专利名称：一种传感器网络频谱分配寻路方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其将图论寻路算法引用到了传感器网络频谱资源的分配中。
背景技术：
随着无线通信技术的发展和无线通信业务需求的快速增长，人们对无线频谱资源需求日益增长.然而由于目前现代无线通信系统的频谱资源分配均采用静态(固定)频带分配原则，频谱通过频谱资源管理机构规定并分配给特定的运营商和服务商，不同频段的利用率有相当大的区别，可分配的频谱资源变得越来越少，已经不能满足需求。
发明内容
本发明提出一种传感器网络频谱分配寻路方法，通过定义分配效益矩阵，更新信道干扰矩阵，达到更多节点能共享同一频段而不相互干扰，提高频谱利用率，并能达到理论上的效益最大化。本发明所采取的技术方案如下一种传感器网络频谱分配寻路方法，包括如下步骤
1)定义一个值NON用来衡量公平性与收益最大之间的关系，它表示是当不给该用户分配任何频带时，对于总的收益带来的影响；
2)建立基于图论的频谱分配模型，该分配模型包括频带矩阵A和约束矩阵C，约束矩阵C表示传感器节点组成的网络拓扑结构图，以顶点代表传感器节点，用边表示传感器节点间存在冲突或者干扰，当两个顶点如果有一条边连接，则这两个节点不同时使用相同的频谱；频带矩阵A表示代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱资源的一个集合，该集合排除正在使用的用户；
3)取频带矩阵A和约束矩阵C的交集，计算各可能的子结点所得到的收益值，将该收益值与NON进行比较，判断收益值，并存储较大值；
4)将下一子结点的收益值与上一子结点的收益值比较，始终存储最大值，遍历各子结点后，获得最大收益值；
5)将最大收益值对应的频谱分配方案分配给请求的用户。该技术方案利用图论寻路的频谱分配算法，在考虑用户公平接入的前提下，使最后总的收益尽量大，因此最后只要选取收益最大的分配方式，就是既考虑公平性又考虑收益最大的原则的分配方式了 ；每个用户可以从可选择的频带信道中选择或者什么频带都不接入的选择，因此，这样就保证了每个用户至少有一种选择机会，至少会有一条解决路径成为最佳的频带分配方式，该方案为每个网络拓扑结构建立一棵求解树，在树中以每个用户作为结点，以每个用户可选择的频带作为每个结点子树产生的依据，以收益值作为每条路径的权值，每条路径就相当于一种的信道分配的方法，因此可以用已有的寻路算法在这个频谱分配图中找寻一条权值最优的路径，则是我们所能获得的最佳的分配方法，该方法可用于通信中，可达到最大化网络效用的同时最小化主从用户之间的干扰的技术效果，使更多节点能共享同一频段而不相互干扰，提高了频谱利用率，并能达到理论上的效益最大化。
图I为认知无线系统拓扑模型。图2为认知无线系统的图论模型。图3为信道分配求解树图。图4为算法流程图。图5为10次试验中新旧算法的收益对比分布图。图6为10次试验中新旧算法的分配到信道用户数对比分布图。具体实时方式
为了使本发明容易理解和实现，现作如下更具体的阐述
在图I中，当前位置有五个不同的认知用户广5，四个主用户Γ ν，系统可选的共有3个信道Α、Β和C，四个主用户使用的授权频段分别是信道Α、信道B、信道C和信道C，圆圈表明了主用户的覆盖范围，信道X代表主用户的工作频段。如果当前信道被主用户使用，则为了避免对主用户的干扰，这个信道不能被附近的认知用户使用。同时在相互距离小于最小干扰距离的两个认知用户间也不能使用相同的频段，现假设I与3，3与4，4与5，2与4，I与2不能使用相同的频段，在他们之间用一条边相连，于是由图I就能得到图2的图论模型。图2是认知无线系统的图论模型。该寻路方法的步骤如下
1)定义一个值NON用来衡量公平性与收益最大之间的关系，它表示是当不给该用户分配任何频带时，对于总的收益带来的影响；
2)建立基于图论的频谱分配模型，该分配模型包括频带矩阵A和约束矩阵C，约束矩阵C表示传感器节点组成的网络拓扑结构图，以顶点代表传感器节点，用边表示传感器节点间存在冲突或者干扰，当两个顶点如果有一条边连接，则这两个节点不同时使用相同的频谱；频带矩阵A表示代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱资源的一个集合，该集合排除正在使用的用户；
3)在频带矩阵A和约束矩阵C的约束条件下，计算各可能的子结点所得到的收益值，将该收益值与NON进行比较，判断收益值，并存储较大值；该步骤采用递归调用频带矩阵A和约束矩阵C的函数，在每次寻找下一个结点的时候是依据已有的路径节点决定下一层的可篇历结点，并把已计算的本层的累计效率传递到下一层；图3是信道分配求解树图，为每个网络拓扑结构建立一棵求解树，在树中以每个用户作为结点，以每个用户可选择的频带作为每个结点子树产生的依据；
4)将下一子结点的收益值与上一子结点的收益值比较，始终存储最大值，遍历各子结点后，获得最大收益值；假若最后是没有子结点的结点则结束分配； 5)将最大收益值对应的频谱分配方案分配给请求的用户。本算法中是具体的流程如图4所示。本算法中采用递归调用函数，因此效率相当高。我们在每次寻找下一个结点的时候是依据已有的路径节点决定下一层的可篇历结点，并把已计算的本层的累计效率传递到下一层。假若是最后的没有子结点的结点则结束分配。图5中10次试验中新旧算法的收益对比分布图，底部较低的一根线条表示使用传统的贪婪算法所得到的收益，而红线则表示使用我们所提的算法，位置较高的两根线条分别表示N0N=-1024时、NON=O时的收益分部图。图6是10次试验中新旧算法的分配到信道用户数对比分布图，底部较低的线条表示使用传统的贪婪算法，另两跟线条表示N0N=-1024、NON=O时的新算法。在这次仿真中假设共有10个二级用户，共同争取5个信道，这5个信道可以被若干个用户共享.同时在这次仿真中共进行了 10次实验，每次的实验开始的时候会随机生成可用频带矩阵A，约束矩阵C，与效用矩阵U，并且每个效用矩阵U的效用值在[1，10]之间，随机分布。 在得到3个矩阵后，会依据这三个矩阵，用三种算法计算其不同的收益图。三种算法分别是，第一种算法是传统的贪婪算法，即当空闲信道出现后就把其分配到能获得的最大收益的二级用户，同时这算法并没有考虑信道共享的问题，每个二级用户是对信道是独享的。信道也是对二级用户是单一的，不会出现同一个信道被多个用户共同使用的情况。第二种算法是本发明所提出的算法，其NON值取为-1024，表示若用户分配不到任何信道将会对整体的收益带来一个很沉重的负面影响，即这时更倾向于对信道公平性的考虑，需要保证更多的二级用户能分配到信道的考虑。第三种算法也是以上的算法，但是这时NON值取为0，表示并不太关心用户是否分配到信道，因此在这种情况下，算法会更加贪婪地获得收益，追求更多的的收益。，
从图5中可以清楚看到，当使用了新算法，考虑了频谱间的共享后，其收益远胜于已有的算法，得到的收益值就应该是本发明所提出的算法的最大收益值。从图6中可以清楚看到，总体来说当使用新算法以后，其被分配到信道的用户数明显增多，当N0N=-1024即针对公平性考虑的新算法时，被分配到信道的用户数最多。这是显而易见的，用户间能够共享信道自然其被分配到的用户必然多。而传统的算法中，独享信道的限制，使得被分配到信道的用户数量必然不大于拥有的空闲信道总数(我们仿真所取的信道总数为5)。本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种传感器网络频谱分配寻路方法，其特征在于包括如下步骤 1)定义一个值NON用来衡量公平性与收益最大之间的关系，它表示是当不给该用户分配任何频带时，对于总的收益带来的影响； 2)建立基于图论的频谱分配模型，该分配模型包括频带矩阵A和约束矩阵C，约束矩阵C表示传感器节点组成的网络拓扑结构图，以顶点代表传感器节点，用边表示传感器节点间存在冲突或者干扰，当两个顶点如果有一条边连接，则这两个节点不同时使用相同的频谱；频带矩阵A表示代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱资源的一个集合，该集合排除正在使用的用户； 3)在频带矩阵A和约束矩阵C的约束条件下，计算各可能的子结点所得到的收益值，将该收益值与NON进行比较，判断收益值，并存储较大值； 4)将下一子结点的收益值与上一子结点的收益值比较，始终存储最大值，遍历各子结点后，获得最大收益值； 5)将最大收益值对应的频谱分配方案分配给请求的用户。
全文摘要
本发明涉及一种传感器网络频谱分配寻路方法，所属无线传感器网络领域。本发明提出一种图论寻路的算法,在频带矩阵A和约束矩阵C的约束条件下，计算各可能的子结点所得到的收益值，遍历各子结点后，获得最大收益值；最后将最大收益值对应的频谱分配方案分配给请求的用户。并且利用该算法进行对认知无线电频谱资源的分配，算法分配的目标是最大化网络效用同时最小化主、从用户之间的干扰，达到更多节点能共享同一频段而不相互干扰，提高频谱利用率,并能达到理论上的效益最大化。
文档编号H04W16/02GK102625314SQ20121006333
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者孙学斌, 张永正, 田至男, 赵成林 申请人:江苏怡丰通信设备有限公司