[发明专利]认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法

摘要

本发明公开了一种认知Ad Hoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，主要解决现有技术中多个主用户占用信道时次用户网络的割裂和次用户相互干扰的问题。其实现过程为：1.网络中的每个节点先后广播两次HELLO包，并接收初始邻节点的HELLO包，建立局部两跳拓扑子图；2.基于局部两跳拓扑子图，构建最短路径树，并根据最短路径树构建可保证次用户连通的局部生成子图；3.根据局部生成子图中的一跳邻节点调整发射功率并确定每个节点的逻辑邻节点；4.由网络中的所有节点以及节点与其逻辑邻节点间的链路构成全网拓扑，并进行信道选择。本发明能保证次用户网络连通，消除次用户干扰，节约信道资源，可用于认知Ad Hoc网络。

主权项

1.认知Ad Hoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，包括如下步骤：(1)初始化网络为k点连通，k≥2，网络中每个节点u分别获得一跳和两跳邻接点的序列号和位置信息，即网络中每个节点u以最大发射功率P_max向位于距离自己传输半径范围内的所有节点分别广播一次第一节点信息HELLO‑1包和第二节点信息HELLO‑2包，并接收一跳邻节点发送的HELLO‑1包和HELLO‑2包，该HELLO‑1包中包括u节点的序列号和位置信息，HELLO‑2包中含有u的所有一跳邻节点的序列号和位置信息；(2)根据步骤(1)中的序列号和位置信息建立局部两跳拓扑子图并计算中任意两个有连接关系的节点x,y之间的链路能耗权重w_p(x,y)和链路距离权重w_d(x,y)：(2a)每个节点u根据接收的一跳邻节点的第一节点信息HELLO‑1包和第二节点信息HELLO‑2包，获取并记录该HELLO‑1包和HELLO‑2包中节点的序列号和位置信息，这些邻节点构成两跳邻节点集其中所述HELLO‑1包中包括u节点的序列号和位置信息，所述HELLO‑2包中含有u的所有一跳邻节点的序列号和位置信息；(2b)每个节点u根据自己的位置信息以及两跳邻节点的位置信息，计算任意两个节点x,y之间直接传输所需要的最小发射功率其中，β为接收信噪比门限值，根据接收机的灵敏度和误码率要求确定，α为路径损耗因子，d_x,y是节点x,y之间的欧式距离，若P_x,y小于节点的最大发射功率P_max，则确定节点x,y之间存在连接关系；否则，节点x,y之间不存在连接关系；(2c)每个节点u根据两跳邻节点之间的连接关系，建立局部两跳拓扑子图其中局部拓扑子图的节点集合为局部拓扑子图的边集合为:即对于中的任意两个节点当时，边(2d)根据局部两跳拓扑子图，计算每个节点u中任意两个有连接关系的节点x,y之间的链路能耗权重：w_p(x,y)＝P_x,y，其中，P_x,y为任意两个有连接关系的节点x,y之间直接传输所需要的最小发送功率；(2e)根据欧式距离，计算节点u中任意两个有连接关系的节点x,y之间的距离权重：w_d(x,y)＝d_x,y，其中，d_x,y是任意两个有连接关系的节点x,y之间的欧氏距离；(3)网络中每个节点u构建局部生成子图S_u：(3a)初始化每个节点局部生成子图S_u的节点集合V(S_u)为局部两跳拓扑子图中的所有节点，初始化每个节点局部生成子图S_u的边集合E(S_u)为空集；(3b)基于局部两跳拓扑子图每个节点u根据链路能耗权重w_p(x,y)，构建以u为根，遍及局部两跳拓扑子图中所有节点的最短路径树T_u＝(V(T_u),E(T_u))，其中为局部两跳拓扑子图中的所有节点，E(T_u)为构成最短路径树的所有边，并将这些边记录到局部生成子图的边集合E(S_u)中，即E(S_u)＜＝E(T_u)∪E(S_u)；(3c)网络中的每个节点u根据最短路径树T_u找到与自己冲突的节点，构成冲突节点集合CN_u，并根据CN_u和构建冲突子图CS_u＝(V(CS_u),E(CS_u))，其中V(CS_u)＝CN_u，(3d)判断冲突子图CS_u是否为k‑1点连通：若是，则将CS_u放入到冲突子图集合{CS_u}中；否则，在局部两跳拓扑子图中构建k‑1点连通冲突子图令即将放入到冲突子图集合{CS_u}中；所述构建k‑1点连通冲突子图的步骤如下：(3d1)根据的冲突节点集合CN_u，添加冲突节点v的邻节点x和节点对(v,x)所连接的边E(v,x)到中，形成其中v∈CN_u；(3d2)判断是否与k‑1点连通：若成立，令否则，返回到步骤(3d1)；(3e)判断k‑1≥2是否成立：若成立，则执行步骤(3f)，否则，跳到步骤(3m)；(3f)初始化i＝2，其中i表示冲突子图处于第i层；(3g)初始化j＝1，其中j表示冲突子图CS_u中第j个冲突节点；(3h)令其中{CS_u}_j表示在冲突子图CS_u的第j个节点的冲突子图，表示第i‑1层冲突子图；(3i)对于所有的节点在中找到相应的冲突节点集合CN_uv，根据CN_uv和构建第i层冲突子图其中的节点集边集(3j)判断是否为k‑i点连通冲突子图：若成立，则将并入到冲突子图集合{CS_u}中，否则，构建k‑i点连通冲突子图令并将并入到集合{CS_u}中；所述构建k‑i点连通冲突子图的步骤如下：(3j1)根据的冲突节点集合CN_uv，添加冲突节点w的邻节点x和节点对(w,x)所连接的边E(w,x)到中，形成其中w∈CN_uv；(3j2)判断是否k‑i点连通：若成立，则令否则返回到步骤(3j1)；(3k)判断j是否满足j＝|{CS_u}|：若成立，执行步骤(3l)，否则，j＝j+1，跳到步骤(3h)；(3l)判断i是否满足i＝k‑1：若成立，执行步骤(3m)，否则，i＝i+1，跳到步骤(3g)；(3m)对集合{CS_u}中的所有冲突子图利用分布式二信道连通算法DBCC构建生成子树S_u＝(V(S_u),E(S_u))，其中V(S_u)表示S_u的节点集，E(S_u)表示S_u的边集，按如下步骤进行：(3m1)对于集合{CS_u}中的每个冲突子图构造相应的局部生成子图T_u'＝(V(T_u'),E(T_u'))；(3m2)更新局部生成子图S_u的边集E(S_u)，即E(S_u)＜＝E(T_u')∪E(S_u)，更新局部生成子图S_u的边集V(S_u)，即V(S_u)＜＝V(T_u')∪V(S_u)，并将节点V(T_u')记录到逻辑冲突邻居集LCN_uv中，即LCN_uv＝V(T_u')，然后节点u通过洪泛的方式把LCN_uv和E(S_u)的拓扑信息发送给S_u中的所有节点；(3n)每个节点u根据其他节点发来的拓扑信息更新自己的局部生成子图S_u和逻辑冲突邻居集LCN_uv，将局部生成子图S_u上的一跳邻节点v作为逻辑邻节点，并构成逻辑邻节点集：LCN_u＝{v∈V(S_u)|(u,v)∈E(S_u)}；(3p)更新边集信息E(S)＝E(S)∪E(S_u)，更新逻辑邻节点信息LCN_u＝V(S_u)，其中E(S)表示网络中所有节点生成总的生成图的边集，LCN_u表示节点u的逻辑邻节点集合；(4)网络中每个节点u确定自己的发射功率，即将发射功率调整为能够覆盖到所有逻辑邻节点所需要的最小功率：(5)将网络中的所有节点以及每个节点与自己的逻辑邻节点间的链路组合起来，构成最终的全网拓扑，即G＝(V(G),E(G))，其中V(G)为网络中所有节点，E(G)＝{(u,v)|u∈V(G),v∈LCN_u}，其中E(G)表示网络G中的边集；(6)使用贪婪染色算法对已构建的最终全网拓扑中的每个节点u进行信道分配，按如下步骤进行：(6a)节点u向逻辑冲突邻居集LCN_u中的所有节点用最大发送功率通过洪泛的方式在公共控制信道上发送请求分配信道包RAC；(6b)逻辑冲突邻居集LCN_u中的节点在收到RAC包后，用最大发送功率通过单播的方式把回馈信道分配包AC发给节点u，告知已经选择的信道；(6c)节点u收集所有LCN_u中的节点回馈的AC包，并从还未被占用的信道中选择主用户占用概率最小的信道，作为自己的可用信道。