CN101656998A - 基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，采用马尔可夫过程来分析认知无线电网络路由的可靠性，属于无线通信技术领域，本发明中计算出的信道选择失败率对认知网络的频谱机会进行了分析，联合频谱分配和路由选择，以频谱机会和信道的失败概率为选择路由和信道指标，在避免对主用户干扰的同时增强了认知网络的健壮性，提高了路由协议的实用性和网络的整体性能。

Description

基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法

技术领域

一种基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，属于无线通信技术领域，特别涉及无线自组织网络多信道环境，结合频谱分配基于对节点感知并计算出的信道失败率完成路由和信道的选择，提高了网络的可靠性和健壮性。

背景技术

随着无线应用的不断拓展，频谱资源的缺乏成为无线应用研究过程中不得不面临的问题，但是从一些研究结果可以看到，频谱资源的缺乏更多是由于无线接入技术的利用不合理引起的。现在不同无线通信系统分配频谱的方法主要是基于固定的分配方式，即某一无线频谱块分配给某一特定的无线接入网络，然后再把这个无线频谱块分为若干个频谱子块，这些频谱块大小固定，相互之间间隔一个固定大小的保护频段，分配给具有授权资格的不同运营商，只有这些运营商的授权期满之后才可以分配给其他用户。这种固定分配方式虽然对于频谱管理非常简单容易，但是存在频谱利用率低的特点，例如大多数通信网络在设计之初都是基于该网络可能最大的传输流量进行考虑，但是实际的情况却是，通信网络并非全天满负荷运行，频谱资源在不同位置不同时间段的利用有所不同，这种静态的频谱分配方式造成了频谱资源的浪费。为了解决这个问题，基于对认知无线电的研究，人们提出了一种开放式频谱接入机制。认知无线电系统是一个智能无线通信系统，它能够感知、学习周围环境，通过改变相应的操作参数(比如传输功率、超载波和调制技术等)，使其内部状态能适应接收到的无线信号统计性变化，从而完成在任何时间任何地点高可靠性的通信以及对频谱资源的高效利用。利用认知无线电的智能感知能力，开放式频谱接入机制允许未授权用户(认知用户)在授权用户(主用户)未使用该频谱资源时，在不对授权用户(主用户)造成干扰的情况下，使用原来分配给授权用户的频谱资源。非授权用户通过使用认知无线电技术实时感知周围的环境，检测主用户当时未使用的频谱资源放入频谱池中共享。

马尔可夫过程理论在计算系统的可靠性，分析系统的渐进性、生产函数等方面是一个非常有效的工具，并且已经成功应用于串(并)联系统、k-out-of-n以及连续k-out-of-n等系统的可靠性分析中。对于实际中有广泛应用背景的网络系统，如通信网络、计算机网络、电力网络等，由于其结构复杂，当组成系统的部件数为n，每一个部件有正常和故障两种状态的时候，网络系统的状态空间数目就达到个2ⁿ个，但是在这种情况下采用马尔可夫过程就会在2ⁿ个状态间进行转换，过程太复杂，所以采用最大概率状态生成算法生成网络在实际运行中最可能出现的状态，构成网络系统的实际状态空间。

发明内容

为了解决认知无线电中认知用户如何在不干扰主用户正常通信的情况下共享频谱资源和优化频谱使用的问题，本发明在根据实际情况提出的Markov的主用户信道占用模型的基础上，利用传统的可靠性性能指标：阻塞率、丢包率和资源利用率来衡量认知网络的性能，通过分析马尔可夫过程的认知网络，提出三个性能指标的计算公式，路由选择的同时完成信道选择，为此本发明在RREP报文中包含了路径中所有节点的信道信息；路由选择过程中采用了本发明计算失败率性能指标，并且增加了一种RCNP报文，其中包含了所有节点的信道选择结果，并根据信道选择结果更新节点维护的信道信息表，避免链路中断造成的大量MAC开销，为此协议改进了路由维护机制。

由于认知无线电网络首先是一种多信道环境，为此协议在RREP报文中包含了路径中所有节点的信道信息；路由选择过程中采用了本发明计算失败率性能指标。

1)初始化信道

认知无线电网络中每个节点都具有信道状态表，信道状态表用来保存信道信息，信道信息为信道的状态信息，包括可用信道与不可用信道。节点根据自己的信道状态表中的可用信道，随机选择一个信道作为初始化信道。

在认知网络中的每个认知设备都有频谱感知功能，频谱感知功能监测附近的频谱使用情况并识别可用频谱，并保持了一张信道状态列表。信道状态列表可以用1、0状态表示此时是否可用，1表示可用，0表示不可用。

2)路由发现

当一个节点有数据分组向目的节点发送时，它通过广播路由请求(RREQ)报文启动路由发现过程。RREQ报文在节点的所有可用信道上广播。经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能到达目的节点，如果不能，则路由发现失败。

3)路由回复

目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段，计算失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组。然后将所选频段封装在RREP中发往源节点。在反向路径的中间节点根据上一跳计算出来的信道选择结果结合本节点维护的信道状态表，同样会根据计算出失败率进行信道选择，然后将选择结果封装在RREP中继续发往源节点。

RREP报文中加入“节点信息表”域。信道选择失败率指标计算如下：

阻塞率：P_B(i，CL)表示网络i的主用户数据流到达时的阻塞率，P_B(i，CR)表示网络i的认知流到达时的阻塞率。

$P_B(i,\mathrm{CR})=P(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(j\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i){\mathrm{\π}}_S$

丢弃率：f是一个即将到达的认知流(C_CR(j))，到达网络j时，网络j中的(C_CR(i))就要被丢弃。

$P_D(i,\mathrm{CR})=P(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(k\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i){P(n\left(j\right)\≤K_j)\mathrm{\π}}_s$

失败率：认知网络的通信量跟传统通信比起来，特点在于阻塞的数据流在减少，但是增加了丢弃流。因此，可用P_F来最为总体性能来比较认知和传统网络的可靠性能，这样的P_F是即将到达的流没有得到应得的服务的可能性。P_F的计算用用到P_B和P_D，P_F的表达式可写成：

P_F(i，CR)＝P_B(i，CR)+(1-P_B(i，CR))×P_D(i，CR)

4)信道通知机制

源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文(Route ChannelNotice Packet，RCNP)。RCNP报文由路由请求目的节点IP地址、路由请求目的节点序列号、路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列号和节点信息表组成。节点接收到RCNP报文后，更新自己的信道状态表。

5)路由维护机制

在认知无线电网络中，由于主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用了，因此造成路由中断。当发生这种情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RERR报文，通知所有预发送节点发生了路由中断，而不需要根据MAC层的链路中断判断机制，这样做的好处是避免了大量的MAC层开销。

RRER报文的发送要注意以下两点：(1)由于节点失去信道，无法接收分组，所有下一跳为该节点所有的路由条目都会失效。因此RERR报文中的不可达目的节点域应该包括所有的活动路由的目的节点。(2)预发送节点可能处在不同的信道上，因此RRER报文依次在所有预发送节点的信道上广播。

本发明的有益效果：使用本发明采用了马尔可夫过程的方法分析了认知网络的可靠性，并且提出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失败概率为选路标准，在避免对主用户干扰的同时增强了认知网络的健壮性，提高了路由协议的实用性和网络的整体性能。

附图说明

图1是源节点到目的节点的寻路过程。

图2是本发明的路由方法流程图。

图3是RREQ格式。

图4是RREP格式。

图5是节点信息表。

图6是RCNP格式。

具体实施方式

1)初始化信道

节点根据自己的信道状态表中各信道的状态，随机选择一个信道作为初始化信道。

2)路由发现

当一个节点有数据分组要发送时，它通过广播路由请求(RREQ)报文启动路由发现过程。由于邻居节点可能处在不同的信道上，RREQ报文必须在节点的所有可用信道上广播，而不是单信道协议里的一个信道。经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能到达目的节点，则路由发现成功；如果不能，则路由发现失败。

如图1示，节点S想寻找到节点D的路由，假设节点S一开始在信道0上，可用信道为信道1、2、4。然后，S在所有可用信道上以轮循方式广播RREQ。更详细地说，就是S在信道1上广播RREQ，切换到信道2，在信道2上广播RREQ，依次类推。在所有可用信道上广播完之后，节点返回到最初的信道上。这时当中间节点接收到RREQ，它也在所有可用信道上传递报文。中间节点在传递完报文之后也将回到最初的信道上。

当RREQ向前传递时，同时也建立了一个到转发节点的反向路径。因此，RREQ中应包括转发节点的信道信息和信道选择失败率，格式见表1。信道选择失败率计算如下：

网络i中的主用户通信和认知用户通信分别用C_CL(i)和C_CR(i)表示。对于认知通信，如果主网络的资源不够用了，认知流可以切换到其他的网络(如切换到网络j上，i≠j)，前提是网络j有可用的资源。这个系统中的每个网络的通信都由两项组成，分别用N_CL(i)和N_CR(i)代表传统和认知网络的数据流数目，n(i)是总数，即网络i的总数据流数目。

如果在传统通信网络中信道被完全占用时就会出现阻塞。认知网络中只有在主网络被自己的流占用并且其他网络都完全被占用时才会阻塞。这样看来，认知通信比传统通信有较低的阻塞率。但是，产生了一个新的可能性，就是丢弃流的可能性。如果数据流C_i到达网络i如果所有网络的所有信道都被占用时，即 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N(N_{\mathrm{CL}}\left(i\right)+N_{\mathrm{CR}}\left(i\right))=M,$ 如果网络i也用完了自己所有的信道资源，即N_CL(i)+N_CR(i)≥k_i，数据流就被阻塞了。但是如果这个网络先前借出信道资源给其它网络，那么现在可以要回资源给自己用，通过强制外来认知用户退出信道来实现。而被强制退出的认知流就被丢弃了。

为了给系统建模，用X(t)代表网络，在t时刻定义为((N_CL(i)，N_CR(i))，i＝1...N)。数据流的达到用泊松过程来描述，传统和认知流的参数分别为λ_CL(i)和λ_CR(i)。类似，用μ_CL(i)和μ_CR(i)表示服务率的指数分布系数。因此，{X(t)，t≥0}是时间连续的马尔可夫过程，且状态空间 $S=\{(N_{\mathrm{CL}}\left(i\right),N_{\mathrm{CR}}\left(i\right)),i=1...N|N_{\mathrm{CL}}\left(i\right)\≤T_i,{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}N=M_i\}.$ T_i表示可占用资源的上限。

这个马尔可夫过程的转移矩阵Q可通过X过程得到，设一个具体的状态空间s∈S，且s＝((N_CL(i)，N_CR(i))，i＝1...N)。稳态性π_s可通过下面方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\π}}_{s}Q={\mathrm{\π}}_s\\ \underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_s=1\end{array}\right.$

本发明用三个传统的可靠性指标衡量系统的性能：阻塞率，丢弃率和失败率。具体的指标的计算由下面的状态和传输条件决定。

阻塞率：P_B(i，CL)表示网络i的主用户数据流到达时的阻塞率，P_B(i，CR)表示网络i的认知流到达时的阻塞率。

一个主用户流f被阻塞，那么它的主网络已经用了超过上限的资源容量(即n_i≥T_i)，由此可得阻塞率的表达式：

P_B(i，CL)＝P(n(i)≥T_i)π_s

对于认知流的阻塞概率，如果发生阻塞必须满足两个条件，当流到达时

1)所有的网络资源都被占用 $(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(j\right)=M);$

2)网络i已经用完了它自己的所有资源(n(i)≥K_i)。

由以上两个条件可得认知流的阻塞率为：

$P_B(i,\mathrm{CR})=P(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(j\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i){\mathrm{\π}}_S$

丢弃率：在传统的网络连接中是没有丢弃问题的。因此，在认知网络中，主用户的数据流也不会被丢弃的，只考虑认知流的丢弃问题，f是一个即将到达的认知流(C_CR(j))，到达网络j时，网络j中的(C_CR(i))就要被丢弃，必须满足的条件：

1)所有的信道M都被占用，即 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(k\right)=M$

2)网络i已经用了多于物理处理的系统资源(n(i)≥K_i)

3)网络j占用的资源小于它的物理容量，n(j)≤K_j

由以上条件可得网络i的丢弃率可写成：

$P_D(i,\mathrm{CR})=P(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(k\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i){P(n\left(j\right)\≤K_j)\mathrm{\π}}_s$

失败率：认知网络的通信量跟传统通信比起来，特点在于阻塞的数据流在减少，但是增加了丢弃流。因此，可用P_F来最为总体性能来比较认知和传统网络的可靠性能，这样的P_F是即将到达的流没有得到应得的服务的可能性。P_F的计算用用到P_B和P_D。

P_F(i，CR)＝P_B(i，CR)+(1-P_B(i，CR))×P_D(i，CR)

3)路由回复

目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段，然后将所选频段封装在RREP中发往源节点。中间节点从接收到的RREP消息中提取各下游节点已分配的频段，连同本发明中根据计算的失败率性能指标选择信道，并返回一个RREP分组。

RREP报文中加入“节点信息表”域。RREP报文格式见图4，节点信息表示例见图5。

4)信道通知机制

当源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文(Route ChannelNotice Packet，RCNP)，RCNP报文如图6。RCNP报文由路由请求目的节点IP地址、路由请求目的节点序列号、路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列号和节点信息表组成，节点接收到RCNP报文后，更新自己的信道状态表。

5)路由维护机制

在认知无线电网络中，由于主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用了，因此造成路由中断。当发生这种情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RRER报文，通知所有预发送节点发生了路由中断，预发送节点更新自己的信道状态表，而不需要根据MAC层的链路中断判断机制，这样做的好处是避免了大量的MAC层开销。

RRER报文的发送要注意以下两点：

(1)由于节点失去信道，无法接收分组，所有下一跳为该节点所有的路由条目都会失效。因此RERR报文中的不可达目的节点域应该包括所有的活动路由的目的节点。

(2)预发送节点可能处在不同的信道上，因此RRER报文依次在所有预发送节点的信道上广播。

Claims (7)

1、基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，其特征在于：

1)初始化信道

认知无线电网络中每个节点都具有信道状态表，节点根据自己的信道状态表中的可用信道，随机选择一个信道作为初始化信道；

2)路由发现

当一个节点有数据分组要发送时，它通过广播路由请求RREQ报文启动路由发现过程，RREQ报文在节点的所有可用信道上广播，经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能到达目的节点；

3)路由回复

目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段，计算失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组；然后将所选频段封装在RREP中发往源节点，中间节点从接收到的RREP消息中提取各下游节点已分配的频段并结合计算出的失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组；

4)信道通知机制

源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文，节点接收到路由信道通知报文后，更新自己的信道状态列表；

5)路由维护机制

当发生主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用，造成路由中断的情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RRER报文，通知所有预发送节点发生了路由中断。

2、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的信道状态表用来保存信道信息，信道信息为信道的状态信息，包括可用信道与不可用信道。

3、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的RREQ报文格式中增加转发节点所处信道和信道选择失败率两条信息。

4、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的RREP报文格式中增加节点信息表，节点信息表描述了每个节点当前工作所在的信道。

5、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的信道选择失败率的计算包括阻塞率、丢弃率及失败率的计算；

阻塞率：P_B(i，CR)表示网络i的认知流到达时的阻塞率，

$P_B(i,\mathrm{CR})=P(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(j\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i){\mathrm{\π}}_S;$

丢弃率：f是一个即将到达的认知流(C_CR(j))，到达网络j时，网络j中的(C_CR(i))就要被丢弃；

$P_D(i,\mathrm{CR})=P(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}n\left(k\right)=M)P(n\left(i\right)\≥K_i)P(n\left(j\right)\≤K_j){\mathrm{\π}}_s;$

失败率：P_F是即将到达的流没有得到应得的服务的可能性概率，P_F的表达式写成：

P_F(i，CR)＝P_B(i，CR)+(1-P_B(i，CR))×P_D(i，CR)。

6、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的路由信道通知报文由路由请求目的节点IP地址、路由请求目的节点序列号、路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列号和节点信息表组成。

7、如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的步骤5)的发送RRER报文中的不可达目的节点域包括所有的活动路由中包含此节点的目的节点；RRER报文依次在所有预发送节点的信道上广播。

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