CN101534523B - 具有业务感知能力的认知网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有业务感知能力的认知网络路由方法，解决了普通认知网络路由缺乏对自身网络业务的感知和自适应性的问题。其步骤为：将业务分为不同等级；源节点采用广播的泛洪方式在所有感知到的信道上轮询发送RREQ信息；中继节点在转发RREQ信息时，避免经过有高级业务在传输的节点；对网络中节点缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，转发RREQ信息时加入估算时延estimate_delay；目的节点收到RREQ信息后，依照先到先回原则发送RREP信息，建立路由；中继节点发送QOS消息通知上游邻节点改变其发送速度；当路径上发送的速度降低到门限值时，由源节点重新寻路。本发明具有高级业务发送快速准确，时延短，路由效率高和网络负荷能力大的优点，可用于认知无线网络。

Description

具有业务感知能力的认知网络路由方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种建立路由的方法，可用于认知无线网络。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio)是一种可以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电系统通过学习，不断地感知外界的环境变化，并通过自适应地调整其自身内部的通信机理来达到对环境变化的适应。

由于认知网络具有高动态性，每个节点所用频谱和所承载的业务等级也可能不同，并且可能随着时间和空间而改变，所以需要对网络中的业务的进行感知，通过对现在业务的统计感知网络中业务变化从而建立一种新的路由协议，来满足多跳无线通信的要求。

认知无线电技术在1999年8月的IEEE Personal Communications杂志上明确提出以后，在很长一段时间人们将研究的重心集中在任何进行频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等问题上，而对于基于认知网络的感知网络业务的动态变化研究还处于初期阶段。

现有技术中的适用于认知无线网络环境的路由机制是由Geng Cheng等人提出的频谱感知路由算法SORP(Spectrum aware on-demand routing protocol)。该算法将频谱分配和按需路由结合在一起，采用与AODV(Ad hoc on-demand distance vector)自组网按需距离向量类似的按需路由机制，将路由建立分为路由请求和路由响应两个阶段。在路由请求阶段，源节点广播到目的节点的路由请求消息RREQ(Router Request)，并以泛洪方式广播到目的节点，RREQ经过的各节点将自身的频谱机会SOP(SpectrumOpportunity)信息包含到RREQ中，从而使收到RREQ的节点可以获得转发过此RREQ的节点的SOP信息；目的节点收到RREQ后，选择此RREQ的传播路径为源节点到目的节点的路由，启动路由响应过程，按照累积时延最小的原则，从和上游邻节点的SOP交集中选择频谱分配给它们之间的链路，并将频谱分配结果添加到路由响应消息RREP(Router Response)中传回给源节点；路径上的中间节点收到RREP后，根据下游节点的频谱分配结果按照累积时延最小的原则为其和上游邻节点间的链路分配频谱，将分配结果包含在RREP中传给上游邻节点；源节点收到RREP后，路由建立完成。

上述现有技术至少存在以下问题：

频谱感知路由算法仅仅实现了认知无线电网络路由协议的一部分功能，局限于频谱的感知和接入，而缺少对自身网络业务的感知和自适应性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种具有业务感知能力的认知网络路由方法及其系统，以实现对自身网络业务变化的感知和自适应性。

为了实现上述目的，本发明认知网络路由方法包括如下步骤：

(1)网络中的源节点采用广播的泛洪方式在所有感知到的信道上轮询发送RREQ信息，发送完成后回到初始信道；

(2)将网络中的业务分为不同等级，使高等级业务获得更多的优先权利；

(3)网络中的中继节点在转发RREQ信息时，对RREQ信息中携带的要传输业务和本节点正在传输的业务的等级高低进行比较，如果前者低于后者，则中继节点延迟long_relay_delay_2后，再转发此RREQ信息；

(4)网络中的中继节点在转发RREQ信息的同时，统计当前节点的缓存中每种业务数据包的个数和当前传输速度，并对缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，以感知网络中业务的动态变化，调整RREQ信息的发送路径；

(5)网络中的目的节点收到RREQ信息后，依照先到先回的原则发送RREP信息，建立路由；

(6)网络中的源节点在目的节点建立的路由上，以信道允许的最大速度发送数据包，并对所有节点设置缓存区域，当数据包到达节点时，按到达的先后顺序进入对应信道的发送队列，并按照相应规则发送数据包，对来不及发送的数据包暂存在缓存区中；

(7)设定中继节点缓存区被占满50％时，中继节点发送QOS消息通知上游邻节点降低发送速度，每通知一次，上游邻节点发送的速度减半，相反，当前节点在缓存区空白一段时间后，由中继节点发送QOS消息通知上游邻节点增加发送速度，每通知一次上游邻节点，增加10％的发送速度；

(8)当上游邻节点发送的速度降低到门限值时，源节点在发送数据包的同时发送RREQ信息重新寻路，在得到RREP信息答复后，将新路径与现有路径比较，如果新路径优于现有的路径，通知正在传输的中继节点和目的节点以新的路径重新建立路由。

本发明具有如下优点：

1)由于将网络中的业务根据其需求分为不同等级，并且在每个信道上按照高优先级业务获得更多传输时间的规则，保证了高级业务在网络中能更快更准确的传输，同时也满足低级业务的服务要求；

2)由于对缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，感知网络中业务的动态变化，自适应的调整路由策略，提高了整个网络的吞吐量；

3)由于中继节点发送QOS消息通知上游邻节点改变其发送速度，使得减少了传输能力接近饱和的节点的负载，同时增大了轻负荷节点的负载，平衡了网络中节点的负载；

4)由于当路径上发送的速度降低到门限值，源节点重新寻路，使得网络中的业务能够更快的发送。

综上所述，本发明的路由协议能保证高级业务在网络中能更快更准确的传输，缩短了网络中业务的发送时延，提高了路由的效率和网络的最大负荷能力。

附图说明

图1是本发明建立路由的流程图；

图2是本发明采用的节点模型分析图；

图3是本发明的切换节点信道驻留时间图；

图4是本发明的估算网络流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的路由建立包括如下步骤：

步骤1，将网络中的业务分为不同等级。

在认知无线电场景中，网络中传输的业务分为不同的几类，有数据业务、实时业务以及其它业务，实时业务需要保证稳定的数据传输速度，数据传输不能间断，但并不要求100％的数据正确率，相反数据业务更注重数据传输的正确率，不要求稳定的数据传输速度。上述业务对于网络有不同的QOS要求，本发明设定实时业务为高级业务，数据业务为低级业务，其它业务为中级业务，不同业务有不同的传输规则，传输时应尽量避免经过有高级业务的节点，以保证高级业务在网络中能更快更稳定的传输。

步骤2，源节点泛洪发送RREQ信息。

网络中每个节点的频谱机会SOP(Spectrum Opportunity)不是完全相同的。认知无线电网络中的每个节点除了使用802.11标准提供的信道外，还能使用空闲的授权信道。每个节点配备一套具有CR功能的收发器，该收发器可以在所有信道上动态切换，但在任意时刻只能工作在一个信道上。源节点采用广播的泛洪方式在所有感知到的可用信道上轮询发送RREQ信息，发送完成后回到初始信道；

步骤3，中继节点转发RREQ信息。

(3a)源节点和中继节点在发送和转发RREQ信息时，加入随机时延以避免冲突；

(3b)中继节点检查已收到的RREQ信息的上一跳邻节点和本节点之间是否存在业务流，若存在则在随机延迟一段时间的基础上再延迟long_relay_delay_1后转发，使到目的节点的通路上含有尽可能少的已经有业务流存在的链路；

(3c)网络中的中继节点在转发RREQ信息时，对RREQ信息中携带的要传输业务和本节点正在传输的业务的等级高低进行比较，如果前者低于后者，则中继节点在之前延迟的基础上再延迟long_relay_delay_2后，转发此RREQ信息；使到目的节点的通路上含有尽可能少的有高级业务在传输的节点，避免影响高级业务的传输速度和持续性。

步骤4，中继节点估算缓存中数据包发完所需要的时间。

网络中的中继节点在转发RREQ信息的同时，统计当前节点的缓存中每种业务数据包的个数和当前传输速度，并对缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，具体估算步骤参照图4如下：

(4a)中继节点判断缓存中是否有待发送的数据包，如果没有，将延迟时间估算为estimate_delay＝0；如果有，统计当前节点的缓存中每种业务数据包的个数；

(4b)中继节点根据不同等级数据包的传输速度估算出缓存中的数据包发完所需的时间。

首先，估算节点缓存中的数据包的所需要传输时间为：

$T=\frac{N_1}{C_1}+\frac{N_2}{C_2}+\·\·\·\·\·\·+\frac{N_i}{C_i}$

N_i是等级为i的数据包个数，C_i是等级为i的数据的发送速度。其次，根据每个节点上的每个信道都有不同的接入时延，定义接入时延为：从包准备好被传输到节点获得信道开始传输该包的时间间隔。每个节点上信道i的接入时延为：

$D_{\mathrm{backoff},i}=\frac{1}{(1-P_c)(1-{(1-P_c)}^{\frac{1}{N{\mathrm{um}}_i-1}})}{W}_0$

其中P_c表示参与竞争的节点发生碰撞的概率，W₀表示最小竞争窗口数，Num_i表示信道i上竞争信道的节点个数。

再次，设定每个节点中不同信道中节点的接入总时间为：

T′＝M₁D_backoff，1+M₂D_backoff，2+……+M_jD_backoff，j

其中M_j表示信道j上的节点个数，D_backoff，j是节点上信道j的接入时延；

最后，根据估算节点缓存中的数据包的所需要传输时间和每个节点中不同信道中节点的接入总时间，得到缓存中数据包发完所需要的总时间为：T+T′；

(4c)将缓存中数据包发完所需要的总时间为T+T′设定为估算延迟时间：estimate_delay＝T+T′，中继节点在转发RREQ信息时加入该estimate_delay的时延，由此可使选路时避免经过缓存较满的中继节点，提高整个网络的吞吐量以及路由效率。

步骤5，目的节点发送RREP信息进行路由响应。

在网络中的源节点发送RREQ信息到目的节点的过程中，源节点寻找到了一条到目的节点的路径，目的节点根据先到先回的原则选择一条最优路径发送RREP信息至源节点，目的节点沿RREP信息的路径反向传输数据，这一过程建立了一条由源节点到目的节点的最优路径。路径上各节点为该业务流进行的信道分配也在RREP信息的回传过程中完成。源节点收到RREP信息后就认为路由建立已经完成，即进行数据传输。

步骤6，路由维护。

(6a)当由于目的节点或中继节点的移动导致链路中断时，中断链路的上游邻节点主动发送一个RERR信息，传回到源节点，RERR信息中包含了中断链路的两端节点地址。收到或者听到RERR信息的节点就会删除所有包含中断链路的路由。源节点收到RERR信息后，将触发一次新的路由建立过程；

(6b)当源节点到目的节点的路由建立好后，无论数据包的优先等级，源节点以信道允许的最大速度发送数据包，由于路径上的中继节点可能还承担了别的业务，尤其是级别更高的业务，致使节点发送每个业务的速度降低，网络通过量减小，而此时上游邻节点仍保持较高的发送速率，就会进一步加剧网络的拥塞，降低通过量，从而导致丢包率大大增加，为了解决这一问题，本发明为有节点设置缓存区域，当数据包到达节点时，按到达的先后顺序进入对应信道的发送队列，并按照相应规则进行发送，对来不及发送的数据包暂存在缓存区中；

(6c)设定中继节点缓存区被占满50％时，中继节点发送QOS消息通知上游邻节点降低发送速度，每通知一次，上游邻节点发送的速度减半，相反，当前节点在缓存区空白一段时间后，由中继节点发送QOS消息通知上游邻节点增加发送速度，每通知一次上游邻节点，增加10％的发送速度；

(6d)当上游邻节点发送的速度降低到门限值时，虽然还能利用此路径发包，但是价值不大，源节点在发送数据包的同时发送RREQ信息重新寻路，在得到RREP信息答复后，将新路径与现有路径比较，如果新路径优于现有的路径，通知正在传输的中继节点和目的节点以新的路径重新建立路由。

步骤7，节点的信道调度。

(7a)定义切换节点为：使用多条信道并在这些信道上轮流切换的节点；

(7b)定义每一对源节点和目的节点间的连接为：一个业务流，网络中的节点能够同时服务多个业务流。切换节点服务多个业务流的情况最为复杂；

(7c)参照图2，设定切换节点的工作模型，假设切换节点处存在多个业务流，每个业务流可用一个2维数组表示{输入信道，输出信道}。FC负责在不同的信道上收集来自不同业务流的数据包，PC将收到的数据包按<Sid，Did>的不同存入不同业务流的队列，PS将每个业务流队列中的数据包按输出信道的不同形成队列，节点切换到某一信道上时，FS负责将在该信道上排队的数据包发送出去。从外部看，切换节点在信道m上使用FC接收输入信道＝＝m的数据包，使用FS发送输出信道＝m的数据包；

经过FC，PC，PS和FS后，切换节点完成了基于信道的调度。若所有业务流的优先级相同，PS在所有的业务流队列中轮询，轮询到某一业务流队列时就将该队列队首的数据包添加到相应输出信道上的包队列的队尾。若业务流的优先级不同，则PS轮询的时候依照业务流的优先级从高到低的顺序，将队列队首的数据包按不同等级的相对比例添加到相应输出信道上的包队列的队尾。高优先级的数据包被添加到相应的输出信道上的包队列的队尾的数目较低优先级多。FS每成功发送一个数据包，如果有控制消息需要转发(LEAVE/JOIN消息，见切换节点的信道调度部分)，则发送控制消息；若无控制消息需要发送，则取当前信道的包队列的队首作为下一个要发送的数据包；

(7d)如果节点是切换节点，需要频繁切换信道以支持来自不同信道的多个业务流。假设当一个节点向切换节点发送数据包，切换节点当前工作信道不同于此节点的工作信道，若立即发送，切换节点将收不到该数据包，导致发送失败。假设切换节点在另一个信道上停留时间过长，节点可能会错误的认为经过切换节点的链路失效。所以切换节点的邻节点必须知道在它们正在工作的信道上切换节点是否可达，切换节点应该保证在所有信道上的停留时间不会导致错误判断链路实效的结果。切换节点使用LEAVE/JOIN消息将它的信道状态通知给它的邻节点；

(7e)参照图3，设定切换节点的驻留时间，切换节点在每个信道上调度的原则和这个信道上的业务流等级相关；

首先，切换节点根据每个信道上的业务优先级别，设置信道的QOS值；信道的QOS值，是先规定信道上的高级业务、中级业务、低级业务的权重分别为3、2、1；再将此信道上的不同业务的优先级别的权重进行加权，作为信道的QOS值；

其次，切换节点根据信道的QOS值为每个信道分配不同的驻留时间，每个信道的驻留时间T_slot正比于此信道的QOS值，这样高级别的业务流所在的信道获得的驻留时间较长，获得更长的发送时间，相反低级别业务流所在的信道获得较短的驻留时间，获得较短的发送时间。

如图3所示，切换节点一共6个可用信道，信道2上没有数据需要发送，切换节点不为其分配驻留时间，信道1、4、6的QOS值较低，说明在此信道上的业务流较少或者级别较低，切换节点为其分配的时间也较少，信道3、5的QOS值较高，说明在此信道上的业务流较多或者级别较高，切换节点为其分配了更多的驻留时间，使得高优先级的数据得以迅速发送。

术语解释

SORP：Spectrum aware on-demand routing protocol，频谱感知路由算法；

AODV：Ad hoc on-demand distance vector，自组网按需距离向量；

SOP：Spectrum Opportunity，频谱机会；

RREQ：Router Request，路由请求；

RREP：Router Reply，路由答复；

RERR：router Error，路由错误；

QOS：Quality Of Service，服务质量；

Sid：Source ID，源节点地址；

Did：Destination ID，目的节点地址；

FC：Frequency Based Classfier，基于频率的归类器；

PC：Packet Classfier，包的归类器；

FS：Frequency Based Sheduler，基于频率的调度器；

PS：Packet Sheduler，包的调度器；

Chx：信道x。

Claims (5)

1.一种具有业务感知能力的认知网络路由方法，包括如下步骤：

(1)将网络中的业务分为不同等级，使高等级业务获得更多的优先权利；

(2)网络中的源节点采用广播的泛洪方式在所有感知到的信道上轮询发送路由请求RREQ信息，发送完成后回到初始信道；

(3)网络中的中继节点在转发RREQ信息时，对RREQ信息中携带的要传输业务和本节点正在传输的业务的等级高低进行比较，如果前者低于后者，则中继节点延迟long_relay_delay_2后，再转发此RREQ信息；

(4)网络中的中继节点在转发RREQ信息的同时，统计当前节点的缓存中每种业务数据包的个数和当前传输速度，并对缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，以感知网络中业务的动态变化，调整RREQ信息的发送路径；

(5)网络中的目的节点收到RREQ信息后，依照先到先回的原则发送路由答复RREP信息，建立路由；

(6)网络中的源节点在目的节点建立的路由上，以信道允许的最大速度发送数据包，并对所有节点设置缓存区域，当数据包到达节点时，按到达的先后顺序进入对应信道的发送队列，并按照相应规则发送数据包，对来不及发送的数据包暂存在缓存区中；

(7)设定中继节点缓存区被占满50％时，中继节点发送服务质量QOS消息通知上游邻节点降低发送速度，每通知一次，上游邻节点发送的速度减半，相反，当前节点在缓存区空白一段时间后，由中继节点发送QOS消息通知上游邻节点增加发送速度，每通知一次上游邻节点，增加10％的发送速度；

(8)当上游邻节点发送的速度降低到门限值时，源节点在发送数据包的同时发送RREQ信息重新寻路，在得到RREP信息答复后，将新路径与现有路径比较，如果新路径优于现有的路径，通知正在传输的中继节点和目的节点以新的路径重新建立路由。

2.根据权利要求1所述的认知网络路由方法，其中步骤(1)所述的将网络中的业务分为不同等级，是根据认知无线电网络中的业务类型，将其分为高级业务、中级业务、低级业务，该高级业务为实时业务，该低级业务为数据业务，该中级业务为其余业务。

3.根据权利要求1所述的认知网络路由方法，其中步骤(4)所述的对缓存中的数据包需要发送的时间进行估算，按照如下步骤进行：

(3a)网络中的中继节点计算每个可用信道的缓存中暂存的数据包的个数和大小，并判断每种数据包的业务等级以及该等级数据包的发送速度；

(3b)将缓存中的数据包的所需要传输时间设为：

N_i是等级为i的数据包个数，C_i是等级为i的数据的发送速度；

(3c)将每个节点的接入时延设为：P_c表示参与竞争的节点发生碰撞的概率，W₀表示最小竞争窗口数，Num_i表示信道i上竞争信道的节点个数；

(3d)根据每个节点的接入时延D_backoff，i，估算中继节点的接入总时间为：

T′＝M₁D_backoff，1+M₂D_backoff，2+……+M_jD_backoff，j，M_j表示信道j上的节点个数；

(3e)根据数据包的所需要传输时间T和估算中继节点的接入总时间T′，将延迟时间估算为：estimate_delay＝T+T′，并在中继节点转发RREQ信息时，加入该估计时延estimate_delay。

4.根据权利要求1所述的认知网络路由方法，其中步骤(6)所述的按照相应规则发送数据包，是按照如下步骤进行：

(4a)中继节点中需要切换信道的切换节点，根据每个信道上的业务优先级别，设置信道的QOS值；

(4b)切换节点根据信道的QOS值为每个信道分配不同的驻留时间，每个信道的驻留时间T_slot正比于此信道的QOS值。

5.根据权利要求4所述的认知网络路由方法，其中所述的设置信道的QOS值，是先规定信道上的高级业务、中级业务、低级业务的权重分别为3、2、1；再将此信道上的不同业务的优先级别的权重进行加权，作为信道的QOS值。

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