多跳认知无线网络中控制信道.doc

多跳认知无线网络中控制信道 　　摘 要：本文研究了多跳认知无线网络中的控制信道选择问题。多跳网络没有控制中心，需要节点间交换大量的控制信息来协调通信和优化资源分配，这些控制信息一般通过控制信道来传播。但认知无线网络很难为所有节点找到一条公共信道来作为控制信道。本文提出一种分布式算法，以整个网络所用控制信道数目最少为目标，得到每个节点的控制信道选择方案。通过仿真，验证了提出的分布式算法的性能。 关键词：认知无线电；多跳网络；分布式算法；控制信道 引言 认知无线电是为解决目前频谱利用率低的问题而提出的一种技术。在认知无线网络中，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。为了使这些认知用户能在互不干扰的情况下进行通信，需要对可使用的频带进行合理的分配与调度。传统的方法是在网络中建立一个中心控制器，由该控制器对认知用户信道接入进行控制。但这种方法对于无中心的多跳网络显然是不适合的。 本文为多跳认知无线网络提出了一个控制信道的选择方案。该方案通过用户之间的协作，从用户可获得的信道中选择一些信道作为控制信道，每个用户至少选择一条信道作为控制信道。根据所选择的控制信道的不同，用户分为不同的组，组内有相同的控制信道。同时有若干用户有多个控制信道，这些用户负责组间控制信息的传播。而控制信道选择的目标是使整个网络所使用的控制信道数目最少。 一、网络模型与假设 在认知无线网络中，认知用户与主用户共享频谱，利用主用户未使用的信道进行通信。频谱共享既可以在时域内也可以在空域内，在此仅考虑空域内的频谱共享。假设网络中有若干主用户和认知用户，主用户的干扰半径为Rp，当认知用户与主用户之间的距离小于Rp时，认知用户不能使用主用户所使用的信道。例如图1所示的网络。 图1认知无线网络举例 图中共有3个主用户，6个认知用户（A～F）。3个主用户所用信道分别为CH1，CH2和CH3。认知用户A和B在第一个主用户的干扰范围内，因而不能使用信道CH1，但在其余两用户的干扰范围外，因而能使用CH2与CH3。同理，认知用户C只能使用CH1与CH3，认知用户F只能使用CH1与CH2。而认知用户D和E在所有主用户的干扰范围外，因而能使用CH1，CH2和CH3。由此可见，6个认知用户之间并没有一个公共的信道。 假设由N个认知用户构成一个多跳认知无线网络，每个用户都可看作是网络中的一个节点。整个网络有M条互相正交的信道，将这些信道构成的集合记为C。其中第i个认知用户可获得的信道数为Mi，由这些信道组成的集合记为Ci。 设认知用户的传播半径为RT，定义一个0，1变量linkm（i，j，m）。linkm（i，j，m）=1表示节点i与节点j在彼此的传播范围内，且信道m对两节点都是可获得的，否则，linkm（i，j，m）=0。即有： 其中d（i，j）为节点i与节点j之间的距离。若linkm（i，j，m）=1，则称节点j为节点i在信道m上的邻居。 再定义一个0，1变量link（i，j）。初始时，有： 下面将会看到，在分布式算法中，link（i，j）将会改变。若link（i，j）=1，则称节点j为节点i的邻居。由此可以定义节点i的邻居集合NEIGH（i），有： 二、分布式算法 下面讨论实现控制信道选择的一种分布式算法。假设在算法执行前，每个节点已经掌握了它邻居节点的情况，即变量linkm（i，j，m）已知。算法中每次选择一个节点，从该节点开始选择控制信道。当一个节点与它的所有邻居节点都至少有一条相同的控制信道时，则称该节点完成了控制信道的选择。为此定义一个标记unchoose（i），unchoose（i）=0表示节点已经完成了控制信道的选择，否则unchoose（i）=1。 再定义一个节点控制信道选择标记ch_control（i，m），ch_control（i，m）=1表示节点i选择了信道m作为控制信道，否则ch_control（i，m）=0。初始时，对，ch_control（i，m）=0。 为了从网络中选择一个节点，首先需要为每个节点确定一个等级，每次选择未完成控制信道选择的节点中等级最高的节点。而节点的等级应该与它可获得的信道有关，为此，先定义节点可获得的各条信道的等级： 因而ch_rank（i，m）即等于节点i在信道m上的邻居数。 考虑到信道选择的目标是使整个网络中所使用的控制信道数目最少。而在某信道上的邻居数越多，说明该信道对越多的节点是可获得的，那么选择该信道作为控制信道将有助于使整个网络中所使用的控制信道数目最少。因而可以定义节点的等级： 因而节点的等级等于它可获得的信道