認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，包括以下步驟：（1）檢測到空閑頻譜得到用戶分布圖；（2）對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，將問題與免疫方法求解進(jìn)行映射；（3）生成初始化抗體種群；（4）種群克隆操作：（5）種群變異操作；（6）種群選擇操作；（7）種群輸出。本發(fā)明能夠找到更多優(yōu)秀解集，滿足頻譜分配多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的需求，提高了求解效果和靈活性，適用于對認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源進(jìn)行分配。
【專利說明】認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，尤其適用于對認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源進(jìn)行分配。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無線頻譜資源日益緊缺。認(rèn)知無線電被認(rèn)為是解決無線頻譜資源緊缺的一個(gè)有效途徑。無線Mesh網(wǎng)(無線網(wǎng)狀網(wǎng))是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，融合了無線局域網(wǎng)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，具有組網(wǎng)靈活、大容量、高速率、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，適合于寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的骨干傳輸環(huán)境，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0003]將認(rèn)知無線電和寬帶無線Mesh網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線網(wǎng)絡(luò)稱為認(rèn)知無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Wireless Mesh Network, CWMN/CogMesh)。在 CWMN 中，每個(gè)Mesh 節(jié)點(diǎn)使用認(rèn)知無線電技術(shù)，智能感知空閑的頻譜并進(jìn)行動(dòng)態(tài)機(jī)會(huì)接入，提高無線頻譜資源的利用率。因此，CWMN在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和提高無線資源利用率方面具有巨大潛力，得到了研究者的普遍關(guān)注。
[0004]目前，關(guān)于CWMN的研究仍處于初期階段。本發(fā)明主要關(guān)注CWMN中，認(rèn)知Mesh節(jié)點(diǎn)已經(jīng)獲得可用頻譜后，如何進(jìn)行最優(yōu)的頻譜分配。頻譜分配一直是無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。然而，不論是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配還是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法都無法直接應(yīng)用到認(rèn)知mesh網(wǎng)絡(luò)中。針對CWMN的頻譜分配問題，已有的研究大多是采用線性規(guī)劃的方法求解某一個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化問題，往往無法達(dá)到最優(yōu)性能；有的研究提出了綜合考慮多個(gè)頻譜分配目標(biāo)的優(yōu)化模型和方法，即最大化總帶寬和最小化占用頻譜數(shù)，然而并沒有給出方法的界論最優(yōu)解集，不利于用戶決策。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的問題在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，尋求頻譜分配問題的PaMo最優(yōu)解集(非支配解集)，滿足多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的需求進(jìn)而根據(jù)用戶需求，選擇最滿意解，優(yōu)化系統(tǒng)性能。本發(fā)明主要解決了已有的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)頻譜分配研究大多是采用線性規(guī)劃的方法求解某一個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化問題，往往無法達(dá)到最優(yōu)性能的局限性。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
依據(jù)本發(fā)明提供的一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，它包括以下步驟:
(1)檢測到空閑頻譜得到用戶分布圖；
(2)對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，將問題與免疫方法求解進(jìn)行映射；
(3)生成初始化抗體種群:給定抗體種群規(guī)模β,克隆系數(shù)9、最大迭代次數(shù)Sm? ;初始化迭代次數(shù)U = O ； =Oi));其中a表示抗體種群4表示一個(gè)抗體，H表示迭代次數(shù)；
(4)種群克隆操作:對抗體群成均進(jìn)行克隆操作:A'(U)= R§(A(U)),其中:每表示克隆操作；
(5)種群變異操作:對抗體群J1(If)進(jìn)行變異操作:Aum=筆(A'_ ,其中:圮表示變異操作；
(6)種群選擇操作:對抗體群』"保)進(jìn)行選擇操作:Am(It)= Μ§(Α"(ι?))，其中:每表示抗體克隆操作；
(7)種群輸出操作:判斷《是否達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù),如果是，則輸出抗體群^T1"(的，并對抗體進(jìn)行解碼輸出，否則，令+1) = Λ m{U),轉(zhuǎn)到步驟(4)。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案進(jìn)一步實(shí)現(xiàn):
前述的步驟(I)用戶分布圖表示為G=(V，E)，其中:V表示認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)
K e V感知到的可用頻譜集合為h , ￡是邊的集合，表示兩個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有公共可用頻譜的情況下，是否可以直接進(jìn)行通信。
[0008]前述的步驟(2)對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，具體如下:
采用k+Ι進(jìn)制串表示抗體，其中給圖的E條邊從I到η進(jìn)行編號；假設(shè)某個(gè)抗體的編碼表示為4 =其中:《 = |詞表示為圖中邊的條數(shù)，％€{0)1^尤；i e{l，2，...，￡}
，./€{1,2,...,?} ;￡為種群中的抗體總數(shù)；若％ = 0，則表示抗體2所代表的頻譜分配方案中，圖G中編號為的無線鏈路沒有分配任何頻譜；若％ = *，則表示編號力7的無線鏈路分配的頻譜力*
[0009]前述的步驟(4)種群克隆操作采用整體克隆的方式，克隆系數(shù)為？，《是抗體種群規(guī)模，表示如下:
A '(i￡) = (A(UJ) = (為(il) +.一 + (U))
[0010]前述的步驟(5)種群變異操作，具體變異策略為:
對抗體4，對4 ,將其依照概率Pw變成[0，k]中的一個(gè)數(shù)；其中u表亍抗體的基因位，I是抗體編碼長度。
[0011]前述的步驟(6)種群選擇操作，具體如下:
對抗體群I識)中的每一個(gè)抗體，計(jì)算其對應(yīng)的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，將抗體群^餌)劃分為兩個(gè)抗體群:支配抗體群4?* (的(抗體個(gè)數(shù)為&?辟))和非支配抗體群4--與)(抗體個(gè)數(shù)為)，并且= (的，克隆選擇后得到= ⑷。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
1.本發(fā)明采用免疫多目標(biāo)優(yōu)化方法求解認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)頻譜分配問題，尋求頻譜分配問題的PaMo最優(yōu)解集(非支配解集)，一次運(yùn)行同時(shí)得到多個(gè)解，可以滿足用戶需求，優(yōu)化頻譜分配性能。
[0013]2.本發(fā)明中克隆操作采用整體克隆的方式，實(shí)現(xiàn)了空間的擴(kuò)張，有利于得到分布較廣的前端。
[0014]3.本發(fā)明中克隆選擇之前，先將抗體群中的抗體劃分為支配抗體和非支配抗體，保證了只有非支配抗體才能進(jìn)入到下一代，有利于得到較優(yōu)的解集。
[0015]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的流程框圖；
圖2為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)數(shù)變化對總帶寬的影響圖；
圖3為本發(fā)明的中節(jié)點(diǎn)數(shù)變化對占用頻譜數(shù)的影響圖；
圖4為本發(fā)明的可用頻譜數(shù)對總帶寬的影響圖；
圖5為本發(fā)明的可用頻譜數(shù)對占用信道數(shù)變化的影響圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的【具體實(shí)施方式】、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。
[0018]如圖1所示的一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，它包括以下步驟:
(I)檢測到空閑頻譜得到用戶分布圖；
在本發(fā)明實(shí)施例中，將認(rèn)知無線Mesh網(wǎng)絡(luò)建模為I個(gè)簡單圖G=(V，E)。其中:V表示認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)B e V感知到的可用頻譜集合為& ; E是邊的集合，表示兩個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有公共可用頻譜的情況下，是否可以直接進(jìn)行通信。設(shè)定V=15，E=10，CRMesh節(jié)點(diǎn)數(shù)N= IVI，可用信道數(shù)為IKI =5，頻譜分配的一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)是最大化CRMesh節(jié)點(diǎn)總帶寬B:
其中，/(%)表示頻譜免是否分配無線鏈路(其中，= 1表示頻諳；分配給氣，否則為O) ;.?表示頻譜免的穩(wěn)定度(主用戶在頻譜上“空閑-占用”切換的次數(shù)表示頻譜的穩(wěn)定性)；Ptj表示頻譜i的可用概率；4'表示頻譜A的帶寬。
[0019]同時(shí)，在最大化帶寬總和的情況下，系統(tǒng)需要最小化所有CRMesh節(jié)點(diǎn)的占用頻譜數(shù)，記為:
匪
假設(shè)&k'表示頻譜t是否被CWMN占用，若Σ e P ，則滬=I，反之，# = O。



keK
[0020](2)對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，將問題與免疫方法求解進(jìn)行映射；
在本發(fā)明實(shí)施例中，采用一種采用k+Ι進(jìn)制串表示抗體，k=8，其中給圖的E條邊從I到η進(jìn)行編號。假設(shè)某個(gè)抗體的編碼表示為為= ?,?,...,?，其中，《 = |_表示為圖中邊的條^aiiE(O)UK ； !€{1,2,..^}，jea2,...,?} ;￡ 為種群中的抗體總數(shù)，設(shè)為 50。若％ = 0，則表示抗體τ所代表的頻譜分配方案中，圖G中編號為J'的無線鏈路沒有分配任何頻譜；若%=I則表示編號力的無線鏈路分配的頻譜力
[0021](3)生成初始化抗體種群；給定最大進(jìn)化代數(shù)Smffi =200 ;種群規(guī)模《 = 50 ,克隆系數(shù)？=4,變異概率鳥=0.3。初始化迭代次數(shù)2i=0;其中:A表不抗體種群，^4表不一個(gè)抗體，α表不迭代次數(shù)。
[0022](4)種群克隆操作:對抗體群-_)進(jìn)行克隆操作:』關(guān)=每(我!I)),其中:每表示克隆操作；
采用整體克隆的方式，克隆系數(shù)為€ =4，於=50是抗體種群規(guī)模，表示如下:

【權(quán)利要求】
1.一種認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:它包括以下步驟: (1)檢測到空閑頻譜得到用戶分布圖； (2)對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，將問題與免疫方法求解進(jìn)行映射； (3)生成初始化抗體種群:給定抗體種群規(guī)模?，克隆系數(shù)g、最大迭代次數(shù);初始化迭代次數(shù)k = o =;其中:A表示抗體種群，2表示一個(gè)抗體，Ii表示迭代次數(shù)； (4)種群克隆操作:對抗體群成ii)進(jìn)行克隆操作:Αψ)= ^(Α_ ,其中表示克隆操作； (5)種群變異操作:對抗體群2貨)進(jìn)行變異操作:Au(M)=,其中:巧表示變異操作； (6)種群選擇操作:對抗體群』__(ι?)進(jìn)行選擇操作:-4"識)=每(1識))，其中'Rsc表示抗體克隆操作； (7)種群輸出操作:判斷是否達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù),如果是，則輸出抗體群41'"與)，并對抗體進(jìn)行解碼輸出，否則，令郝+1)=』轉(zhuǎn)到步驟(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:所述的步驟(I)用戶分布圖表示為G=(V，E)，其中:V表示認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)BeV感知到的可用頻譜集合為與；ε是邊的集合，表示兩個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有公共可用頻譜的情況下，是否可以直接進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:所述的步驟(2)對頻譜分配問題進(jìn)行抗體編碼，具體如下: 采用k+Ι進(jìn)制串表示抗體，其中給圖的E條邊從I到η進(jìn)行編號；假設(shè)某個(gè)抗體的編碼表示為:4 = Oi^ai2,...,Oix ,其中:《 = |詞表示為圖中邊的條數(shù)，%e{0}u#: ； j e{l,2,…，J €{1,2,...,?} ;￡為種群中的抗體總數(shù);若氣=O，則表示抗體:所代表的頻譜分配方案中，圖G中編號為的無線鏈路沒有分配任何頻譜；若％ = *，則表示編號為t的無線鏈路分配的頻譜為A:。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:所述的步驟(4)種群克隆操作采用整體克隆的方式，克隆系數(shù)為■?，《是抗體種群規(guī)模，表示如下:
A '(it) = Rq(A(U)) = Rq (Ai (it) +...+ (A71 (ii))= {4(u),A^(u),...,A!(u)}+.,.+{4(ii),4(ux.,.,4(m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:所述的步驟(5)種群變異操作，具體變異策略為: 對抗體4 = *--,...,?,對^將其依照概率變成[O，k]中的一個(gè)數(shù)；其中，表亍抗體的基因位，I是抗體編碼長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于免疫多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜分配方法，其特征在于:所述的步驟(6)種群選擇操作，具體如下: 對抗體群I識)中的每一個(gè)抗體，計(jì)算其對應(yīng)的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，將抗體群I1(K)劃分為兩個(gè)抗體群:支配抗體群與)(抗體個(gè)數(shù)為UM))和非支配抗體群4?與)(抗體個(gè)數(shù)為過飄(}￡))，并且Ui)+Ui) = ?.1V_，克隆選擇后得到#識)=4^保)。
【文檔編號】H04W16/14GK104168571SQ201410323409
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】柴爭義, 李亞倫, 楊亞楠, 鄭麗萍, 王獻(xiàn)榮 申請人:天津工業(yè)大學(xué), 柴爭義, 李亞倫, 楊亞楠, 鄭麗萍, 王獻(xiàn)榮