一种基于二叉排序树的局部议价的频谱分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于认知无线电技术领域，具体的，本发明涉及一种基于二叉排序树的局 部议价的频谱分配方法。
【背景技术】
[0002] 认知无线电技术主要包括频谱检测、频谱分配、频谱切换和功率控制这几个关键 技术。
[0003] 由于分配给主用户的授权频段是在特定时间、频率和地理位置的资源。所以检测 到空闲频谱，对于不同的认知用户而言，是时间、频率和空间上动态变化的资源。频谱检测 的目的是辨识出当前次用户可用于认知无线通信的授权信道。
[0004] 空闲频谱的动态变化特性决定了认知无线网络必须采取动态频谱分配方式才能 满足不断变化的认知用户对频谱的需求以及认知用户（也称次用户）与主用户的频谱共 享。认知无线网络在为次用户进行动态频谱分配时须保证次用户不能对已授权频段内主用 户正常通信造成干扰。在这样的前提下，次用户的可用频谱随着主用户对授权频段占用情 况的变化而动态变化。频谱分配算法就是用来确定哪些次用户可以接入网络以及如何分配 这些次用户才能实现系统吞吐量得到最大化的最优分配。频谱分配算法是在频谱检测既知 的前提下进行的。频谱分配算法基于三个模型，其中一个较为典型的常用模型就是图论模 型。它将用户抽象成为点，而将用户间的彼此干扰表示为两点之间的线。基于图论模型有 许多算法，其中颜色敏感图论着色（CSGC)是较为常见的算法。CSGC算法假设在一个周期内 用户不发生变化。该算法将扫描到的频谱信息转化为可用信道矩阵，将扫描到的拓扑结构 转化为干扰矩阵和分配矩阵，用来进行频谱分配，直到可用信道被分配完毕。如若在多个周 期计算分配结果的话，需要按照单次步骤，多次调用该分配函数。
[0005] 局部议价的频谱分配方法是一种改进的CSGC方法，该方法能够将由于用户的移 动性导致拓扑结构发生变化的模型，自组织成谈判小组并自适应形成最优分配模型。与忽 略既知分配信息的传统最优化拓扑模型相比，此方法的计算量显著减少。局部议价的频谱 分配方法的整个过程：每完成一个周期的频谱分配，各个次用户重新搜索整个频段并感知 主用户占用的信道，若出现主用户使用该信道，则需让已经分配该信道的次用户及时退出 信道占用。将感知到的信道转化成由二进制数组组成的矩阵一一可用信道矩阵，分别表示 各个用户能否使用该信道的情况。将感知到的主用户和次用户的位置和发射功率转化为二 进制干扰约束矩阵，进而利用标签准则进行频谱分配。分配结果用二进制分配矩阵表示， 它表征着各个用户得到频谱与否的状况。当冲突图发生变化时，这个自适应算法与传统的 CSGC算法相比，不需要重新分配频谱，只需补偿移动特性导致的局部区域的微小变化。当感 知到变化的结点是主用户时，更新已分配矩阵，使占用该主用户授权频谱的次用户分配矩 阵变为0。而当次用户加入已形成的拓扑图中时，使得原来理想的分配结构被打乱，邻接节 点和插入节点就会自适应的构成冲突图，自组成议价小组，在小组内改变分配方式，达到最 大化频谱利用率的目的。
[0006] 局部议价的频谱分配方法相对于传统的CSGC方法可以大大节省频谱分配时间； 但是该方法并没有考虑用户需求这个因素，使得按照分配法则分配完所有的可用频谱之 后，倘若有新的用户申请使用该频谱时才贡献多余频谱。这些本来不是用户需求的频谱，在 分配过程中占用了一定的分配时间，该方法需要在议价申请和自组织成为议价小组过程中 又占用一部分时间，无疑会增加时间消耗，甚至会使本来用以减少参与分配用户数来降低 时间开销的优势被淹没；而且在该方法中，倘若感知到的频谱分配信息是以图的形式出现， 需要转化成为二进制可用信道矩阵，这样无疑会耗用额外的分配时间。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有局部议价的频谱分配方法存在的分配时间过长、没有 考虑用户需求导致分配不合理的缺陷，提出了一种基于二叉排序树的局部议价的频谱分配 方法，该方法考虑到用户需求，将扫描到的频谱构建二叉排序树，用于进行频谱的分配和共 享，该方法具有节省频谱分配时间，提高频谱利用率的特点。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于二叉排序树的局部议价的频谱分配方 法，所述方法包括：在初始时刻，将扫描到的频谱划分为若干个信道，并将所述信道按照从 小到大的升序顺序构建一个单支二叉排序树；利用分配算法对用户进行信道分配，获取分 配矩阵，并根据所述分配矩阵更新二叉排序树每个节点上的用户；在下一个时间周期，根据 扫描频谱的变化对二叉排序树进行更新，同时根据申请信道用户的变化进行信道的重新分 配；重复进行上述过程，直至收到停止扫描频谱命令。
[0009] 上述技术方案中，所述方法具体包括：
[0010] 步骤1)在初始时刻，将扫描到的频谱进行划分得到多个信道，并将所述信道按照 从小到大的升序顺序构建一个单支二叉排序树；
[0011] 步骤2)根据系统吞吐量最大的目标，利用分配算法对用户进行信道分配，获取分 配矩阵，并根据所述分配矩阵更新二叉排序树每个节点上的用户；
[0012] 步骤 3)令k=l;
[0013] 步骤4)对频谱进行扫描；根据扫描后频谱的变化对二叉排序树进行更新，同时根 据次用户的变化重新进行信道的重新分配；
[0014] 步骤5)令k=k+1，转入步骤4);直至收到停止扫描频谱命令。
[0015] 上述技术方案中，所述步骤2)具体包括：
[0016] 步骤201)将用户需求大于可用信道数目的用户需求置为0,同时将其标签值置为 〇 ;统计所有用户需求数目小于自身可用频谱总数的用户总数；
[0017] 步骤202)计算每个信道中获得最大标签值的用户；挑选出该用户，将此信道分配 给该用户；
[0018] 对于每个信道m，由于用户列表和干扰约束关系随着其它信道处理不断发生变 化；因此信道的干扰也会不断变化；用户n使用信道的干扰值为：
[0019]
[0020] 其中，当用户使用信道时，如果用户共享该信道且不产生干扰，则若产生 干扰，则cn，k，m= 1;1彡n彡N，1彡m彡M，M为信道总数；
[0021] 选择协作式最大比例公平准则对用户进行标签；标签号大小由目标函数和效益权 重共同决定，标签号越大被分配的优先权越高；在标签准则中，每个标签号对应一种颜色， 表征着用户取得最大标签值时占用的信道；用户的最大标签值为：：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中，Y n表示用户需求数目小于可用信道总数的用户，b_表示效益矩阵，由信道 的通信质量和调制方式确定，该矩阵每个时间周期都会进行更新；ln，m表示用户的可用信道 矩阵，它是由次用户的地理位置决定的；
[0026] 步骤203)计算分配矩阵an，m，使系统的吞吐量达到最大；
[0027]
[0028] 步骤204)按照所述步骤203)的分配矩阵&_更新二叉排序树上每个节点的信息。
[0029] 上述技术方案中，所述步骤4)具体包括：
[0030] 步骤401)对已经划分好的频谱进行扫描，判断信道是否发生变化，如果有变化， 进入步骤402);否则，进入步骤406);
[0031] 步骤402)判断是否有新信道产生，如果判断结果是肯定的，转入步骤403);否则， 转入步骤405);
[0032] 步骤403)在二叉排序树上找到新信道对应节点的位置，在二叉排序树上插入新 结点；并判断是否有次用户申请信道，如果判断结果是肯定的，转入步骤404);否则，转入 步骤5);
[0033] 步骤404)将新信道分配给申请信道的次用户，利用步骤2)的分配算法重新计算 分配矩阵&_，并由此更新二叉排序树上每个节点的信息；转入步骤5);
[0034] 步骤405)在二叉排序树上找到减少的信道对应节点的位置，从二叉排序树上删 除此节点；并将所述分配矩阵an，m中该节点对应的元素置为0 ;
[0035] 步骤406)判断是否有次用户申请信道，如果判断结果是肯定的，转入步骤407); 否则，转入步骤5);
[0036] 步骤407)判断次用户能否与其获得信道上的用户共享该信道且不产生干扰；如 判断结果是肯定的，则次用户可以使用该信道，否则，转入步骤5)。
[0037] 本发明的优点在于：
[0038] 1、本发明的方法对整个频段扫描的结果是树的形式，只需要对二叉