专利名称：一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选择方法
技术领域：
本发明涉及一种认知无线电网络中的协作节点选择方法，特别涉及一种基于能 量和转发速率的认知无线电网络协作节点的选择方法。
背景技术：
认知无线电，又被称为感知无线电，是近年来兴起的一种无线通信新技术。它 能通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自动改变自身的发送和接收参数，从而 动态的重复使用可用频谱。由于能够提高频谱资源的潜在利用率，动态分配频谱资源， 认知无线电技术被认为是未来高效利用无线频谱，缓解频谱资源日益匮乏的主要手段。将认知无线电技术和无线网络相结合，便产生了认知无线电网络。在认知无 线电网络中，拥有某段频谱接入许可的节点成为该段频谱的授权节点，反之，无频谱使 用许可的节点称为非授权节点。非授权节点可以某种方式机会的使用授权节点的空闲频 谱，进而实现频谱资源的动态分配。这种网络因既能满足人们日益增长的无线服务需 求，又具有很高的频谱利用效率，被认为是一种非常有前途的网络。在认知无线电网络 早期的研究成果中，授权节点和非授权节点是相互独立的，二者之间没有任何的交互。 但是，最近的研究表明，如果让非授权节点协作传输授权节点的数据，授权节点的数据 传输速率会急剧提高，同时，由于授权节点占用频谱的时间少了，非授权节点就有更多 的机会去访问频谱资源。这种互利互惠的传输形式被称为授权节点和非授权节点的协作 传输。由于授权节点和非授权节点协作传输的巨大优势，许多学者投身于认知无线电 网络节点协作的研究当中。作为频谱资源的拥有者，授权节点一般通过租借自己的频 谱，来获得非授权节点为其带来的益处。现在已经有大量研究在关注授权节点如何从与 非授权节点的协作传输中获得更多的益处，这些益处包括提供授权节点的传输速率，增 加授权节点的吞吐量，减少授权节点的能量消耗，增加授权节点从非授权节点处获得的 支付等等。非授权节点从协作传输中获得的收益主要取决于它为授权节点协作传输的数 据量。正常情况下，授权用户出于自己的利益考虑，一旦有非授权节点请求与它协作 传输时，它就会同意与其协作。然而，当授权节点有大量数据发送时，为了获得信道访 问机会，非授权节点需要协助传输的授权节点数据量也增大。非授权节点的能量是有限 的，当需要协作传输的数据量增大时，它的能耗也增大，从而导致死机概率增大。虽然一般情况下，授权用户没有必要考虑非授权用 户的能量状况，但是如果授 权用户希望通过协作传输来提高自己的网络性能的话，授权节点和非授权节点就形成了 一个协作的整体。当无法工作的非授权节点数据增加时，协作传输的机会就会减少，授 权节点能够从协作传输获得的收益也会减少。所以为了不降低自身网络的性能，授权节 点在协作传输时应该考虑非授权节点的能量问题，尽量减少非授权节点的死机概率。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于能量和转发速率的协作节点选择方法，该方法中 的授权节点在选择协作节点时，一方面，从减小非授权节点死机概率出发，优先选择剩 余能量大的非授权节点；另一方面，从提高自身传输速率出发，优先选择转发速率高的 非授权节点。通过该方法，可以选择出剩余能量相对充足且转发速率相对高的非授权节 点作为协作节点。本发明的采用的一种基于能量和转发速率的协作节点选择方法分为两个阶段第一阶段为收集协作请求阶段，非授权节点ST1G表示非授权节点的标识)周 期性检查授权频谱，若频谱空闲，则传输自己的数据；否则，向授权发送节点PT发送 协作传输请求信息CN1(ST1-PT)，所述CN1(ST1-PT)中包括此节点的位置信息AD1(ST1) 和此节点当前剩余能量PP1(ST1),将该协作传输请求信息CN1(ST1-PT)表达为集合式 为 CN1 (ST1-PT) = {AD1 (ST1)，PP1 (ST1) }。授权发送节点 PT 收到 CN1 (ST1-PT)= {AD, (ST1)，PP1 (ST1) }后，首先检查 CN1 (ST1-PT) = {AD, (ST1)，PP1 (ST1) }中的当前剩余 能量PP1(ST1)是否小于等于最小能量阈值PMT(在本发明中，非授权节点的初始能量设为 1000J, PMT—般设定为400J)，若是，则丢弃此CN1 (ST1-PT)；反之，存储CN1 (ST厂PT) ={AD1 (ST1), PP1(ST1)Io第二阶段为选择协作节点阶段，对于第一阶段存储的任一个协作请求信息 CN1 (ST1-PT)，授权发送节点PT先根据CN1 (ST1-PT)中的AD1 (ST1)和授权接收节点PR的 位置信息AD(PR)，计算出节点ST1的转发速率RR1(ST1),然后根据RR1和CN1 (ST1-PT) 中的PP1,计算出节点ST1的协作因子Cindex1(ST1)(这里所述的协作因子是为了表示非 授权节点被选择为协作节点的优先级。节点的协作因子越大，被选择为协作节点的概 率就越大。每次选择协作节点时，都优先选择协作因子大的非授权节点)。最后按照 Cindex1(ST1)的大小，降序存储ST1的节点信息CI1(ST1)，所述CI1(ST1)包括节点ST1的协 作因子Cindex1(ST1)和位置信息AD1(ST1)，将该信息CI1 (ST1)表达成集合式为CI1 (ST1)= {Cindex, (ST1)，AD1 (ST1) }。按照CI1 (ST1)的存储顺序，依次对每一个CI1 (ST1)，先通过 CI1(ST1)中的AD1 (ST1),计算出STji授权接收节点PR产生的干扰I1(ST1)n若累积干 扰IA(这里所述的IA为IA = M1(ST1)，其中IA的初始值为ODB)小于授权发送节点 PR能够容忍的最大干扰阈值在本发明中，Imax—般设定为60DB)，将CI1 (ST1)中的 AD1 (ST1)加入到协作节点集合CR，所述CR可表示为CR = {node|node = AD1 (ST1) }，接 着处理下一个CI1 (ST1)；反之，协作节点选择过程结束，协作节点集合CR中存储的位置 信息所对应的各节点即为最合适的协作节点。本发明基于能量和转发速率的认知无线电网络协作节点选择方法主要与下述三 个优点①通过在接收协作请求信息时，就对非授权节点进行筛选，从而减小了授权节点在后续阶段的协作节点选择过程中的工作量，进而减小了本方法的复杂性。②通过在选择协作节点时，优先选择剩余能量充足的非授权节点，从而减小了 非授权节点在协作传输过程中因能量耗尽而失效的概率。③通过在选择协作节点时，优先选择转发速率大的非授权节点，从而提高了授权节点网络的性能，进而也提高了非授权节点网络自身的性能。
图1是本发明的认知无线电网络协作节点选择的结构框图。图2是基于能量和转发速率的认知无线电网络协作节点应用部署图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明的采用的一种基于能量和转发速率的协作节点选择方法 分为两个阶段第一阶段为收集协作请求阶段在此阶段中，非授权节点ST1G表示非授权节点的标识)周期性检查授权频 谱，若频谱空闲，则传输自己的数据；否则，向授权发送节点PT发送协作传输请求信 息CN1 (ST1-PT),所述CN1 (ST1-PT)中包括此节点的位置信息AD1 (ST1)和此节点当前剩 余能量PP1(ST1),将该协作传输请求信息CN1(ST1-PT)表达为集合式为CN1(ST1-PT)= {AD1 (ST1), PP1 (ST1) }。授权发送节点 PT 收到 CN1 (ST1-PT) = {AD1 (ST1)，PP1 (ST1) }后，首先检查 CN1(ST1-PT) = {AD1 (ST1), PP1(ST1) }中的当前剩余能量PP1(ST1)是否小于等于最小能 量阈值PMT(在本发明中，非授权节点的初始能量设为1000J，PMT—般设定为400J)； 若 PP1 (ST1)小于等于 PMT (PP1 (ST1) <PMT)，则丢弃此 CN1 (ST-PT)；若 PP1 (ST1)大于 PMT (PP1 (ST1) > PMT)，则存储 CN1 (ST-PT) = {AD,(ST1)，PP1 (ST1) }。第二阶段为选择协作节点阶段在此阶段中，对于第一阶段存储的任意一个协作请求信息CN1(ST1-PT)，授权发 送节点PT先根据CN1 (ST1-PT)中的AD1 (ST1)和授权接收节点PR的位置信息AD (PR)， 计算出节点ST1的转发速率RR1 (ST1),然后根据RRJP CN1 (ST1-PT)中的PP1,计算出节 点ST1的协作因子Cindex1 (ST1)(这里所述的协作因子是为了表示非授权节点被选择为协作 节点的优先级。节点的协作因子越大，被选择为协作节点的概率就越大。每次选择协作 节点时，都优先选择协作因子大的非授权节点)。最后按照Cindex1(ST1)的大小，降序存 储ST1的节点信息CI1(ST1)，所述CI1(ST1)包括节点ST1的协作因子Cindex1(ST1)和位置信 息 AD1 (ST1)，将该信息 CI1 (ST1)表达成集合式为 CI1 (ST1) = {Cindex1 (ST1)，AD1 (ST1) }。 按照CI1(ST1)的存储顺序，依次对每一个CI1(ST1),先通过CI1 (ST1)中的AD1 (ST1),计 算出ST1对授权接收节点PR产生的干扰I1(ST1)。若累积干扰IA(这里所述的IA为IA =M1(ST1)，其中IA的初始值为0DB)小于授权发送节点PR能够容忍的最大干扰阈值 Imax(在本发明中，Imax—般设定为60DB)，将CI1(ST1)中的AD1(ST1)加入到协作节点集 合CR，所述CR可表示为CR = {node|node = AD1(ST1) }，接着处理下一个CI1(ST1)；反 之，协作节点选择过程结束，协作节点集合CR中存储的位置信息所对应的各节点即为最 合适的协作节点。在本发明中，所述的认知无线电网络由一些非授权节点和授权节点组成，这些 节点分为发送节点和接收节点两部分。非授权节点 机会的使用授权频谱，授权频谱由授权节点拥有。每一个非授权 接收节点只接收特定的一个非授权发送节点的数据，但非授 权发送节点可以将授权发送节点的数据协作传输到授权接收节点。各节点知道自己的位 置信息，发送节点知道自己对应的接收节点的位置信息。假定授权发送节点和非授权发 送节点都一直有数据要发送。如图2所示，共有一个授权发送节点PT和一个授权接收节点PR，以及N个非 授权发送节点和N个非授权接收节点。非授权节点ST将授权发送节点PT的数据，协作 传输到授权节点PR。授权发送节点PT采用如下步骤，从N个非授权发送节点中选择最 合适的协作节点集合CR 步骤1 授权节点PT收集任意非授权发送节点ST1的协作传输请求信息 CN1(ST1-PT),选择符合能量要求的CN1(ST1-PT),并存储该CN1 (ST1-PT)；步骤2:对于步骤1存储的任意CN1(ST1-PT),先计算节点ST1的转发速率 RR1(ST1),然后计算ST1的协作因子Cindex1(ST1),最后按照Cindex1(ST1)的大小，降序存 储ST1的节点信息CIJST)。步骤3 根据授权节点PT能够容忍的最大干扰阈值Imax，从步骤2存储的所有节 点信息中选择最合适的协作节点并存储到集合CR中。在步骤1中的授权节点PT选择符合能量要求的CN1 (ST1-PT)的处理步骤为步骤101:每收到一个协作传输请求信息CN1(ST1-PT),授权节点PT检查此 CN1(ST1-PT)中的PP1(ST1),若PP1(ST1)小于最小能量阈值PMT，则转到步骤102;否 则，转到步骤103;步骤102 丢弃此CN1(ST1-PT)，并转到步骤101 ；步骤103 存储此CN1 (ST厂PT)，并转到步骤101。在本发明的步骤2中，对于步骤1存储的任意CN1(ST1-PT)，获得节点ST1的协 作因子Cindex1(ST1)及节点信息CI1(ST1)的处理步骤为步骤201 计算非授权节点ST1的转发速率RR1 (ST1)。先根据授权接收节点PR 节的位置信息AD(PR)和CN1(ST1-PT)中的位置信息AD1(ST1),按照距离公式，计算出
非授权发送节点ST1与授权接收节点PR之间的距离饵，然后根据信道增益公式
计算出非授权发送节点ST1与授权接收节点PR间的链路增益hsip，最后按照香农公式 ρ h2
RR1 =log2(l + ^-^)，计算出非授权节点的转发速率RR1,所述Ps为非授权发送节点的发
送能量，N。为环境噪声(在本发明中，一般取Ps设定为400mw，N。为40mw)。步骤202:根据步骤201得到的节点ST1的转发速率RR1 (ST1),以及CN1 (ST厂PT) 中的PP1,计算出节点的协作因子Cindex1(ST1),所述的Cindex1 (ST1) = RR1 (ST1)+PPl0步骤203 根据步骤202得到的协作因子Cindex1(ST1)，将节点ST1的节点信息 CI1(ST1)按照Cindex1(ST1)的大小降序存储。步骤204 取存储在CN1 (ST1-PT)后的下一个协作请求信息CNj (STrPT)，转步 骤 201。在本发明的步骤3中，按照步骤2中节点信息的存储顺序，依次取一个节点信息 CIk(STk),进行如下的步骤处理
步骤301:计算非授权发送节点STk对授权发送节点PR的干扰。先由节点 STk的CIk(STk)中的位置信息ADk(STk)和授权接收节点PR的位置信息AD(PR)，根据 距离公式，计算出非授权发送节点STk与授权接收节点PR的距离Idtk,然后根据公式
h^p =‘Γ，计算出非授权发送节点STk与授权接收节点PR的链路增益hskp，最后按照公式
Ik(^) = hip Xi55，计算出非授权发送节点STk对授权接收节点PR的干扰Ik(STk).步骤302 根据步骤301得到的干扰Ik(STk)，计算授权接收节点PR当前的累积 干扰IA，这里所述的累积干扰IA = IA+Ik(STk)。若累积干扰IA小于PR能够容忍的最 大干扰阈值Imax，则转步骤304;否则，转步骤303。 步骤303 将此节点STk的节点信息CIk (STk)中的位置信息ADk (STk)存储到协 作节点集合CR中，然后取存储在CIk(STk)后的下一个节点信息CIp(STp),转步骤301。步骤304 协作节点选择过程完毕，协作节点集合CR中存储的各位置信息对应 的节点即为最合适的协作节点。本发明提出的一种基于能量和转发速率的认知无线电网络协作 节点选择方法， 在不改变非授权节点和授权节点的协作形式的前提下，通过综合考虑非授权节点的剩余 能量和转发速率，找出剩余能量相对充足且转发速率相对高的非授权节点作为协作节 点，从而减小了非授权节点因能量耗尽而失效的概率，同时也提高了非授权节点和授权 节点的网络性能。
权利要求
1.一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选择方法，其特征在 于协作节点选择分为两个阶段，即收集协作请求阶段和选择协作节点阶段；所述的收集协作请求阶段中授权发送节点PT收到CN1(ST1-PT) = {AD1 (ST1), PP1 (ST1) }后，首先检查 CN1 (ST1-PT) = {AD, (ST1)，PP1 (ST1) }中的当前剩余能量 PP1 (ST1) 是否小于等于最小能量阈值PMT ；若PP1(ST1)^PMT,则丢弃此CN1(ST1-PT)；若 PP1(ST1) >PMT,则存储 CN1 (ST厂PT) ={AD1 (ST1), PP1(ST1)I ；所述的选择协作节点阶段中授权发送节点PT先根据CN1 (ST1-PT)中的AD1 (ST1)和授 权接收节点PR的位置信息AD (PR)计算出节点ST1的转发速率RR1 (ST1)，然后根据RR1 和CN1 (ST厂PT)中的PP1,计算出节点ST1的协作因子Cindex1 (ST1)；最后按照Cindex1 (ST1) 的大小，降序存储ST1的节点信息CI1(ST1),按照CI1(ST1)的存储顺序，依次对每一个 CI1(ST1),先通过CI1(ST1)中的AD1(ST1),计算出STJi授权接收节点PR产生的干扰 I1(ST1)；若累积干扰IA小于授权发送节点PR能够容忍的最大干扰阈值Imax，将CI1 (ST1) 中的AD1(ST1)加入到协作节点集合CR，接着处理下一个CI1(ST1)；反之，协作节点选 择过程结束，协作节点集合CR中存储的位置信息所对应的各节点即为最合适的协作节点。协作节点的选择有下列步骤步骤1 授权节点PT收集任意非授权发送节点ST1的协作传输请求信息 CN1(ST1-PT),选择符合能量要求的CN1(ST1-PT),并存储该CN1 (ST1-PT)；步骤2:对于步骤1存储的任意CN1 (ST1-PT),先计算节点ST1的转发速率RR1 (ST1), 然后计算ST1的协作因子Cindex1(ST1),最后按照Cindex1(ST1)的大小，降序存储ST1的节 点信息 CI1(ST1)15步骤3:根据授权节点PT能够容忍的最大干扰阈值Imax，从步骤2存储的所有节点信 息中选择最合适的协作节点并存储到集合CR中。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选 择方法，其特征在于在步骤1的授权节点PT选择符合能量要求的CN1(ST1-PT)的处理 步骤为步骤101:每收到一个协作传输请求信息CN1(ST1-PT),授权节点PT检查此 CN1(ST1-PT)中的PP1(ST1),若PP1(ST1)小于最小能量阈值PMT，则转到步骤102;否 则，转到步骤103;步骤102 丢弃此CN1(ST1-PT)，并转到步骤101 ； 步骤103 存储此CN1(ST1-PT)，并转到步骤101。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的 选择方法，其特征在于对于步骤1存储的任意CN1(ST1-PT),获得节点ST1的协作因子 Cindex1(ST1)及节点信息CI1 (ST1)的处理步骤为步骤201:计算非授权节点ST1的转发速率RRJST)。先根据授权接收节点PR节 的位置信息AD(PR)和CN1 (ST1-PT)中的位置信息AD1 (ST1),按照距离公式，计算出非授权发送节点ST1与授权接收节点PR之间的距离饵，然后根据信道增益公式=▲，计算出非授权发送节点ST1与授权接收节点PR间的链路增益hsip，最后按照香农公式RR1 =log2(l + ^-^)，计算出非授权节点的转发速率RR1,所述Ps为非授权发送节点的发送能量，N。为环境噪声(在本发明中，一般取Ps设定为400mw，N。为40mw)。步骤202 根据步骤201得到的节点ST1的转发速率RR1(ST1)，以及CN1(ST1-PT)中 的 PP1,计算出节点的协作因子 Cindex1(ST1),所述的 Cindex1 (ST1) = RR1 (ST1)+PPl0步骤203:根据步骤202得到的协作因子Cindex1(ST1),将节点ST1的节点信息 CI1(ST1)按照Cindex1(ST1)的大小降序存储。步骤204:取存储在CN1(ST1-PT)后的下一个协作请求信息CNj(STpPT),转步骤201。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选 择方法，其特征在于对节点信息的存储顺序依次取一个节点信息CIk(STk),进行如下 的步骤处理步骤301 计算非授权发送节点STk对授权发送节点PR的干扰。先由节点STk 的CIk(STk)中的位置信息ADk(STk)和授权接收节点PR的位置信息AD(PR)，根据 距离公式，计算出非授权发送节点STk与授权接收节点PR的距离Idtk,然后根据公式h^ =▲，计算出非授权发送节点STk与授权接收节点PR的链路增益hskp，最后按照公式 计算出非授权发送节点STk对授权接收节点PR的干扰Ik(STk)；步骤302 根据步骤301得到的干扰Ik(STk)，计算授权接收节点PR当前的累积干扰 IA,这里所述的累积干扰IA = IA+Ik(STk)。若累积干扰IA小于PR能够容忍的最大干 扰阈值Imax则转步骤304;否则，转步骤303。步骤303:将此节点STk的节点信息CIk(STk)中的位置信息ADk (STk)存储到协作节 点集合CR中，然后取存储在CIk(STk)后的下一个节点信息CIp(STp),转步骤301。步骤304:协作节点选择过程完毕，协作节点集合CR中存储的各位置信息对应的节 点即为最合适的协作节点。
全文摘要
本发明公开了一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选择方法，该方法中授权节点对非授权节点协作请求信息的收集过程。其中，授权节点根据发送协作请求信息节点的剩余能量筛选协作请求信息。有利于减小非授权节点在协作传输过程中因能量耗尽而死机的概率。授权节点选择协作节点的过程。授权节点根据非授权节点的协作因子大小，在授权节点能够忍受的干扰下，逐一筛选合适的非授权节点作为协作节点。本发明的方法能够为认知无线电网络的授权节点提供了一种如何从非授权节点中如何选择协作节点的手段。该方法可以应用在任何有授权节点和非授权节点协作传输的认知无线电网络中。
文档编号H04W28/16GK102014396SQ20101059171
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘轶, 卢金燕, 张焜, 王锐, 钱德沛 申请人:北京航空航天大学