认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法技术

本发明专利技术公开了一种认知Ad Hoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，主要解决现有技术中多个主用户占用信道时次用户网络的割裂和次用户相互干扰的问题。其实现过程为：1.网络中的每个节点先后广播两次HELLO包，并接收初始邻节点的HELLO包，建立局部两跳拓扑子图；2.基于局部两跳拓扑子图，构建最短路径树，并根据最短路径树构建可保证次用户连通的局部生成子图；3.根据局部生成子图中的一跳邻节点调整发射功率并确定每个节点的逻辑邻节点；4.由网络中的所有节点以及节点与其逻辑邻节点间的链路构成全网拓扑，并进行信道选择。本发明专利技术能保证次用户网络连通，消除次用户干扰，节约信道资源，可用于认知Ad Hoc网络。

【技术实现步骤摘要】
认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法
本专利技术属于无线通信领域，特别涉及一种基于构建K信道连通的网络拓扑结构的方法，可用于认知AdHoc网络。
技术介绍
网络的拓扑结构是影响认知AdHoc网络性能的一个十分重要的因素，提高认知AdHoc网络的鲁棒性、增强网络拓扑的容错能力成为了拓扑控制技术的重点研究方向。认知AdHoc网络中有两种用户，一是主用户，另一个是次用户。主用户享有信道的优先使用权。当主用户占用信道时，次用户必须退让该信道处于静默状态，很有可能影响次用户的连通性。而当多个主用户占用多个信道时，会有大量的次用户退让信道的使用权，这可能会使得网络分割的情况将更加严重，因此，多个主用户出现占用信道资源时如何维持认知AdHoc网络的连通性成为了一个关键性问题。在XinjunWang等作者在IEEEVTC2014上发表的文章“Bi-Channel-ConnectedTopologyControlinCognitiveRadioNetworks”等的算法中可以保证次用户网络的连通，也能消除次用户之间的干扰，但是该方法只对单一主用户有效，当多个主用户出现时，不能保证网络的连通，也不能消除次用户的干扰，从而影响认知AdHoc网络的容错能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的问题，提出一种认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，以保证次级用户网络的连通性，消除次级用户之间的干扰，从而提高认知AdHoc网络的容错能力。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)初始化网络为k点连通，k≥2，网络中每个节点u分别获得一跳和两跳邻接点的序列号和位置信息；(2)根据步骤(1)中的序列号和位置信息建立局部两跳拓扑子图并计算中任意两个有连接关系的节点x,y之间的链路能耗权重wp(x,y)和链路距离权重wd(x,y)；(3)网络中每个节点u构建局部生成子图Su：(3a)初始化每个节点局部生成子图Su的节点集合V(Su)为局部两跳拓扑子图中的所有节点，初始化每个节点局部生成子图Su的边集合E(Su)为空集；(3b)基于局部两跳拓扑子图每个节点u根据链路能耗权重wp(x,y)，构建以u为根，遍及局部两跳拓扑子图中所有节点的最短路径树Tu＝(V(Tu),E(Tu))，其中为局部两跳拓扑子图中的所有节点，E(Tu)为构成最短路径树的所有边，并将这些边记录到局部生成子图的边集合E(Su)中，即E(Su)<＝E(Tu)∪E(Su)；(3c)网络中的每个节点u根据最短路径树Tu找到与自己冲突的节点，构成冲突节点集合CNu，并根据CNu和构建冲突子图CSu＝(V(CSu),E(CSu))，其中(3d)判断冲突子图CSu是否为k-1点连通：若是，则将CSu放入到冲突子图集合{CSu}中；否则，在局部两跳拓扑子图中构建k-1点连通冲突子图令即将放入到冲突子图集合{CSu}中；(3e)判断k-1≥2是否成立：若成立，则执行步骤(3f)，否则，跳到步骤(3m)；(3f)初始化i＝2，其中i表示冲突子图处于第i层；(3g)初始化j＝1，其中j表示冲突子图CSu中第j个冲突节点；(3h)令其中{CSu}j表示在冲突子图CSu的第j个节点的冲突子图，表示第i-1层冲突子图；(3i)对于所有的节点在中找到相应的冲突节点集合CNuv，根据CNuv和构建第i层冲突子图其中的节点集边集(3j)判断是否为k-i点连通冲突子图：若成立，则将并入到冲突子图集合{CSu}中，否则，构建k-i点连通冲突子图令并将并入到集合{CSu}中；(3k)判断j是否满足j＝|{CSu}|：若成立，执行步骤(3l)，否则，j＝j+1，跳到步骤(3h)；(3l)判断i是否满足i＝k-1：若成立，执行步骤(3m)，否则，i＝i+1，跳到步骤(3g)；(3m)对集合{CSu}中的所有冲突子图利用分布式二信道连通算法DBCC构建生成子树Su＝(V(Su),E(Su))，其中V(Su)表示Su的节点集，E(Su)表示Su的边集；(3n)每个节点u根据其他节点发来的拓扑信息更新自己的局部生成子图Su和逻辑冲突邻居集LCNuv，将局部生成子图Su上的一跳邻节点v作为逻辑邻节点，并构成逻辑邻节点集：LCNu＝{v∈V(Su)|(u,v)∈E(Su)}；(3p)更新边集信息E(S)＝E(S)∪E(Su)，更新逻辑邻节点信息LCNu＝V(Su)，其中E(S)表示网络中所有节点生成总的生成图的边集，LCNu表示节点u的逻辑邻节点集合；(4)网络中每个节点u确定自己的发射功率，即将发射功率调整为能够覆盖到所有逻辑邻节点所需要的最小功率：(5)将网络中的所有节点以及每个节点与自己的逻辑邻节点间的链路组合起来，构成最终的全网拓扑，即G＝(V(G),E(G))，其中V(G)为网络中所有节点，E(G)＝{(u,v)|u∈V(G),v∈LCNu}，其中E(G)表示网络G中的边集；(6)使用贪婪染色算法对已构建的最终全网拓扑中的每个节点u进行信道分配。本专利技术具有如下优点：1)本专利技术通过分布式构建局部生成子图，并联合功率控制和信道分配使得次用户网络的独立集不构成网络的割集，解决了多个主用户占用多个信道时，网络不连通的情况，从而保证次用户网络的连通性，实现网络的K信道连通；2)本专利技术联合功率控制和信道分配，不仅减小了节点的发射功率，而且也减少了所需的信道数，从而节约了频谱资源。3)本专利技术通过对已构建的最终全网拓扑中的每个节点u进行信道分配，消除了次用户之间的干扰。附图说明图1为本专利技术适用的认知AdHoc网络场景示意图；图2为本专利技术的实现总流程图；图3为本专利技术中在50个节点网络场景中形成的最大功率拓扑；图4为本专利技术中构建局部生成子图的子流程图；图5为本专利技术中节点u构建拓扑的示例图；图6为对本专利技术生成拓扑的仿真验证图；图7为对本专利技术得到的平均传输半径在不同k值下的仿真对比图；图8为对本专利技术得到的平均信道数在不同k值下的仿真对比图；图9为对本专利技术得到的最大信道数在不同k值下的仿真对比图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施方式做进一步详细描述。参照图1，本专利技术使用的认知AdHoc网络由n个分布在二维平面区域内的节点组成。每个节点代表一个次用户，且具有唯一的序列号，并可以通过GPS或是其他定位技术来获取它自身的位置信息。所有的节点受到多个主用户的影响，主用户可以使用C个信道中的任意一个信道。每个节点可以在C个信道中任意一个信道中发送数据，同时在其他所有信道上侦听数据，除此之外每个节点在物理结构、初始设置、功能特性、参数指标等方面不存在任何差异。在网络中，任意节点间的无线信道为加性高斯白噪声信道。节点通过全向天线与周围节点通信，最大发射功率均为Pmax。任意节点u的发射功率Pu可以在最小和最大之间连续调节，即0≤Pu≤Pmax。传输半径r为对应于节点发射功率的传输距离，任意两个节点之间存在无线链路的充要条件为它们之间的欧式距离小于或等于节点的传输半径r。参照图2，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，网络中每个节点u发送自己的第一节点信息HELLO-1包，并接收一跳邻节点发送的HELLO-1包。(1a)当网络中每个节点均使用最大功率传输时形成的拓扑结构为最大功率拓扑，如图3所示，最本文档来自技高网...

【技术保护点】
认知Ad Hoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，包括如下步骤：(1)初始化网络为k点连通，k≥2，网络中每个节点u分别获得一跳和两跳邻接点的序列号和位置信息；(2)根据步骤(1)中的序列号和位置信息建立局部两跳拓扑子图

【技术特征摘要】
1.认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，包括如下步骤：(1)初始化网络为k点连通，k≥2，网络中每个节点u分别获得一跳和两跳邻接点的序列号和位置信息；(2)根据步骤(1)中的序列号和位置信息建立局部两跳拓扑子图并计算中任意两个有连接关系的节点x,y之间的链路能耗权重wp(x,y)和链路距离权重wd(x,y)；(3)网络中每个节点u构建局部生成子图Su：(3a)初始化每个节点局部生成子图Su的节点集合V(Su)为局部两跳拓扑子图中的所有节点，初始化每个节点局部生成子图Su的边集合E(Su)为空集；(3b)基于局部两跳拓扑子图每个节点u根据链路能耗权重wp(x,y)，构建以u为根，遍及局部两跳拓扑子图中所有节点的最短路径树Tu＝(V(Tu),E(Tu))，其中为局部两跳拓扑子图中的所有节点，E(Tu)为构成最短路径树的所有边，并将这些边记录到局部生成子图的边集合E(Su)中，即E(Su)<＝E(Tu)∪E(Su)；(3c)网络中的每个节点u根据最短路径树Tu找到与自己冲突的节点，构成冲突节点集合CNu，并根据CNu和构建冲突子图CSu＝(V(CSu),E(CSu))，其中V(CSu)＝CNu，(3d)判断冲突子图CSu是否为k-1点连通：若是，则将CSu放入到冲突子图集合{CSu}中；否则，在局部两跳拓扑子图中构建k-1点连通冲突子图令即将放入到冲突子图集合{CSu}中；(3e)判断k-1≥2是否成立：若成立，则执行步骤(3f)，否则，跳到步骤(3m)；(3f)初始化i＝2，其中i表示冲突子图处于第i层；(3g)初始化j＝1，其中j表示冲突子图CSu中第j个冲突节点；(3h)令其中{CSu}j表示在冲突子图CSu的第j个节点的冲突子图，表示第i-1层冲突子图；(3i)对于所有的节点在中找到相应的冲突节点集合CNuv，根据CNuv和构建第i层冲突子图其中的节点集边集(3j)判断是否为k-i点连通冲突子图：若成立，则将并入到冲突子图集合{CSu}中，否则，构建k-i点连通冲突子图令并将并入到集合{CSu}中；(3k)判断j是否满足j＝|{CSu}|：若成立，执行步骤(3l)，否则，j＝j+1，跳到步骤(3h)；(3l)判断i是否满足i＝k-1：若成立，执行步骤(3m)，否则，i＝i+1，跳到步骤(3g)；(3m)对集合{CSu}中的所有冲突子图利用分布式二信道连通算法DBCC构建生成子树Su＝(V(Su),E(Su))，其中V(Su)表示Su的节点集，E(Su)表示Su的边集；(3n)每个节点u根据其他节点发来的拓扑信息更新自己的局部生成子图Su和逻辑冲突邻居集LCNuv，将局部生成子图Su上的一跳邻节点v作为逻辑邻节点，并构成逻辑邻节点集：LCNu＝{v∈V(Su)|(u,v)∈E(Su)}；(3p)更新边集信息E(S)＝E(S)∪E(Su)，更新逻辑邻节点信息LCNu＝V(Su)，其中E(S)表示网络中所有节点生成总的生成图的边集，LCNu表示节点u的逻辑邻节点集合；(4)网络中每个节点u确定自己的发射功率，即将发射功率调整为能够覆盖到所有逻辑邻节点所需要的最小功率：(5)将网络中的所有节点以及每个节点与自己的逻辑邻节点间的链路组合起来，构成最终的全网拓扑，即G＝(V(G),E(G))，其中V(G)为网络中所有节点，E(G)＝{(u,v)|u∈V(G),v∈LCNu}，其中E(G)表示网络G中的边集；(6)使用贪婪染色算法对已构建的最终全网拓扑中的每个节点u进行信道分配。2.根据权利要求1所述的认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，其中步骤(1)中分别获得一跳和两跳邻接点的序列号和位置信息，是指网络中每个节点u以最大发射功率Pmax向位于距离自己传输半径范围内的所有节点分别广播一次第一节点信息HELLO-1包和第二节点信息HELLO-2包，并接收一跳邻节点发送的HELLO-1包和HELLO-2包,其中该HELLO-1包中包括u节点的序列号和位置信息，HELLO-2包中含有u的所有一跳邻节点的序列号和位置信息。3.根据权利要求1所述的认知AdHoc网络中构建K信道连通的分布式拓扑方法，其中步骤(2)中建立局部两跳拓扑子图按如下步骤进行：(2a)...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏，李轩，刘豹，孙红光，王玺钧，李建东，陈雯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61