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        無線網(wǎng)絡中提高接入公平性的信道分配算法

        2018-11-09 02:58:00李雅婧
        山西電子技術 2018年5期
        關鍵詞:分配

        李雅婧

        (山西省新聞出版廣電局監(jiān)管中心,山西 太原 030001)

        頻譜是無線通信中的寶貴資源。目前可用的頻譜資源常被劃分為多條信道,采用固定的方式進行信道分配。這種分配方法的頻譜利用率較低。對此有學者提出了認知無線電的概念[1]。采用認知無線電技術的設備可學習周圍環(huán)境,并根據(jù)環(huán)境動態(tài)改變使用的頻譜、調(diào)制方式、發(fā)射機功率等相關參數(shù),以提高通信性能。

        無線網(wǎng)絡處在開放的環(huán)境中,網(wǎng)絡易被攻擊,節(jié)點也易被外界控制[2]。被外界控制的節(jié)點將成為網(wǎng)絡的惡意節(jié)點。惡意節(jié)點試圖長期占用通信質(zhì)量較好的信道,使得其他節(jié)點失去了公平接入信道的可能,擾亂了正常的信道分配。針對這一問題,本文提出了一種可以避免惡意節(jié)點長期占用信道,提高接入公平性的信道分配算法。該算法采用匈牙利算法計算信道分配結果,可在保證各對節(jié)點互不沖突的前提下獲得最大的通信容量。

        1 提高接入公平性的信道分配算法

        1.1 通信模型

        本文設計的信道分配算法采用了以下通信模型:

        1) 認知無線網(wǎng)絡中的節(jié)點可分為普通的數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點和中心控制節(jié)點。設網(wǎng)絡中共有2M個數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點,其中可分為M個發(fā)送節(jié)點Si,i∈{1,2,3…,M}和M個接收節(jié)點Rk,k∈{1,2,3…,M}。此外還有一個中心控制節(jié)點,該節(jié)點主要負責信道分配,不參與數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送工作。

        2) 認知無線網(wǎng)絡中的信道可分為普通的數(shù)據(jù)通信信道和控制信道。設供普通收發(fā)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺罃?shù)為N,各條信道的帶寬分別為Bj。每對節(jié)點只可接入一條信道,且每條信道只允許一對節(jié)點接入。此外還有一條控制信道,該信道只用于傳輸和信道分配有關的信息,普通的收發(fā)節(jié)點不在控制信道上發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

        3) 網(wǎng)絡的通信容量可由各對收發(fā)節(jié)點使用信道的帶寬Bj和對應信道空閑概率pij的乘積之和表示。信道分配的目標是尋找可獲得最大通信容量的分配方式。

        1.2 算法介紹

        本文設計的算法可分為以下兩個階段。

        1.2.1 信息匯聚階段

        在信息匯聚階段,認知無線網(wǎng)絡中的發(fā)送節(jié)點使用時分復用的方法依次向中心控制節(jié)點發(fā)送信道分配請求報文,報文中包括該發(fā)送節(jié)點的信道概率向量Wi。發(fā)送節(jié)點的信道概率向量Wi為行向量。Wi共有N個元素,第i個發(fā)送節(jié)點Si發(fā)送的信道概率向量如式(1)所示。

        Wi=[pi1,pi2,pi3,…,piN]

        .

        (1)

        其中pij是第i個發(fā)送節(jié)點認為第j條信道可能空閑的概率,對所有的i,j, 均有pij≤1。

        1.2.2 信道分配階段

        在信道分配階段,為避免惡意節(jié)點長期占用某些信道,提高節(jié)點接入信道的公平性,網(wǎng)絡中的中心控制節(jié)點保存了各個發(fā)送節(jié)點接入每條信道的次數(shù),用變量C表示,即cij為第i個發(fā)送節(jié)點接入第j條信道的次數(shù)。對于所有的發(fā)送節(jié)點,cij的初始值均為0。同時中心控制節(jié)點還設置了以發(fā)送節(jié)點接入信道次數(shù)為自變量的公平函數(shù)f(cij)。中心控制節(jié)點在接收到M個發(fā)送節(jié)點的信道概率向量Wi后,需進行如下操作:

        1) 中心控制節(jié)點根據(jù)每個發(fā)送節(jié)點接入信道的次數(shù)cij計算公平函數(shù)的取值,并將結果排列成信道公平向量Qi。第i個發(fā)送節(jié)點的公平向量Qi為行向量,共由N個元素組成,每個元素為該發(fā)送節(jié)點接入某一信道次數(shù)cij的函數(shù)f(cij),具體計算如式(2)所示。

        Qi=[f(ci1),f(ci2),f(ci3),…,f(ciN)]

        .

        (2)

        2) 中心控制節(jié)點將各個發(fā)送節(jié)點的信道概率向量Wi,公平向量Qi以及帶寬Bj按對應元素相乘,得到行向量Ai,如式(3)所示。

        Ai=[pi1f(ci1)B1,pi2f(ci2)B2,…,piNf(ciN)BN]

        .

        (3)

        3) 中心控制節(jié)點將M個行向量Ai排列成信道分配矩陣S,其中每個發(fā)送節(jié)點的行向量Ai構成矩陣S的一行,如式(4)所示, 矩陣中的每個元素可表示為Sij。

        (4)

        若發(fā)送節(jié)點的數(shù)目M與信道數(shù)N不等,則信道分配矩陣S不是方陣,因此需要進行矩陣變換。具體操作為增加虛節(jié)點或虛信道。在信道分配矩陣S中,虛節(jié)點和虛信道對應位置的元素均為0。

        4) 獲得經(jīng)過變化的信道分配矩陣S后,中心控制節(jié)點即可進行信道分配。信道分配的結果需保證每對收發(fā)節(jié)點可接入一條信道,且每條信道只有一對節(jié)點接入。因此分配結果可用矩陣X表示。X為M×N的矩陣,矩陣中元素xij的取值只有0和1兩種情況,表示第i個發(fā)送節(jié)點是否接入信道j。具體為:

        (5)

        6) 中心控制節(jié)點求得信道分配結果后,需更新各發(fā)送節(jié)點接入信道的次數(shù)cij。當?shù)趇個發(fā)送節(jié)點被分配至第j條信道后,cij的數(shù)值加1,其余位置的接入次數(shù)保持不變。同時中心控制節(jié)點廣播發(fā)送信道分配結果。各對收發(fā)節(jié)點在切換至被分配的信道后即可開始通信。

        2 公平函數(shù)的設計

        當信道分配矩陣S中某一元素sij的取值較大時,則信道j會有較大的概率被分配給發(fā)送節(jié)點i。若第i個發(fā)送節(jié)點想長期占據(jù)信道j,則該節(jié)點可故意增大自己信道概率向量中的pij,使得對應的sij變大,以便盡可能地滿足自己的通信需求。

        為避免惡意節(jié)點故意增大某條信道的空閑概率pij以獲得較大的sij,在本文設計的信道分配方案中,sij將由節(jié)點發(fā)送的信道空閑概率pij,公平函數(shù)f(cij)以及信道帶寬Bj三者的乘積構成。公平函數(shù)f(cij)的取值隨發(fā)送節(jié)點接入信道次數(shù)的增加而減小,即當發(fā)送節(jié)點i已多次接入信道j時,公平函數(shù)f(cij)的取值將會減小,和信道空閑概率以及帶寬相乘后,信道分配矩陣中對應位置的元素值也將減小,從而降低發(fā)送節(jié)點i再次接入信道j的可能,力求避免惡意節(jié)點長期占用某條信道。

        公平函數(shù)f(cij)應為減函數(shù),且當發(fā)送節(jié)點接入該信道的次數(shù)為0時,公平函數(shù)的取值為1,不對信道分配矩陣產(chǎn)生影響。負指數(shù)函數(shù),反比例函數(shù)等均可選作公平函數(shù)。

        3 仿真結果

        在仿真實驗中,設認知無線網(wǎng)絡中有一個中心控制節(jié)點,此外還有四個發(fā)送節(jié)點S1,S2,S3,S4以及4個接收節(jié)點R1,R2,R3,R4,他們形成四個收發(fā)節(jié)點對(S1-R1, S2-R2, S3-R3和S4-R4)。在網(wǎng)絡中還存在著四條用于數(shù)據(jù)通信的普通信道和一條控制信道。

        設各個發(fā)送節(jié)點的信道概率向量中元素pij的取值均服從0到1上的均勻分布。當四個發(fā)送節(jié)點均如實發(fā)送自己的概率向量時,每條信道被各個發(fā)送節(jié)點占用的比例約為25%,即在1000次信道分配中,每條信道被各個節(jié)點占用的次數(shù)應為250次左右。

        3.1 公平函數(shù)對信道分配的影響

        圖1繪制了在未引入公平函數(shù)的情況下,1000次信道分配后四個發(fā)送節(jié)點接入各條信道的次數(shù)。由圖1可知,當不使用公平函數(shù)(即f(cij)=1)時,惡意節(jié)點S1接入信道1的次數(shù)遠遠高于其他三個節(jié)點接入信道1的次數(shù),因此可認為節(jié)點S1長時間占用了信道1,其他節(jié)點失去了公平使用信道1的機會,只能接入其他三條信道。

        圖1 未引入公平函數(shù)時四個發(fā)送節(jié)點接入各條信道的次數(shù)

        圖2 引入公平函數(shù)后四個發(fā)送節(jié)點接入各條信道的次數(shù)

        4 結論

        本文提出了一種無線網(wǎng)絡中提高節(jié)點接入公平性的信道分配算法。通過保存各個節(jié)點接入信道的次數(shù)并引入公平函數(shù),該算法可有效避免惡意節(jié)點對信道分配的干擾;使用匈牙利算法確保了最終的分配結果不會在節(jié)點間產(chǎn)生沖突,且能獲得最大的網(wǎng)絡通信容量。

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