一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點頻率的分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(自組織對等多跳移動通信網(wǎng)絡(luò))中的節(jié)點動態(tài)、合理的分配工作頻率的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)組織形式。與傳統(tǒng)的服務(wù)器-客戶端模型不同，AdHoc網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點的動態(tài)連接形成，每個節(jié)點之間都是平等的。節(jié)點既可以作為客戶接受來自其他節(jié)點的消息，又可以作為信源向外發(fā)送消息，同時還可以作為路由節(jié)點進(jìn)行中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。由于其具有自組織的特性，可以快速而方便的組網(wǎng)，因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被用于特定場景下。但是隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的日常應(yīng)用也開始朝向Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)展，例如物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)。
[0003]在任何無線網(wǎng)絡(luò)中，頻率分配都是一個至關(guān)重要的問題。所謂頻率分配，指的是為無線網(wǎng)絡(luò)中的每個發(fā)射節(jié)點分配合適的工作頻率。一方面，距離相近的節(jié)點所使用的頻率要有一定的差異，否則節(jié)點之間會產(chǎn)生干擾進(jìn)而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降；另一方面，由于頻率資源受限，因此頻率要盡可能的復(fù)用，以滿足更多節(jié)點的通信需求。以上兩個方面所反映出的要求一一通信質(zhì)量和頻帶利用率，本質(zhì)上是相互矛盾的，因此在不同的應(yīng)用場景中各自的權(quán)重有所不同。在一些既有的無線網(wǎng)絡(luò)場景中，例如地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)和2G/3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，頻率分配已經(jīng)得到很好的解決。然而，在這些網(wǎng)絡(luò)中，大功率的發(fā)射節(jié)點(電視發(fā)射塔和基站)是經(jīng)過仔細(xì)選址的，并且在建成后是固定不動的，而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點是可以任意移動的，包括節(jié)點相對位置的改變和加入/離開網(wǎng)絡(luò)等，這就為頻率分配帶來了新的挑戰(zhàn)。
[0004]在現(xiàn)有的頻率分配方法中，絕大多數(shù)是將頻率分配問題轉(zhuǎn)化為圖論中的頂點著色問題進(jìn)行分析，即:首先把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點看作無向圖中的頂點，把可能存在干擾的節(jié)點之間用一條邊連接起來，形成“干擾圖”;然后按照圖論中的著色理論為每個頂點進(jìn)行著色，即完成節(jié)點的頻率分配。用圖論/著色理論來解決頻率分配問題的思想最早源于論文“Frequencyassignment: theory and applicat1ns”，其中提出了兩種經(jīng)典模型，即T著色和具有加權(quán)邊的著色。在這之后，陸續(xù)有其他學(xué)者提出類似的模型，如列表著色等。然而，這些模型與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)之間存在一些不相容的地方。第一，上述模型中，頻率分配的優(yōu)化目標(biāo)是盡可能使用最少的頻率資源。而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景中，由于網(wǎng)絡(luò)一般具有特殊用途，因此頻率資源是給定的，進(jìn)而優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)為總的頻率間隔度(即所有相鄰節(jié)點之間頻率間隔的和)最大，既保障通信質(zhì)量最優(yōu)；第二，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點既是發(fā)射單元又是接收單元。當(dāng)兩個使用相近頻率的節(jié)點同時向一個節(jié)點發(fā)送消息時，在接收節(jié)點處會產(chǎn)生干擾，這就要求在“干擾圖”中相隔兩跳的節(jié)點之間所使用的頻率也不能相近，而在以上模型中，僅僅要求相隔一跳節(jié)點之間使用的頻率不相近；第三，當(dāng)某個節(jié)點所使用的頻率的信道質(zhì)量發(fā)生變化時，為了提高通信質(zhì)量，需要該節(jié)點在不對其它節(jié)點產(chǎn)生干擾的情況下做出適應(yīng)環(huán)境的改變，而一般的著色理論難以實現(xiàn)這種局部的改變。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中頻率分配存在的問題，提供了一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點頻率的分配方法，可以實現(xiàn)在給定最小頻率間隔限制和總頻段帶寬限制的條件下，對節(jié)點進(jìn)行以總的頻率間隔最大為優(yōu)化目標(biāo)的頻率分配，即最大限度保障通信質(zhì)量。同時，在完成頻率分配、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工作狀態(tài)后，當(dāng)某個節(jié)點當(dāng)前所使用的頻率因外界環(huán)境變化而無法使用時，節(jié)點可以進(jìn)行改變，且改變后仍然滿足限制條件。總而言之，該方法在實現(xiàn)傳統(tǒng)頻率分配的基礎(chǔ)上，同時解決了上述的三方面問題。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供了一種用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的頻率分配方法，包括兩個部分:最優(yōu)化頻率分配方法和動態(tài)頻率改變機制。最優(yōu)化頻率分配算法可以根據(jù)輸入信息(包括“干擾圖”和限制條件等)計算出最優(yōu)的頻率分配結(jié)果；動態(tài)頻率改變機制可以在已經(jīng)完成頻率分配的基礎(chǔ)上，完成某個特定的節(jié)點改變頻率的要求，并且不會影響到其他節(jié)點。具體包括如下步驟:
[0008]第一步，設(shè)定最小頻率間隔限制、總頻段帶寬限制、第一計數(shù)器的最大值、第二計數(shù)器的最大值，初始化禁忌列表為零，初始化第一計數(shù)器為零，初始化第二計數(shù)器為零
[0009]第二步，選擇下一個待分配頻率的節(jié)點，具體如下:若無未分配頻率的節(jié)點，則轉(zhuǎn)到第四步；否則，選擇當(dāng)前情況下飽和度最大的節(jié)點(飽和度最大的節(jié)點是指當(dāng)前未分配頻率的節(jié)點中擁有最多已分配頻率鄰居的節(jié)點)。如果有幾個飽和度相等的節(jié)點，則選擇度最大的節(jié)點(度最大的節(jié)點是指未分配頻率的節(jié)點中擁有鄰居最多的節(jié)點)，進(jìn)入第三步。
[0010]第三步，對當(dāng)前選擇的節(jié)點，根據(jù)給定的最小頻率間隔限制和總頻段帶寬限制確定其可用頻率，具體如下:若無可用頻率，則算法終止，即在當(dāng)前限制條件下，所給的“干擾圖”無法實現(xiàn)對所有節(jié)點的頻率分配；否則，對所有可用頻率進(jìn)行遍歷，找出使當(dāng)前總的頻率間隔度最大的頻率作為當(dāng)前節(jié)點的頻率，返回第一步。
[0011]第四步，在當(dāng)前分配結(jié)果(用X表示)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，具體如下:(I)更新禁忌列表(禁忌列表是一個具有固定長度的存放節(jié)點的列表)，具體如下:首先隨機選擇一個不在禁忌列表中的節(jié)點(若禁忌列表為空，則隨機選擇任意一個節(jié)點)，找出所有在X下滿足上述限制條件的頻率，并隨機選擇一個與X中該節(jié)點所使用的頻率不同的頻率作為該節(jié)點新的頻率，產(chǎn)生新的分配結(jié)果(用Y表示)，同時將該節(jié)點加入禁忌列表中，若禁忌列表已經(jīng)滿了，則將最先進(jìn)入的節(jié)點移除。(2)計算Y的總的頻率間隔度。①若大于X的頻率間隔度，則用Y取代X (X=Y)，計數(shù)器A (初始值為零)加一，若A達(dá)到上限，則完成優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工作狀態(tài)(即所有節(jié)點都已分配頻率)；否則(Α未達(dá)到上限)，清空禁忌列表，計數(shù)器B歸零，返回
(I).②若不如X，則先另存X (用Z表示)，同時用Y取代X (Χ=Υ)，計數(shù)器B (初始值為零)加一，若B未達(dá)到上限，則返回(I);否則(B達(dá)到上限)，清空禁忌列表，B清零，A加一，用Z取代X (Χ=Ζ)，返回(I)。
[0012]網(wǎng)絡(luò)在工作狀態(tài)下，若某個節(jié)點要求改變頻率，則通過上述限制條件計算其當(dāng)前所有可用頻率，從中選擇一個與之前不同的頻率作為新的頻率，并用當(dāng)前分配結(jié)果取代之前的分配結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)重新回到工作狀態(tài)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于以下幾點:
[0014]1.實現(xiàn)了滿足最小頻率間隔限制和總頻段帶寬限制的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的頻率分配，最大限度的減少節(jié)點之間的干擾，保障通信質(zhì)量。
[0015]2.與基于傳統(tǒng)著色理論的頻率分配方法相比，添加了兩跳節(jié)點之間的限制條件，更加符合實際情況。
[0016]3.在分配完成的基礎(chǔ)上，可以動態(tài)的根據(jù)環(huán)境情況改變節(jié)點所使用的頻率，同時滿足限制條件。
【附圖說明】
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[0017]圖1.本發(fā)明Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點頻率的分配方法的流程圖。
[0018]圖2.本發(fā)明實際應(yīng)用頻率分配結(jié)果圖，其中(a)為中心發(fā)散狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?b)為樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br>[0019]圖3.本發(fā)明實際應(yīng)用節(jié)點改變頻率圖，其中(a)為改變前，(b)為改變后。
【具體實施方式】
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[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本實施例在