分布式频谱资源动态分配的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线网络领域的技术，具体涉及一种无线网络中分布式频谱资源 动态分配方法，解除集中式分配方法中对中心节点的依赖，在保证可行的计算与通信开销 的前提下，结合频谱的空间可重用性，激励节点如实参与分布式的频谱动态分配过程，提高 频谱资源的分配效用。
【背景技术】
[0002] 快速增长的无线技术正在争夺有限的频谱资源。大量新加入的无线服务与应用对 频谱资源的需求，已经难以通过传统的代价高且效率低的静态频谱分配方法得到满足。因 此亟需设计公平高效的频谱资源动态分配方法。
[0003] 近年来，涌现了很多性能良好的频谱动态分配方法，它们考虑频谱资源的空间可 重用性，以及频谱资源对无线网络中不同节点的多样化的价值，进行动态的按需分配。然 而，这些方法往往都依赖于一个集中式的、可靠的权威机构来进行操作。这一中心节点收集 所有节点对频谱资源的估价和需求，基于全局情况，分配频谱资源，并向获得频谱的节点收 取一定的租用费用。
[0004] 通过观察可发现，集中式的频谱动态分配方法存在诸多弊端。第一，它当有一个实 时存在的可靠的中心节点，而实际的无线网络次级频谱市场中，这样的中心节点可能并不 存在。第二，集中式分配方法的可扩展性并不理想，中心节点为了动态按需分配频谱资源， 需要与每个无线节点建立可靠的通信信道，以便收集节点对频谱资源的估价和需求，而这 类通信信道在实际应用场景中可能并不存在。第三，集中式分配方法的鲁棒性值得质疑，一 旦中心节点出现故障，整个分配过程将被迫停止。因此，有必要设计分布式的频谱资源动态 分配方法。
[0005] 分布式频谱资源动态分配方法的设计面临几个挑战。第一，分布式方法不再通过 集中式的中心节点来管理动态分配过程，此时无线节点被赋予了双重身份，它们不仅需要 竞争频谱资源，还需要合作决定动态分配结果，它们的行为空间由集中式的一维（提供估 价）扩展至分布式的三维（提供估价、参与通信与计算结果）。第二，无线频谱具有空间可 重用性，在满足足够的信噪比时，多个节点可同时使用同一个波段的频谱，这使得频谱资源 分配最优化问题即便是在集中式环境中也变得多项式时间内不可计算。第三，节点的计算 能力和通信能力有限，无法直接采用传统的可信多方计算方法，而需要设计防操纵性的分 布式频谱动态分配机制，防止节点通过策略性的行为获得不正当的效用，激励节点真实地 参与动态分配过程。
[0006] 现有的频谱资源动态分配方法并没有综合考虑上述挑战。具体地说，目前的分布 式频谱共享方法不具备防操纵性，而防策略性的频谱分配机制都是集中式的。
[0007] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101681472,公开日2010 -03 -24， 公开了一种无线客户机上的启用频谱拍卖从而允许节点获得频谱接入的方法，包括以下内 容：频谱提供者虽然对频谱具有独占权限，但在某些约束条件下允许其他用户接入该频谱； 无线客户机对在其他情况下不可用的频谱的使用权限进行投标，发送接入频谱的请求，接 收到具有约束的接入频谱的提议后，可以选择接受、拒绝该提议或对该提议进行还价。但该 技术的集中式的拍卖机制依赖于可信的中心节点，且不具备良好的可扩展性与鲁棒性。
[0008] 中国专利文献号CN103987051A，公开日2014 - 08 - 13,公开了一种基于无线传感 器网络可靠感知的频谱共享方法，包括以下步骤：构建具有无线传感器辅助认知的无线电 网络；融合中心按照传感器节点与融合中心的距离大小选取传感器节点参与频谱感知，融 合各节点感知到的频谱结果，获得当前可用于分配的频谱资源；将频谱分配状态转换为图 论着色优化问题，引入量子菌群算法，通过对细菌进行量子位编码，测量及更新来实现公平 有效的共享方案。但该技术没有考虑频谱资源对不同传感器节点的价值差异，不能将有限 的频谱资源分配给最能够有效利用它的节点，且同样存在上述集中式方法的诸多弊端。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术存在的不足，提出一种分布式频谱资源动态分配的实现方 法，能够将频谱分配过程分布式化，解除了集中式方法对可靠中心节点和通信信道的依赖， 考虑了无线频谱的空间可重用性，在保障可行的计算与通信开销的前提下，实现了频谱的 次优分配，提高了总体资源分配效用；再者，该机制具有防操纵性，大大减少了节点为了做 出最优选择所需的行为空间探索开销，避免了操纵行为对真实参与分配过程的节点的效用 的损害。
[0010] 本发明通过以下技术方案实现：
[0011] 本发明包括以下步骤：
[0012] 步骤1、收集信道需求信息：根据节点之间的冲突关系，各节点分别与邻居节点交 换对信道的估价与需求数，得到局部信息集，并根据估价排序确定邻居节点的优先级。
[0013] 所述的冲突关系即节点之间的信噪比冲突关系，具体是指：当两个节点同时通信 时的信噪比低于阈值，即认为存在冲突，两节点不能同时使用同一信道，并用冲突图表示。 存在冲突的节点之间可以通过预定的控制信道相互通信，从而实现分布式频谱分配过程。
[0014] 所述的分布式频谱分配过程是指N个需要信道的各个节点，A = {心七,dn}，在 竞争与合作共存的情形下，决定如何将m个同质正交的无线信道，￡ = [q,C2cm}，按需动 态分配，并实现优化目标。
[0015] 本发明的优化目标为最大化总体资源分配效用，即maximize SW兰2aiew(di X Vi)， 其中：Vi是节点a i对信道的价值估计，d 1是a i对信道的需求数，p 1是a i为自己分配到的信 道所需要支付的租用费用，W是所有获得信道的节点的集合。此过程不需要一个集中式的 中心节点的管理，而是由各个节点合作组织并完成。
[0016] 所述的局部信息集是指各节点只需要收集与之直接相邻的节点的信息，而不需要 考虑多跳和全局情况。
[0017] 所述的邻居节点的优先级是指可用信道使用权的先后选择顺序满足最大化总体 资源分配效用，本发明使用贪心算法将可用信道优先分配给估价更高的节点。
[0018] 所述的优先级分为优先邻居节点集或反馈邻居节点集，其中：优先邻居节点集中， 邻居节点的估价高于本节点或与本节点相同但拥有更小的身份序列，因此邻居节点在信道 分配过程中将优先于本节点选择信道；反馈邻居节点集中，邻居节点的估价低于本节点，或 与本节点相同但拥有更大的身份序列，因此邻居节点在信道分配过程中将对本节点的选择 做出反馈。
[0019] 步骤2、选择可用信道与计算租用费用反馈信息：
[0020] 2. 1)各节点根据局部信息集中的优先级依次从可用信道集中选择需求数个信道， 生成信道选择结果消息；
[0021] 2. 2)获得信道的节点进一步生成租用费用计算请求消息；
[0022] 2. 3)各个节点对从邻居节点处收到的租用费用计算请求做出反馈，生成信道反馈 消息；
[0023] 2. 4)获得信道的节点将信道选择结果消息、租用费用计算请求消息和信道反馈消 息融合成一条消息并对邻居节点进行广播。
[0024] 所述的信道反馈消息是指优先邻居节点集中获得信道的邻居节点未曾参与此次 动态分配时，节点将重新选择的信道集。
[0025] 所述的可用信道是指节点选择信道时，本地范围内尚未被优先邻居节点选择的信 道。从原始可用信道集中标记并剔除已选信道，可筛选出当前的可用信道集。限定节点的 信道选择范围为可用信道集可以避免相邻节点同时选择同一信道，从而避免冲突。
[0026] 所述的信道选择结果消息用于通知邻居节点已选信道，即当可用信道的个数大于 等于需求数时，可获得信道；否则，无法获得信道。
[0027] 所述的租用费用计算请求消息是指该节点需要为获得的信道支付一定租用费用， 需要通过反馈邻居节点的反馈信息计算得到，因此向反馈邻居节点提出请求。
[0028] 所述的租用费用是指该节点在此次动态分配中为获得需求数个信道愿意支付的 最小金额，计算公式为 ：Pi= I^Xdi,其中，h是关键邻居提供的信道估价，d i是节点的信道 需求数。
[0029] 步骤3、计算租用费用：获得信道的节点根据信道反馈消息对局部信息集进行更 新、确定关键邻居、计算租用费用；在动态分配结束后，中心节点收集获得信道的节点应该 支付的租用费用。
[0030] 所述的关键邻居是指：在重新选择信道的过程中，使节点无法获得信道的反馈邻 居节点。
[0031] 所述的结算点在动态分配结束后进一步对不正确进行分配计算和消息传输过程 的节点，实施处罚。
[0032] 所述的不正确进行分配计算和消息传输是指：错误地计算可用信道集，错误地选 择可用信道，不按规定融合消息，或不广播融合后的消息。
[0033] 所述的处罚是指：如果节点不正确进行分配计算和消息传输，将可能破坏整个动 态分配过程的有效性，因此结算点将对有这种破坏行为的节点进行一定金额的罚款。
[0034] 本发明涉及一种实现上述方法的分布式频谱动态分配系统，包括：收集信道需求 信息模块、选择可用信道计算租用费用反馈信息模块、计算租用费用模块以及结算认证模 块，其中：收集信道需求信息模块与选择可用信道计算租用费用反馈信息模块相连并传输 节点的信道需求信息和节点优先级信息，选择可用信道计算租用费用反馈信息模块与计算 租用费用相连并传输节点选择的信道和费用反馈信息。 技术效果
[0035] 与现有技术相比，本发明解除了集中式频谱分配方法对可靠中心节点和通信信道 的依赖