一種多跳認知無線網絡中基於風險評估的隨機路由方法
2023-12-01 02:25:51 1
專利名稱：一種多跳認知無線網絡中基於風險評估的隨機路由方法
技術領域：
多跳認知無線電網絡中基於風險評估的隨機路由方法，屬於無線通信技術領域，特別涉 及在認知無線電網絡中頻譜機會可靠性的分析，結合頻譜分配，基於對節點感知的頻譜機會 的風險評估完成路由和信道的選擇，提高了認知無線網絡路由的魯棒性。
背景技術：
在認知無線電網絡尤其是在多跳認知無線電網絡中，路由問題非常重要。認知無線電系 統可以根據周圍環境的變化動態的進行頻率的選擇，而頻率的選擇通常需要路由方法進行調 整。同樣，路由的選擇需要結合當前環境下的頻譜情況。相對於使用固定頻譜的傳統無線網 絡，多跳認知無線電網絡中的按需路由面臨著新的挑戰首先，不同的節點可能感知到不同 的頻譜機會因而工作頻帶不同，此時路由選擇就要和頻譜分配緊密聯繫；其次，認知網絡的 中的節點是隨時間不斷變化的，這將導致網絡拓撲動態變化，因此節點間保持實時的頻譜機 會(SOP)交換是必須的，在路由選擇時要考慮到頻譜機會的可用概率；第三，由於頻譜機 會變得不可用而進行的必要的頻帶切換會增加額外的切換延時，但是如果不及時切換又會對 主用戶造成不可接受的幹擾。
目前，國內外的一些研究人員提出的認知無線電路由方法大多以固定參數為依據的選路 策略，沒有利用網絡中的隨機變量來進行路由選擇的。
發明內容
本發明的目的在於提供一種適用於多跳認知無線電網絡的路由方法，它將路由選擇與信 道可用信息相結合，路由選擇時結合了頻譜分配並採用了風險指數作為選路依據；提高了路 由的魯棒性，實現了更小的頻譜切換時延和避免對主用戶幹擾之間的折中，從而提高了網絡 的整體性能。
本專利適用於基於ad hoc網絡結構的多跳認知無線電網絡；該網絡模型中不存在傳統的 集中式控制實體，節點間分布式交換信息。網絡拓撲與當前信道可用信息動態變化，路由選 擇與信道可用密切相關。節點具有頻譜感知功能，及時感知主用戶出現並將該信息相互轉發， 各節點依據網絡中信道可用信息進行頻率切換和路由重新選擇。該網絡在保證不對主用戶產 生幹擾的情況下極大地提高了頻譜的利用率。
本發明具體內容如下在基於ad hoc網絡結構的多跳認知無線電網絡中，各節點除了具有頻譜敏捷的收發器之 外有一個傳統的無線接口，各節點之間可以形成共同的控制信道，這樣各節點都可以收到方 法消息即使它們感知的頻譜機會不同。跨層路由設計使各節點(非自私或惡意的節點)能夠 提供頻譜感知信息，從而實現頻譜機會信息在MAC和網絡層之間的共享。此外我們假設節 點感知到的頻譜機會與頻譜空洞在概念上等效，每個頻譜機會及鏈路的變化頻率具有相同的 數量級。'路由選擇的過程即完成頻譜分配，當主用戶出現時及時轉發信道不可用信息，並在 所分配的頻譜機會內切換到最近的可用信道，從而引起路由更新。需要指出的是，本方法中 對原RREQ消息進行擴展加入SOP信息鍊表和SOP風險指數信息鍊表，擴展後的路由請求 消息記為RREQJ，其格式見圖l;擴展後的路由應答消息在原RREP消息中加入SOP信息 鍊表和信道信息鍊表，擴展後的RREP消息記為RREP一I，其結構見圖2。
1、 路由發現
當源節點S需要一條路由到達某個目的節點D，但是卻沒有現成可用路由的時候，在所 有可用信道上廣播路由請求(RREQ_I)包，啟動路由發現過程。並將該RREQ一I消息中的源 節點S序列號設為當前序列號加1，將跳數計數器清零，將節點S的SOP信息(包含SOP內 信道信息)加入SOP鍊表，將SOP風險指數(包含信道風險指數)加入SOP風險指數信息 鍊表。
2、 路由轉發
接收到RREQ一I包的節點A識別源節點序列號之後，將RREQ_I包跳數加一併修改轉發。 直到某個轉發節點B本身是目的節點或者存在現有到達目的節點路由，該節點產生RREP一I 包。
3、 路由回復
目的節點D或存在到目的節點的路由的節點B收到RREQ—I消息時知道了所有中間節 點的SOP信息及風險指數RI，然後給自己頻譜敏捷的接收機分配一個頻帶(即選擇一個SOP 內的一條信道)，選擇SOP和信道的概率為1/RI。之後將RREPJ送回源節點，並將分配的 頻帶封裝在內。中間節點依據從RREP一I中提取的頻帶信息和先前的RREQ—I信息選擇目前 風險指數最小的SOP中，與鄰節點頻譜間隔最小的頻帶。節點通過可自適應在頻譜間進行切 換的收發器建立到目的節點的路由，同時更新路由表並產生新的RREP一I信息送回給源節點。
4、 路由維護
認知無線電網絡中主用戶的隨機出現會導致認知節點的當前信道變得不可用，由此原因 造成的路由中斷可能發生在以上各種情況時，節點首先需要將當前信道不可用信息通過 RERR包發送出去，通知所有預發送節點發生了路由中斷。其次發生中斷的節點需要切換到新的信道進行通信，此時如果所在SOP內有可用信道可切換到該信道上，否則該路由不可用 需要進行路由更新。RERR包格式見圖3。
本發明的核心創新是基於對頻譜機會的風險評估，將路由選擇和頻譜分配同時進行。具 體思想是將頻譜機會中每個信道的失敗概率用Weibull分布F^)-l-exp(-")"表示，從而
得到整個頻譜機會的失敗概率表示K(r)-f![l-exp(-;ij)"]，稱為頻譜機會的風險指數，在
路由選擇時依據風險指數選擇頻譜機會及分配信道。方法中另外創新之處在於，對原RREQ 消息進行擴展加入SOP信息鍊表和SOP風險指數信息鍊表，擴展後的路由請求消息記為 RREQ—I，其格式見圖1;擴展後的路由應答消息在原RREP消息中加入SOP信息鍊表和信道 信息鍊表，擴展後的RREP消息記為RREPJ，其結構見圖2。 本發明的有益效果
使用本發明的路由策略可以實現認知無線電網絡中跨層的路由設計，聯合頻譜分配和路 由選擇，以頻譜機會和信道的可用概率及信道頻譜間隔小為選路標準，在避免對主用戶幹擾 的同時使得頻譜切換引起的時延減小，提高了路由方法的實用性和網絡的整體性能。
圖1是RREQJ包格式。
圖2是RREP—I包格式。
圖3是RRER包格式。
圖4是對頻譜機會的定義，每個頻譜機會中包含不定數個固定帶寬的連續的信道。 圖5是基於風險評估的多跳認知無線網絡隨機路由方法流程。
具體實施例方式
本發明提出的適用於分布式多跳認知無線電網絡的隨機路由方法，通過聯合頻譜分配， 以頻譜機會和信道的風險指數及信道間頻譜間隔小進行路由選擇，降低了頻譜切換引起的時 延，解決了當前信道不可用導致路由失效問題，提高了認知無線網絡的魯棒性。本發明中源 節點有數據要發送時，首先看是否存在到目的節點的路由，如果存在則進行數據發送，否則 源節點S啟動到目的節點D的路由過程，實現過程分以下幾步
步驟1:源節點S以廣播形式向鄰節點發送路由請求包RREQ一I啟動路由發現過程，並 將該RREQJ消息中的源節點序列號設為當前序列號加1，將跳數計數器清零；
步驟2:中間節點接收到RREQ一I包後，識別源節點序列號，僅當發現RREQJ中的前一 跳SOP信息與自己的SOP有交集時，修改RREQ一I包跳數、SOP鍊表信息、SOP風險指數鍊表信息並轉發；
步驟3:某個接收到RREQJ包的節點發現自己是目的節點D,或者存在現有到達目的節 點D的路由，該節點產生RREP—I，並根據接收到的所有中間節點的SOP信息及風險指數為 自己頻譜敏捷的接收機分配一個SOP中的一條信道，選擇SOP和信道的概率分別為SOP和 信道的1/RI。之後將RREP送回源節點，並將分配的信道封裝在內。中間節點依據從RREPJ 中提取的信道信息和先前的RREQ—I信息選擇目前風險指數最小的SOP中，與鄰節點頻譜間 隔最小的頻帶。節點通過可自適應在頻譜間進行切換的收發器建立到目的節點的路由，同時 更新路由表並產生新的RREP一I信息送回給源節點；
步驟4:源節點S在收到RREP_I包之後開始發送數據包；
步驟5:若以上步驟中產生RRER，重新開始步驟l。
權利要求
1、一種多跳認知無線網絡中基於風險評估的隨機路由方法，其特徵在於，節點感知的頻譜空洞中包含一個或多個頻譜連續的信道，每個信道的帶寬為10MHz，由以下幾個步驟實現首先，在原RREQ消息進行擴展加入SOP信息鍊表和SOP風險指數信息鍊表，擴展後的路由請求消息記為RREQ_I，；對原路由應答消息也進行了擴展，在原RREP消息中加入SOP信息鍊表和信道信息鍊表，擴展後的RREP消息記為RREP_I；1)路由發現當節點S需要一條路由到達某個目的節點D，但是卻沒有現成可用路由的時候，節點S在所有可用信道上廣播路由請求包RREQ_I，啟動路由發現過程，並將該RREQ_I消息中的源節點序列號設為當前序列號加1，將跳數計數器清零，將節點S的SOP信息加入SOP鍊表，將SOP風險指數加入SOP風險指數鍊表，當RREQ_I向前傳遞時，同時也建立了一個到轉發節點的反向路徑；2)路由轉發接收到RREQ_I包的節點A識別源節點序列號之後，將RREQ_I包跳數加1並修改轉發，直到某個轉發節點B本身是目的節點或者存在現有到達目的節點路由，該節點產生路由應答包RREP_I；3)路由回復當某節點B發現自己是目的節點或者存在到目的節點的路由時產生RREP_I包送回源節點S，並將分配的頻帶封裝在內，中間節點依據從RREP_I中提取的頻帶信息和先前的RREQ_I信息，選擇目前風險指數最小的SOP中，與鄰節點頻譜間隔最小的頻帶，節點通過可自適應在頻譜間進行切換的收發器建立到目的節點的路由，同時更新路由表並產生新的RREP_I信息送回給源節點S；4)路由維護認知無線電網絡中主用戶的隨機出現會導致認知節點的當前信道變得不可用，由此原因造成的路由中斷可能隨時發生，節點首先需要將當前信道不可用信息通過路由出錯包RERR發送出去，通知所有預發送節點發生了路由中斷，其次發生中斷的節點需要切換到新的信道進行通信，此時如果所在SOP內有可用信道可切換到該信道上，否則該路由不可用需要進行路由更新。
全文摘要
一種多跳認知無線網絡中基於風險評估的隨機路由方法，屬於無線通信技術領域，特別涉及認知無線電網絡中頻譜機會的可靠度的分析，對節點的頻譜機會進行風險評估，以及在AODV方法上進行改進，將路由選擇與頻譜機會即信道的可用信息相結合進行路由方法的設計。本發明提出的基於風險評估的多跳認知網絡隨機路由方法，實現了路由與頻譜管理的跨層合作，通過風險指數這一參數選路，實現了切換延時和對主用戶幹擾之間的平衡，減小了頻譜切換帶來的延遲，提高了網絡的吞吐量，增強了認知無線電路由的實用性和可靠性。
文檔編號H04W84/18GK101588621SQ20091008765
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者濤 劉, 劉蘊絡, 周賢偉, 丹 李, 王建萍 申請人:北京科技大學