[发明专利]认知无线电网络中基于拓扑控制的频谱资源分配方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种认知网络中针对拓扑控制的频谱资源的分配方法。 

背景技术

由于无线设备的大量应用和无线产业的蓬勃发展，作为信息载体的频谱资源被过度使用的情况越来越严重。这一问题在未授权频段上尤为显著，但授权频段却常常未被充分利用。认知无线电被认为是一种具备解决这一问题能力的先进技术。在认知无线电技术中，次级用户（SU,secondary user）可以在主用户（PU,primary user）不使用授权频带的时候动态地接入频带。而次级用户通信的主要前提是次级通信不应该对主用户通信带来过度干扰，于是，在次级用户正在进行通信的同时，主用户尝试接入频谱，可能对主用户施加干扰的次级用户需要立即放弃频谱的使用权。在大多数情况下，我们可以用一个自组织网络来刻画次级用户间的通信。当一部分次级用户放弃接入频谱时，次级用户之间的通信将会受到严重影响。首先，由于主用户通常具有较强的通信功率，其发射天线的通信覆盖范围较大，使得他们可以影响许多次级用户的数据链路。其次，这种影响可能造成一些特定的数据链路停止工作，引起网络分离，即网络的连通性遭到破坏。在这种情况下，次级用户间通信的服务质量（QoS）将会严重下降。所以，我们需要合理地设计次级用户网络中的频带分配策略。 

由于主用户对于次级网络干扰的最主要体现在与次级用户间的数据链路的断开，拓扑控制成为许多之前的工作用以解决这一问题的主要工具。拓扑控制的主要目的在于设计一种将频带分配给数据链路的策略，使得网络容量得到优化的同时，减小乃至消除网络分离的风险。关于拓扑控制的相关工作可以参看文章“Interference-aware topology control and QoS routing in multi-channel wireless mesh networks”（针对无线自组织网络的涉及干扰的拓扑控制以及面向服务质量的路由，ACM Mobihoc2005）以及“Robust Topology Control in Multi-hop Cognitive Radio Networks”（针对多跳认知无线电网络的鲁棒拓扑控制，IEEE INFOCOM2012）。 在目前的工作中，利用K-连通图作为支持网络拓扑的基础结构，可以兼顾网络的鲁棒性和降低次级用户数据链路之间的相互干扰。然而，K-连通图无法保证次级用户能完全防止网络分离。在完全保证连通性的基于鲁棒性检测的拓扑控制机制中，过多的频带被分配了不同的数据链路，网络中的同道干扰现象十分严重，影响网络容量。 

因此，对于认知网络中频谱资源的分配及网络拓扑控制而言，目前亟待解决的一大问题是如何在完全避免网络分离问题的同时，优化网络性能，提高效率。 

发明内容

本发明解决的问题是提供一种运算复杂度低、兼顾认知无线电中次级网络的鲁棒性和网络容量的频谱分配和拓扑控制算法。 

为解决上述技术问题，本发明提供了一种认知无线电网络中基于拓扑控制的频谱资源分配方法，包括步骤：执行一个静态分配步骤A和一个动态分配步骤B，其中，所述静态分配步骤的执行周期长于所述动态分配步骤的执行周期； 

所述静态分配步骤包括如下步骤： 

步骤A1：利用近似算法寻找最大节点度最小的生成树，根据生成树向网络中的链路分配频带，从而使两棵生成树工作在不同频带上； 

步骤A2：向与节点相关的最小割集分配附加频带； 

所述动态分配步骤包括如下步骤： 

步骤B1：获取当前网络流分布情况； 

步骤B2：根据分布情况改变频带分配结构，使频带分配结构满足当前的通信需求。 

优选地，用于寻找最大节点度最小的生成树的近似算法是避免引入圈的贪婪算法。 

优选地，步骤A1包括如下步骤： 

对于每个边给于权值，该权值能够在步骤A1执行过程中变化，具体而言： 

w_i＝c_i+1   （式一） 

其中，w_i为边i的权值，c_i为与边i相邻的边中已经被选入生成树的边的个数。 

在每一步向网络中的链路分配频带中，在不引入圈的前提下选择w_i最小的边加入生成树。 

优选地，所述步骤A2包括如下步骤：