认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法技术

本发明专利技术属于无线电网络技术领域，公开了一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法，提出一种基于主用户活动性的链路预测模型，首先在上述模型的基础上来预测链路的可用时间，然后将计算得到的链路可用时间作为改进最大生成树拓扑控制算法的目标。本发明专利技术这样可以最大化网络拓扑的保持时间，避免了频繁的进行网络重构，减小了网络拓扑保持的花费；从而能够简化拓扑，减小冗余链路，增大网络拓扑的维持时间，减小网络拓扑的重构次数；仿真结果证明了基于主用户活动性的拓扑控制算法对于链路的可用持续时间预测的更加的准确，同时也保证了网络拓扑能够维持最大化的持续时间。

【技术实现步骤摘要】
认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法
本专利技术属于无线电网络
，尤其涉及一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着越来越多的人们在日常生活中依赖无线技术(如WiFi网络等)，使得无线电资源变得更加的稀缺，同时又由于当前的静态频谱资源政策是由政府机构规定的，即在当前的静态频谱政策下，仅仅有5％-15％的频谱被充分利用，还有大量的频谱资源未被利用，这造成了无线电频谱资源的分布不均匀。为了克服以上的两种因素带来的频谱稀缺问题，提高频谱资源的利用率，认知无线电网络(CRN)被提出，并且它会在未来通信机制中变为一个整体构件。认知无线电网络中包含两种不同优先级类型的用户：主用户(PU)是频谱的拥有者，能够优先的接入授权频谱，另一种是次级用户(SU)，只有在不对主用户(PU)造成干扰的前提下机会性地接入授权频谱。在移动认知无线电网络中，由于网络中的用户不是静止的，而是移动的，这会使得网络拓扑的动态性变得更加的复杂。与传统的认知无线电网络相比，移动认知无线电网络中的次级用户之间的通信不仅受到次级用户本身的影响，也会由于主用户的干扰而变得不可通信，使得节点之间的通信中断或者延迟，而且频谱的动态接入与断开会造成次级用户的可用信道随着时间与空间的改变而变化。这些因素都会使得认知无线电网络的拓扑结构动态性的变化，从而使得在移动认知无线电网络中动态拓扑控制与路由研究变成为一个更具有复杂性的问题。拓扑控制技术的实质就是减小介质访问控制层的竞争度，删除网络拓扑中不符合目标度量的链路，保存网络拓扑中的符合目标度量的链路，减小网络中节点能量的花费，同时由于在拓扑控制后维持的网络拓扑具有更高质量的链路，因此在其生成的网络拓扑上运行路由协议，将会使得网络的吞吐量等性能变得更加的优越。因此稳定可靠的拓扑对于改善无线网络，尤其是认知无线电网络的整体性能起着关键作用。在对认知无线电网络拓扑的研究过程中，大量的研究成果已经被提出。文献提出了一种基于链路预测的联合拓扑控制与路由算法，即通过建立链路预测模型来计算出链路的可用时间以及与之相对应的概率，然后设计了一种以最大化网络的存活时间为目标函数的拓扑控制算法，最终优化了网络的整体性能。文献设计了一种混合度量-功耗与链路可用时间之和，然后设计了一种基于局部最小生成树的网络拓扑控制的算法，使得网络的性能得到了更大的改善。文献提出了基于链路保持时间的拓扑控制算法，在这个算法中链路保持时间将通过采用几何的方法严格推导得出,文献提出了一种基于节点移动性的链路可用性的预测模型，来预测链路在任意时刻t的可用时间，并通过实验结果来验证其预测的准确性，文献考虑的是在认知无线电网络中静止的情况，没有考虑节点移动性对网络拓扑的影响。文献采用渗流理论来论证了认知无线电网络拓扑的连通性以及通过严格的数学理论推导来证明在什么情况下布设的认知无线电网络性能最优。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)与传统的无线网络不同的是，认知无线电网络中次级用户的链路状态不仅受节点自身移动性的影响，也受主用户干扰的影响。这些原因使得在移动认知无线电网络中进行拓扑控制更加具有挑战性，例如，如果链路两端的次级用户之一进入到主用户的干扰半径内，并且主用户是活跃的，则该跳链路将会变得不可利用，从而造成次级用户之间的通信延迟或中断，这将会大大降低网络的性能。针对网络中次级用户与主用户优先级的不同而造成网络拓扑的不稳定。(2)但是现有的文献都假定主用户的活动状态一直是活动的，这并不符合现实中主用户的活动模型，由于在实际中主用户的活动状态是ON与OFF交替出现的，因此在预测链路的可用时间时必须要考虑主用户的活动行为。(3)由于认知无线电网络中存在两种不同的用户：主用户与次级用户，其中主用户比次级用户具有较高的优先级。当链路两端的次级用户被其附近的主用户干扰时，链路将会失效。这也就造成了认知无线电网络的拓扑结构是动态的，而动态的网络拓扑不仅会增加网络拓扑维持的花费，还会造成网络通信的延迟或中断等问题，即网络拓扑会进行频繁的拓扑重构从而增大网络的花费，而且如果次级用户在该链路进行传输时，如果受到主用户的干扰将会造成其通信的延迟或中断。解决上述技术问题的难度和意义：与传统无线网络不同的是在认知无线电AdHoc网络中主要存在两种不同优先级的用户：主用户与次级用户。主用户是频谱的拥有者，具有较高的优先级，次级用户只有在主用户不使用该授权频谱的前提下使用该频谱。换句话说，网络中次级用户之间的通信链路状态不仅受次级用户本身移动状态的影响，同时受到主用户活动性的影响。如果链路两端的次级用户任意一个进入到主用户的干扰范围内，并且主用户正好处于活跃状态，那么这条链路将会失去效用，这将会造成次级用户通信的延迟或中断，也会造成网络拓扑进行频繁的重构操作。因此，本专利技术提出了一种基于主用户活动行为预测的拓扑控制算法，即首先通过考虑主用户的活动行为，更加准确的预测链路的可用时间，同时利用拓扑控制技术在保证网络拓扑连通性的基础上删除可用存活时间短的链路，保存可用时间长的链路，从而增大了网络拓扑的维持时间，避免网络拓扑进行频繁的重构操作。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法。为了使得模型变得更加的贴近于实际，本专利技术提出了一种基于主用户活动性的链路预测模型，并在这个模型的基础上来预测链路的可用时间，然后将链路的可用时间来作为链路上的权值，利用生成树的思想来设计拓扑控制算法。从而能够简化拓扑，减小冗余链路，增大网络拓扑的维持时间，减小网络拓扑的重构次数。本专利技术是这样实现的，一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法，其特征在于，所述认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法包括：将拓扑构造与链路预测进行结合；基于链路预测的方法是指通过对链路的可用时间的预测来作为评估链路质量的指标，现有的预测方法大多忽略了主用户的活动性，该专利技术考虑老人主用户的活动性，使得对链路的可用时间预测的更加准确；拓扑控制是指将链路的可用时间作为指标来优化链路质量，即在保证网络连通性的基础上将链路可用时间短的链路删除掉，保存可用时间长的链路。通过分析主用户的活动行为预测链路的可用时间，并且将链路的可用时间作为拓扑构造中的度量值进行优化。现有的在基于链路预测的方法基本上都忽略了主用户的活动行为，或者简单的认为只要次级用户进入到主用户的干扰半径内，则链路将会变得不可用，但是却忽略了即使次级用户进入到主用户的干扰半径内，如果主用户不活跃那么该链路仍然是可用的这一情况。为此，本专利技术提出了一种基于主用户活动行为预测的拓扑控制算法，这使得对链路的可用存活时间的预测值变得更加的精确。进一步，所述认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法具体包括：步骤一，邻居信息收集：对于每个节点都需要在时刻t利用公式(2)(3)(4)计算自身不被主用户干扰的时间NPT(μ)；LPT(u1,u2)＝min(NPT(u1),NPT(u2))(4)其中，r表示次级用户的通信半径，d表示两个次级用户之间的距离，v1max，v2max和v3max分别表示次级用户μ1，μ2和μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法，其特征在于，所述认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法包括：将拓扑构造与链路预测进行结合；基于链路预测的方法是指通过对链路的可用时间的预测来作为评估链路质量的指标；通过分析主用户的活动行为预测链路的可用时间t(μ1,μ2)，并且将链路的可用时间t(μ1,μ2)作为拓扑构造中的度量值进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法，其特征在于，所述认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法包括：将拓扑构造与链路预测进行结合；基于链路预测的方法是指通过对链路的可用时间的预测来作为评估链路质量的指标；通过分析主用户的活动行为预测链路的可用时间t(μ1,μ2)，并且将链路的可用时间t(μ1,μ2)作为拓扑构造中的度量值进行优化。2.如权利要求1所述的认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法，其特征在于，所述认知无线电网络中基于主用户活动性预测的拓扑控制方法具体包括：步骤一，邻居信息收集：对于每个节点都需要在时刻t利用公式(2)(3)(4)计算自身不被主用户干扰的时间NPT(μ)；LPT(u1,u2)＝min(NPT(u1),NPT(u2))(4)其中，r表示次级用户的通信半径，d表示两个次级用户之间的距离，v1max，v2max和v3max分别表示次级用户μ1，μ2和μ3的最大速度，θ表示两个次级用户之间的夹角，并且服从[0,2π]的均匀分布；每个节点都以本身的最大功率向距离每个节点一跳的邻居节点广播自身的有节点本身的位置坐标、运动速度和运动方向、不受主用户干扰的链路持续时间信息；步骤二，链路权重计算：根据节点本身自有的信息以及来自所述节点邻居节点的信息，分别采用公式(1)与公式(6)计算节点之间只分析节点移动性彼此通信的持续时间LAT(μ1,μ2)和节点之间链路的可用持续时间t(u1,u2)；其中，r表示次...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐小刚，张权，刘立芳，冯海林，胡绍林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61