[发明专利]基于反图描述的认知网络动态频谱分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及认知网络的动态频谱分配，用于降低认知网络中用户购买频谱时的总花费，以及提高频谱的使用效率。

背景技术

现今的无线通信网络采取的是固定的频谱分配政策，即政府将固定的频谱分配给固定的注册用户或是根据地理位置分配频谱使用权，这种分配方式使得频谱的使用效率仅在15％-80％之间。随着无线电应用范围的不断扩展，频谱资源的稀缺成为无线电应用研究领域无法回避的重要问题。Joseph Mitola博士提出的认知无线电技术从频谱再利用的思想出发，能够对频谱资源达到有效利用并保持可靠通信能力。认知网络被认为是智能无线通信网络，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数，比如传输功率、载波频率和调制技术等，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知网络的核心思想就是通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配和频谱共享。

认知网络的目的就是更好地利用网络中空闲的频谱，以提高频谱的动态分配能力，从而提高频谱的使用效率。因为部分的频谱已经被授权用户所占用，认知网络的任务就是在不影响授权用户正常通信的条件下，将授权用户所空闲的频谱分配给认知网络用户，从而提高了空闲频谱的使用效率。假设一个网络的某小区中有一个基站和N个认知用户。网络中的基站负责将该小区中授权用户暂时未使用的频谱分配给其认知用户，一旦检测到授权用户开始使用该频谱，那么基站将把备用的空闲频谱分配给该认知用户继续使用。

认知网络的体系构架很多，其中最具代表性的就是基于IEEE 802.22标准的无线区域网WRAN。基于IEEE 802.22标准的无线区域网WRAN使用未使用的电视广播信道，在对电视信道不产生干扰的前提下，为农村地区、边远地区和低人口密度且通信服务质量差的市场提供类似于在城区或郊区使用的宽带接入技术的通信性能。在WRAN系统中，基站和用户预定设备是主要实体，转发器是可选的实体，采用集中式的网络结构。在下行方向上，WRAN采用固定的点对多点星型结构，其信息传播方式为广播方式；在上行方向上，WRAN向用户提供有效的多址接入，采取按需多址DAMA和时分多址TDMA，即各用户网络终端设备CPE以传输需求为基础，根据DAMA和TDMA机制共享上行信道。用户通过与基站BS的空中接口接入核心网络，一个CPE可支持多个传输数据、语音和视频的用户网络的接入，通过BS可接入到多个核心网络。在CPE与BS之间，系统可通过转发器进行转发。在任何情况下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、频率管理和调度控制。

现有的认知网络动态频谱分配方法只是将侦听到的空闲频谱随机分配给要使用的用户，没有考虑用户的花费和频谱的使用效率，也没有考虑通讯服务质量的好坏，因而增加了用户通讯时的花费，降低了频谱的使用效率，同时也影响了用户的通讯质量，造成用户在通讯过程中可能受到其它信号的干扰，影响其正常通讯。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于反图描述的认知网络动态频谱分配方法，以有效地降低认知网络中用户购买频谱时的总花费，提高频谱的使用效率。

本发明的技术方案是把认知网络的动态频谱分配问题转换成反图模型G，在反图模型G中，将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图，图中每一个节点代表一个认知用户，每一条边所连接的两个节点可以共用一个频谱。然后把代表用户的N个节点划分到m个颜色组中，并给每一个颜色组分配一个频谱。具体步骤包括如下：

(1)绘制出认知网络的频谱干扰图；

(2)对绘制出的认知网络频谱干扰图进行反图操作，得到反图模型为：G＝{N，V，E，B，M}，其中N为用户总数，V为代表所有用户的节点集，节点分别标记为1，2...N，E为所有无向边的集合，B为供用户选用的m个频谱的集合，M为m个独立的颜色组；

(3)将用户购买每一个频谱的花费分别记为b₁，b₂…b_m，将m个独立的颜色组分别记为C₁，C₂…C_m；