源分配结果更加接近于集中式算法得到的最优结果，实现了网络资源的有效分配。

具体实施方式

1网络模型与假设