CN101588621B - 一种多跳认知无线网络中基于风险评估的随机路由方法 - Google Patents

Abstract

一种多跳认知无线网络中基于风险评估的随机路由方法，属于无线通信技术领域，特别涉及认知无线电网络中频谱机会的可靠度的分析，对节点的频谱机会进行风险评估，以及在AODV方法上进行改进，将路由选择与频谱机会即信道的可用信息相结合进行路由方法的设计。本发明提出的基于风险评估的多跳认知网络随机路由方法，实现了路由与频谱管理的跨层合作，通过风险指数这一参数选路，实现了切换延时和对主用户干扰之间的平衡，减小了频谱切换带来的延迟，提高了网络的吞吐量，增强了认知无线电路由的实用性和可靠性。

Description

一种多跳认知无线网络中基于风险评估的随机路由方法

技术领域

多跳认知无线电网络中基于风险评估的随机路由方法，属于无线通信技术领域，特别涉及在认知无线电网络中频谱机会可靠性的分析，结合频谱分配，基于对节点感知的频谱机会的风险评估完成路由和信道的选择，提高了认知无线网络路由的鲁棒性。

背景技术

在认知无线电网络尤其是在多跳认知无线电网络中，路由问题非常重要。认知无线电系统可以根据周围环境的变化动态的进行频率的选择，而频率的选择通常需要路由方法进行调整。同样，路由的选择需要结合当前环境下的频谱情况。相对于使用固定频谱的传统无线网络，多跳认知无线电网络中的按需路由面临着新的挑战：首先，不同的节点可能感知到不同的频谱机会因而工作频带不同，此时路由选择就要和频谱分配紧密联系；其次，认知网络的中的节点是随时间不断变化的，这将导致网络拓扑动态变化，因此节点间保持实时的频谱机会(SOP)交换是必须的，在路由选择时要考虑到频谱机会的可用概率；第三，由于频谱机会变得不可用而进行的必要的频带切换会增加额外的切换延时，但是如果不及时切换又会对主用户造成不可接受的干扰。

目前，国内外的一些研究人员提出的认知无线电路由方法大多以固定参数为依据的选路策略，没有利用网络中的随机变量来进行路由选择的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多跳认知无线电网络的路由方法，它将路由选择与信道可用信息相结合，路由选择时结合了频谱分配并采用了风险指数作为选路依据；提高了路由的鲁棒性，实现了更小的频谱切换时延和避免对主用户干扰之间的折中，从而提高了网络的整体性能。

本专利适用于基于ad hoc网络结构的多跳认知无线电网络；该网络模型中不存在传统的集中式控制实体，节点间分布式交换信息。网络拓扑与当前信道可用信息动态变化，路由选择与信道可用密切相关。节点具有频谱感知功能，及时感知主用户出现并将该信息相互转发，各节点依据网络中信道可用信息进行频率切换和路由重新选择。该网络在保证不对主用户产生干扰的情况下极大地提高了频谱的利用率。

本发明具体内容如下：

在基于ad hoc网络结构的多跳认知无线电网络中，各节点除了具有频谱敏捷的收发器之外有一个传统的无线接口，各节点之间可以形成共同的控制信道，这样各节点都可以收到方法消息即使它们感知的频谱机会不同。跨层路由设计使各节点(非自私或恶意的节点)能够提供频谱感知信息，从而实现频谱机会信息在MAC和网络层之间的共享。此外我们假设节点感知到的频谱机会与频谱空洞在概念上等效，每个频谱机会及链路的变化频率具有相同的数量级。路由选择的过程即完成频谱分配，当主用户出现时及时转发信道不可用信息，并在所分配的频谱机会内切换到最近的可用信道，从而引起路由更新。需要指出的是，本方法中对原RREQ消息进行扩展加入SOP信息链表和SOP风险指数信息链表，扩展后的路由请求消息记为RREQ_I，其格式见图1；扩展后的路由应答消息在原RREP消息中加入SOP信息链表和信道信息链表，扩展后的RREP消息记为RREP_I，其结构见图2。

1、路由发现

当源节点S需要一条路由到达某个目的节点D，但是却没有现成可用路由的时候，在所有可用信道上广播路由请求(RREQ_I)包，启动路由发现过程。并将该RREQ_I消息中的源节点S序列号设为当前序列号加1，将跳数计数器清零，将节点S的SOP信息(包含SOP内信道信息)加入SOP链表，将SOP风险指数(包含信道风险指数)加入SOP风险指数信息链表。

2、路由转发

接收到RREQ_I包的节点A识别源节点序列号之后，将RREQ_I包跳数加一并修改转发。直到某个转发节点B本身是目的节点或者存在现有到达目的节点路由，该节点产生RREP_I包。

3、路由回复

目的节点D或存在到目的节点的路由的节点B收到RREQ_I消息时知道了所有中间节点的SOP信息及风险指数RI，然后给自己频谱敏捷的接收机分配一个频带(即选择一个SOP内的一条信道)，选择SOP和信道的概率为1/RI。之后将RREP_I送回源节点，并将分配的频带封装在内。中间节点依据从RREP_I中提取的频带信息和先前的RREQ_I信息选择目前风险指数最小的SOP中，与邻节点频谱间隔最小的频带。节点通过可自适应在频谱间进行切换的收发器建立到目的节点的路由，同时更新路由表并产生新的RREP_I信息送回给源节点。

4、路由维护

认知无线电网络中主用户的随机出现会导致认知节点的当前信道变得不可用，由此原因造成的路由中断可能发生在以上各种情况时，节点首先需要将当前信道不可用信息通过RERR包发送出去，通知所有预发送节点发生了路由中断。其次发生中断的节点需要切换到新的信道进行通信，此时如果所在SOP内有可用信道可切换到该信道上，否则该路由不可用需要进行路由更新。RERR包格式见图3。

本发明的核心创新是基于对频谱机会的风险评估，将路由选择和频谱分配同时进行。具体思想是：将频谱机会中每个信道的失败概率用Weibull分布F_x(t)＝1-exp(-λ_xt)^α表示，从而得到整个频谱机会的失败概率表示 $F_s\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N\left(l\right)}{\mathrm{\Π}}}[1-\exp {(-{\mathrm{\λ}}_{k}t)}^{\mathrm{\α}}],$ 称为频谱机会的风险指数，在路由选择时依据风险指数选择频谱机会及分配信道。方法中另外创新之处在于，对原RREQ消息进行扩展加入SOP信息链表和SOP风险指数信息链表，扩展后的路由请求消息记为RREQ_I，其格式见图1；扩展后的路由应答消息在原RREP消息中加入SOP信息链表和信道信息链表，扩展后的RREP消息记为RREP_I，其结构见图2。

本发明的有益效果：

使用本发明的路由策略可以实现认知无线电网络中跨层的路由设计，联合频谱分配和路由选择，以频谱机会和信道的可用概率及信道频谱间隔小为选路标准，在避免对主用户干扰的同时使得频谱切换引起的时延减小，提高了路由方法的实用性和网络的整体性能。

附图说明

图1是RREQ_I包格式。

图2是RREP_I包格式。

图3是RRER包格式。

图4是对频谱机会的定义，每个频谱机会中包含不定数个固定带宽的连续的信道。

图5是基于风险评估的多跳认知无线网络随机路由方法流程。

具体实施方式

本发明提出的适用于分布式多跳认知无线电网络的随机路由方法，通过联合频谱分配，以频谱机会和信道的风险指数及信道间频谱间隔小进行路由选择，降低了频谱切换引起的时延，解决了当前信道不可用导致路由失效问题，提高了认知无线网络的鲁棒性。本发明中源节点有数据要发送时，首先看是否存在到目的节点的路由，如果存在则进行数据发送，否则源节点S启动到目的节点D的路由过程，实现过程分以下几步：

步骤1：源节点S以广播形式向邻节点发送路由请求包RREQ_I启动路由发现过程，并将该RREQ_I消息中的源节点序列号设为当前序列号加1，将跳数计数器清零；

步骤2：中间节点接收到RREQ_I包后，识别源节点序列号，仅当发现RREQ_I中的前一跳SOP信息与自己的SOP有交集时，修改RREQ_I包跳数、SOP链表信息、SOP风险指数链表信息并转发；

步骤3：某个接收到RREQ_I包的节点发现自己是目的节点D，或者存在现有到达目的节点D的路由，该节点产生RREP_I，并根据接收到的所有中间节点的SOP信息及风险指数为自己频谱敏捷的接收机分配一个SOP中的一条信道，选择SOP和信道的概率分别为SOP和信道的1/RI。之后将RREP送回源节点，并将分配的信道封装在内。中间节点依据从RREP_I中提取的信道信息和先前的RREQ_I信息选择目前风险指数最小的SOP中，与邻节点频谱间隔最小的频带。节点通过可自适应在频谱间进行切换的收发器建立到目的节点的路由，同时更新路由表并产生新的RREP_I信息送回给源节点；

步骤4：源节点S在收到RREP_I包之后开始发送数据包；

步骤5：若以上步骤中产生RRER，重新开始步骤1。

Claims (1)

1.一种多跳认知无线网络中基于风险评估的随机路由方法，其特征在于，节点感知的频谱空洞中包含一个或多个频谱连续的信道，每个信道的带宽为10MHz，由以下几个步骤实现：

首先，在原RREQ消息进行扩展加入SOP信息链表和SOP风险指数信息链表，其中SOP为频谱机会，扩展后的路由请求消息记为RREQ_I；对原路由应答消息也进行了扩展，在原RREP消息中加入SOP信息链表和信道信息链表，扩展后的RREP消息记为RREP_I；

1)路由发现

当节点S需要一条路由到达某个目的节点D，但是却没有现成可用路由的时候，节点S在所有可用信道上广播路由请求包RREQ_I，启动路由发现过程，并将该RREQ_I消息中的源节点序列号设为当前序列号加1，将跳数计数器清零，将节点S的SOP信息加入SOP链表，将SOP风险指数加入SOP风险指数链表，当RREQ_I向前传递时，同时也建立了一个到转发节点的反向路径；

2)路由转发

接收到RREQ_I包的节点A识别源节点序列号之后，将RREQ_I包跳数加1并修改转发，直到某个转发节点B本身是目的节点或者存在现有到达目的节点路由，该节点产生路由应答包RREP_I；

3)路由回复

当某节点B发现自己是目的节点或者存在到目的节点的路由时产生RREP_I包送回源节点S，并将分配的频带封装在内，中间节点依据从RREP_I中提取的频带信息和先前的RREQ_I信息，选择目前风险指数最小的SOP中，与邻节点频谱间隔最小的频带，节点通过可自适应在频谱间进行切换的收发器建立到目的节点的路由，同时更新路由表并产生新的RREP_I信息送回给源节点S；

4)路由维护

认知无线电网络中主用户的随机出现会导致节点的当前信道变得不可用，由此原因造成的路由中断可能随时发生，该节点首先需要将当前信道不可用信息通过路由出错包RERR发送出去，通知所有预发送节点发生了路由中断，其次发生中断的节点需要切换到新的信道进行通信，此时如果所在SOP内有可用信道，则切换到该信道上，否则该路由不可用，需要进行路由更新。

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