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

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。

说明书

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ST_i(i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CN_i(ST_i-PT)，所述CN_i(ST_i-PT)中包括此节点的位置信息AD_i(ST_i)和此节点当前剩余能量PP_i(ST_i)，将该协作传输请求信息CN_i(ST_i-PT)表达为集合式为CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}。授权发送节点PT收到CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}后，首先检查CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}中的当前剩余能量PP_i(ST_i)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一般设定为400J)，若是，则丢弃此CN_i(ST_i-PT)；反之，存储CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}。

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CN_i(ST_i-PT)，授权发送节点PT先根据CN_i(ST_i-PT)中的AD_i(ST_i)和授权接收节点PR的位置信息AD(PR)，计算出节点ST_i的转发速率RR_i(ST_i)，然后根据RR_i和CN_i(ST_i-PT)中的PP_i，计算出节点ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)(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Cindex_i(ST_i)的大小，降序存储ST_i的节点信息CI_i(ST_i)，所述CI_i(ST_i)包括节点ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)和位置信息AD_i(ST_i)，将该信息CI_i(ST_i)表达成集合式为CI_i(ST_i)＝{Cindex_i(ST_i)，AD_i(ST_i)}。按照CI_i(ST_i)的存储顺序，依次对每一个CI_i(ST_i)，先通过CI_i(ST_i)中的AD_i(ST_i)，计算出ST_i对授权接收节点PR产生的干扰I_i(ST_i)。若累积干扰IA(这里所述的IA为IA＝IA+I_i(ST_i)，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I_max(在本发明中，I_max一般设定为60DB)，将CI_i(ST_i)中的AD_i(ST_i)加入到协作节点集合CR，所述CR可表示为CR＝{node|node＝AD_i(ST_i)}，接着处理下一个CI_i(ST_i)；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。

附图说明

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ST_i(i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CN_i(ST_i-PT)，所述CN_i(ST_i-PT)中包括此节点的位置信息AD_i(ST_i)和此节点当前剩余能量PP_i(ST_i)，将该协作传输请求信息CN_i(ST_i-PT)表达为集合式为CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}。

授权发送节点PT收到CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}后，首先检查CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}中的当前剩余能量PP_i(ST_i)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一般设定为400J)；若PP_i(ST_i)小于等于PMT(PP_i(ST_i)≤PMT)，则丢弃此CN_i(ST_i-PT)；若PP_i(ST_i)大于PMT(PP_i(ST_i)＞PMT)，则存储CN_i(ST_i-PT)＝{AD_i(ST_i)，PP_i(ST_i)}。

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CN_i(ST_i-PT)，授权发送节点PT先根据CN_i(ST_i-PT)中的AD_i(ST_i)和授权接收节点PR的位置信息AD(PR)，计算出节点ST_i的转发速率RR_i(ST_i)，然后根据RR_i和CN_i(ST_i-PT)中的PP_i，计算出节点ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)(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Cindex_i(ST_i)的大小，降序存储ST_i的节点信息CI_i(ST_i)，所述CI_i(ST_i)包括节点ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)和位置信息AD_i(ST_i)，将该信息CI_i(ST_i)表达成集合式为CI_i(ST_i)＝{Cindex_i(ST_i)，AD_i(ST_i)}。按照CI_i(ST_i)的存储顺序，依次对每一个CI_i(ST_i)，先通过CI_i(ST_i)中的AD_i(ST_i)，计算出ST_i对授权接收节点PR产生的干扰I_i(ST_i)。若累积干扰IA(这里所述的IA为IA＝IA+I_i(ST_i)，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I_max(在本发明中，I_max一般设定为60DB)，将CI_i(ST_i)中的AD_i(ST_i)加入到协作节点集合CR，所述CR可表示为CR＝{node|node＝AD_i(ST_i)}，接着处理下一个CI_i(ST_i)；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ST_i的协作传输请求信息CN_i(ST_i-PT)，选择符合能量要求的CN_i(ST_i-PT)，并存储该CN_i(ST_i-PT)；

步骤2：对于步骤1存储的任意CN_i(ST_i-PT)，先计算节点ST_i的转发速率RR_i(ST_i)，然后计算ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)，最后按照Cindex_i(ST_i)的大小，降序存储ST_i的节点信息CI_i(ST_i)。

步骤3：根据授权节点PT能够容忍的最大干扰阈值I_max，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CN_i(ST_i-PT)的处理步骤为：

步骤101：每收到一个协作传输请求信息CN_i(ST_i-PT)，授权节点PT检查此CN_i(ST_i-PT)中的PP_i(ST_i)，若PP_i(ST_i)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CN_i(ST_i-PT)，并转到步骤101；

步骤103：存储此CN_i(ST_i-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CN_i(ST_i-PT)，获得节点ST_i的协作因子Cindex_i(ST_i)及节点信息CI_i(ST_i)的处理步骤为：

步骤201：计算非授权节点ST_i的转发速率RR_i(ST_i)。先根据授权接收节点PR节的位置信息AD(PR)和CN_i(ST_i-PT)中的位置信息AD_i(ST_i)，按照距离公式，计算出非授权发送节点ST_i与授权接收节点PR之间的距离dt_i，然后根据信道增益公式计算出非授权发送节点ST_i与授权接收节点PR间的链路增益h_sip，最后按照香农公式计算出非授权节点的转发速率RR_i，所述P_S为非授权发送节点的发送能量，N₀为环境噪声(在本发明中，一般取P_S设定为400mw，N₀为40mw)。

步骤202：根据步骤201得到的节点ST_i的转发速率RR_i(ST_i)，以及CN_i(ST_i-PT)中的PP_i，计算出节点的协作因子Cindex_i(ST_i)，所述的Cindex_i(ST_i)＝RR_i(ST_i)+PP_i。

步骤203：根据步骤202得到的协作因子Cindex_i(ST_i)，将节点ST_i的节点信息CI_i(ST_i)按照Cindex_i(ST_i)的大小降序存储。

步骤204：取存储在CN_i(ST_i-PT)后的下一个协作请求信息CN_j(ST_j-PT)，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CI_k(ST_k)，进行如下的步骤处理：

步骤301：计算非授权发送节点ST_k对授权发送节点PR的干扰。先由节点ST_k的CI_k(ST_k)中的位置信息AD_k(ST_k)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ST_k与授权接收节点PR的距离Idt_k，然后根据公式计算出非授权发送节点ST_k与授权接收节点PR的链路增益h_skp，最后按照公式计算出非授权发送节点ST_k对授权接收节点PR的干扰I_k(ST_k).

步骤302：根据步骤301得到的干扰I_k(ST_k)，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+I_k(ST_k)。若累积干扰IA小于PR能够容忍的最大干扰阈值I_max，则转步骤304；否则，转步骤303。

步骤303：将此节点ST_k的节点信息CI_k(ST_k)中的位置信息AD_k(ST_k)存储到协作节点集合CR中，然后取存储在CI_k(ST_k)后的下一个节点信息CI_p(ST_p)，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。