一種基于二叉排序樹(shù)的局部議價(jià)的頻譜分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域，具體的，本發(fā)明涉及一種基于二叉排序樹(shù)的局 部議價(jià)的頻譜分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)主要包括頻譜檢測(cè)、頻譜分配、頻譜切換和功率控制這幾個(gè)關(guān)鍵 技術(shù)。
[0003] 由于分配給主用戶的授權(quán)頻段是在特定時(shí)間、頻率和地理位置的資源。所以檢測(cè) 到空閑頻譜，對(duì)于不同的認(rèn)知用戶而言，是時(shí)間、頻率和空間上動(dòng)態(tài)變化的資源。頻譜檢測(cè) 的目的是辨識(shí)出當(dāng)前次用戶可用于認(rèn)知無(wú)線通信的授權(quán)信道。
[0004] 空閑頻譜的動(dòng)態(tài)變化特性決定了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須采取動(dòng)態(tài)頻譜分配方式才能 滿足不斷變化的認(rèn)知用戶對(duì)頻譜的需求以及認(rèn)知用戶（也稱次用戶）與主用戶的頻譜共 享。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在為次用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配時(shí)須保證次用戶不能對(duì)已授權(quán)頻段內(nèi)主用 戶正常通信造成干擾。在這樣的前提下，次用戶的可用頻譜隨著主用戶對(duì)授權(quán)頻段占用情 況的變化而動(dòng)態(tài)變化。頻譜分配算法就是用來(lái)確定哪些次用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)以及如何分配 這些次用戶才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量得到最大化的最優(yōu)分配。頻譜分配算法是在頻譜檢測(cè)既知 的前提下進(jìn)行的。頻譜分配算法基于三個(gè)模型，其中一個(gè)較為典型的常用模型就是圖論模 型。它將用戶抽象成為點(diǎn)，而將用戶間的彼此干擾表示為兩點(diǎn)之間的線?；趫D論模型有 許多算法，其中顏色敏感圖論著色（CSGC)是較為常見(jiàn)的算法。CSGC算法假設(shè)在一個(gè)周期內(nèi) 用戶不發(fā)生變化。該算法將掃描到的頻譜信息轉(zhuǎn)化為可用信道矩陣，將掃描到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)化為干擾矩陣和分配矩陣，用來(lái)進(jìn)行頻譜分配，直到可用信道被分配完畢。如若在多個(gè)周 期計(jì)算分配結(jié)果的話，需要按照單次步驟，多次調(diào)用該分配函數(shù)。
[0005] 局部議價(jià)的頻譜分配方法是一種改進(jìn)的CSGC方法，該方法能夠?qū)⒂捎谟脩舻囊?動(dòng)性導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的模型，自組織成談判小組并自適應(yīng)形成最優(yōu)分配模型。與忽 略既知分配信息的傳統(tǒng)最優(yōu)化拓?fù)淠Ｐ拖啾?，此方法的?jì)算量顯著減少。局部議價(jià)的頻譜 分配方法的整個(gè)過(guò)程：每完成一個(gè)周期的頻譜分配，各個(gè)次用戶重新搜索整個(gè)頻段并感知 主用戶占用的信道，若出現(xiàn)主用戶使用該信道，則需讓已經(jīng)分配該信道的次用戶及時(shí)退出 信道占用。將感知到的信道轉(zhuǎn)化成由二進(jìn)制數(shù)組組成的矩陣一一可用信道矩陣，分別表示 各個(gè)用戶能否使用該信道的情況。將感知到的主用戶和次用戶的位置和發(fā)射功率轉(zhuǎn)化為二 進(jìn)制干擾約束矩陣，進(jìn)而利用標(biāo)簽準(zhǔn)則進(jìn)行頻譜分配。分配結(jié)果用二進(jìn)制分配矩陣表示， 它表征著各個(gè)用戶得到頻譜與否的狀況。當(dāng)沖突圖發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)自適應(yīng)算法與傳統(tǒng)的 CSGC算法相比，不需要重新分配頻譜，只需補(bǔ)償移動(dòng)特性導(dǎo)致的局部區(qū)域的微小變化。當(dāng)感 知到變化的結(jié)點(diǎn)是主用戶時(shí)，更新已分配矩陣，使占用該主用戶授權(quán)頻譜的次用戶分配矩 陣變?yōu)?。而當(dāng)次用戶加入已形成的拓?fù)鋱D中時(shí)，使得原來(lái)理想的分配結(jié)構(gòu)被打亂，鄰接節(jié) 點(diǎn)和插入節(jié)點(diǎn)就會(huì)自適應(yīng)的構(gòu)成沖突圖，自組成議價(jià)小組，在小組內(nèi)改變分配方式，達(dá)到最 大化頻譜利用率的目的。
[0006] 局部議價(jià)的頻譜分配方法相對(duì)于傳統(tǒng)的CSGC方法可以大大節(jié)省頻譜分配時(shí)間； 但是該方法并沒(méi)有考慮用戶需求這個(gè)因素，使得按照分配法則分配完所有的可用頻譜之 后，倘若有新的用戶申請(qǐng)使用該頻譜時(shí)才貢獻(xiàn)多余頻譜。這些本來(lái)不是用戶需求的頻譜，在 分配過(guò)程中占用了一定的分配時(shí)間，該方法需要在議價(jià)申請(qǐng)和自組織成為議價(jià)小組過(guò)程中 又占用一部分時(shí)間，無(wú)疑會(huì)增加時(shí)間消耗，甚至?xí)贡緛?lái)用以減少參與分配用戶數(shù)來(lái)降低 時(shí)間開(kāi)銷的優(yōu)勢(shì)被淹沒(méi)；而且在該方法中，倘若感知到的頻譜分配信息是以圖的形式出現(xiàn)， 需要轉(zhuǎn)化成為二進(jìn)制可用信道矩陣，這樣無(wú)疑會(huì)耗用額外的分配時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有局部議價(jià)的頻譜分配方法存在的分配時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、沒(méi)有 考慮用戶需求導(dǎo)致分配不合理的缺陷，提出了一種基于二叉排序樹(shù)的局部議價(jià)的頻譜分配 方法，該方法考慮到用戶需求，將掃描到的頻譜構(gòu)建二叉排序樹(shù)，用于進(jìn)行頻譜的分配和共 享，該方法具有節(jié)省頻譜分配時(shí)間，提高頻譜利用率的特點(diǎn)。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于二叉排序樹(shù)的局部議價(jià)的頻譜分配方 法，所述方法包括：在初始時(shí)刻，將掃描到的頻譜劃分為若干個(gè)信道，并將所述信道按照從 小到大的升序順序構(gòu)建一個(gè)單支二叉排序樹(shù)；利用分配算法對(duì)用戶進(jìn)行信道分配，獲取分 配矩陣，并根據(jù)所述分配矩陣更新二叉排序樹(shù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的用戶；在下一個(gè)時(shí)間周期，根據(jù) 掃描頻譜的變化對(duì)二叉排序樹(shù)進(jìn)行更新，同時(shí)根據(jù)申請(qǐng)信道用戶的變化進(jìn)行信道的重新分 配；重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，直至收到停止掃描頻譜命令。
[0009] 上述技術(shù)方案中，所述方法具體包括：
[0010] 步驟1)在初始時(shí)刻，將掃描到的頻譜進(jìn)行劃分得到多個(gè)信道，并將所述信道按照 從小到大的升序順序構(gòu)建一個(gè)單支二叉排序樹(shù)；
[0011] 步驟2)根據(jù)系統(tǒng)吞吐量最大的目標(biāo)，利用分配算法對(duì)用戶進(jìn)行信道分配，獲取分 配矩陣，并根據(jù)所述分配矩陣更新二叉排序樹(shù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的用戶；
[0012] 步驟 3)令k=l;
[0013] 步驟4)對(duì)頻譜進(jìn)行掃描；根據(jù)掃描后頻譜的變化對(duì)二叉排序樹(shù)進(jìn)行更新，同時(shí)根 據(jù)次用戶的變化重新進(jìn)行信道的重新分配；
[0014] 步驟5)令k=k+1，轉(zhuǎn)入步驟4);直至收到停止掃描頻譜命令。
[0015] 上述技術(shù)方案中，所述步驟2)具體包括：
[0016] 步驟201)將用戶需求大于可用信道數(shù)目的用戶需求置為0,同時(shí)將其標(biāo)簽值置為 〇 ;統(tǒng)計(jì)所有用戶需求數(shù)目小于自身可用頻譜總數(shù)的用戶總數(shù)；
[0017] 步驟202)計(jì)算每個(gè)信道中獲得最大標(biāo)簽值的用戶；挑選出該用戶，將此信道分配 給該用戶；
[0018] 對(duì)于每個(gè)信道m(xù)，由于用戶列表和干擾約束關(guān)系隨著其它信道處理不斷發(fā)生變 化；因此信道的干擾也會(huì)不斷變化；用戶n使用信道的干擾值為：
[0019]
[0020] 其中，當(dāng)用戶使用信道時(shí)，如果用戶共享該信道且不產(chǎn)生干擾，則若產(chǎn)生 干擾，則cn，k，m= 1;1彡n彡N，1彡m彡M，M為信道總數(shù)；
[0021] 選擇協(xié)作式最大比例公平準(zhǔn)則對(duì)用戶進(jìn)行標(biāo)簽；標(biāo)簽號(hào)大小由目標(biāo)函數(shù)和效益權(quán) 重共同決定，標(biāo)簽號(hào)越大被分配的優(yōu)先權(quán)越高；在標(biāo)簽準(zhǔn)則中，每個(gè)標(biāo)簽號(hào)對(duì)應(yīng)一種顏色， 表征著用戶取得最大標(biāo)簽值時(shí)占用的信道；用戶的最大標(biāo)簽值為：：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中，Y n表示用戶需求數(shù)目小于可用信道總數(shù)的用戶，b_表示效益矩陣，由信道 的通信質(zhì)量和調(diào)制方式確定，該矩陣每個(gè)時(shí)間周期都會(huì)進(jìn)行更新；ln，m表示用戶的可用信道 矩陣，它是由次用戶的地理位置決定的；
[0026] 步驟203)計(jì)算分配矩陣an，m，使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大；
[0027]
[0028] 步驟204)按照所述步驟203)的分配矩陣&_更新二叉排序樹(shù)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。
[0029] 上述技術(shù)方案中，所述步驟4)具體包括：
[0030] 步驟401)對(duì)已經(jīng)劃分好的頻譜進(jìn)行掃描，判斷信道是否發(fā)生變化，如果有變化， 進(jìn)入步驟402);否則，進(jìn)入步驟406);
[0031] 步驟402)判斷是否有新信道產(chǎn)生，如果判斷結(jié)果是肯定的，轉(zhuǎn)入步驟403);否則， 轉(zhuǎn)入步驟405);
[0032] 步驟403)在二叉排序樹(shù)上找到新信道對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置，在二叉排序樹(shù)上插入新 結(jié)點(diǎn)；并判斷是否有次用戶申請(qǐng)信道，如果判斷結(jié)果是肯定的，轉(zhuǎn)入步驟404);否則，轉(zhuǎn)入 步驟5);
[0033] 步驟404)將新信道分配給申請(qǐng)信道的次用戶，利用步驟2)的分配算法重新計(jì)算 分配矩陣&_，并由此更新二叉排序樹(shù)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息；轉(zhuǎn)入步驟5);
[0034] 步驟405)在二叉排序樹(shù)上找到減少的信道對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置，從二叉排序樹(shù)上刪 除此節(jié)點(diǎn)；并將所述分配矩陣an，m中該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的元素置為0 ;
[0035] 步驟406)判斷是否有次用戶申請(qǐng)信道，如果判斷結(jié)果是肯定的，轉(zhuǎn)入步驟407); 否則，轉(zhuǎn)入步驟5);
[0036] 步驟407)判斷次用戶能否與其獲得信道上的用戶共享該信道且不產(chǎn)生干擾；如 判斷結(jié)果是肯定的，則次用戶可以使用該信道，否則，轉(zhuǎn)入步驟5)。
[0037] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0038] 1、本發(fā)明的方法對(duì)整個(gè)頻段掃描的結(jié)果是樹(shù)的形式，只需要對(duì)二叉