CN101715224A - 一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种认知无线网格网络的联合路由与信道分配方法。所述方法包括步骤：a.节点感知外部环境，将感知信息广播给邻节点，并获得邻节点列表；b.节点试图通过路由树的拓扑形式，并根据信道统计度量值来选择分配的信道；c.节点接入网络，通过对跳数以及信道统计度量值大小进行排序，选择跳数少或者信道统计度量值小的节点作为父节点；d.节点退出网络，依据节点是父节点还是子节点，选择退出方式，更新路由树信息。本发明方法考虑认知环境下频谱空穴数量动态变化的特性，合理有效地分配信道和选择路由，均衡信道负载，降低邻信道间干扰，避免出现个别信道负载过重、时延增加的现象，充分发挥多信道并行传输优势，提高网络传输性能。

Description

一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法

技术领域

本发明涉及认知无线网格网络(CogWMN)，具体是一种认知无线网格网络的联合路由与信道分配方法。

背景技术

认知无线网格网络作为一种智能无线网络，它能感知外部环境，根据当前环境状态做出智能决策来适应传输参数。譬如通过当地环境协调信息，决定路由以及信道分配。认知无线网格网络属于频谱检测接入(DSA)网络，大多数DSA系统采用全局公用信道来协调信道分配问题。然而，网络内终端节点不会永远处于全局公用信道上，也不会一直停留在固定的授权信道(Primary channel)上。在对路由建立的过程中，网络需要考虑信道数量的分配，避免出现个别信道分配过于集中，导致网络内节点竞争占用信道传输业务流，而忽视了多信道并行传输的优势，因此设计联合路由与信道分配策略主要考虑实现的可能性，研究如何提高网络的性能。

但已提出的无线网格网络路由度量，并未考虑认知环境下频谱空穴数量动态变化的特性，需要设计适用于认知无线网格网络的路由度量。已提出的认知无线网格网络路由技术，考虑到此特性，却并未涉及邻信道间干扰和信道数量的均衡化，不利于网络传输性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提出一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，它通过下述技术方法来实现：

a.节点感知外部环境，在感知周期后，发现邻节点，将感知信息广播给邻节点，同时获得邻节点列表，所述网络的接入节点发送同步帧信号，对接收节点进行时钟同步。

b.所述网络内节点试图通过路由树的拓扑形式，根据信道统计度量CSM(Channel Statistics Metric)值来选择分配的信道，通过节点实时交互信息，多跳连接接入点，若分配的信道统计度量值小于阈值，则相应调高信道优先级，优先分配该信道。

c.节点接入网络，通过对跳数以及信道统计度量的大小进行排序，选择跳数最少的节点作为父节点，若跳数相同，则选择信道统计度量值小的节点作为父节点。

d.节点退出网络，依据节点是父节点还是子节点，选择退出方式，更新路由树信息。

进一步的方法是，所述帧信号被划分为m个相等间隔T_m，每个间隔对应一个信道。

更进一步的方法是，在邻节点的发现过程中，所述节点随机选择周期窗口PW以及侦听窗口LW，并且满足LW≤PW＜T_m。

更进一步的方法是，设定信道统计度量CSM值作为作为信道分配参数，即：

$\mathrm{CSM}=\mathrm{num}\left({\mathrm{Pc}}_m\right)/\underset{V_{i,}{U}_j\∈\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{Clist}}_{V_i}+{\mathrm{Clist}}_{U_j})$

其中：num(Pc_m)为信道Pc_m的分配次数，m∈{1，2，...，M}；

为节点V_i的可用信道数，

为接入点U_j的可用信道数，π为已分配信道节点集合，

设定信道统计度量CSM的阈值为ε，当num(Pc_m)＞1，CSM≤ε时，则相应调整信道优先级。

更进一步的方法是，当节点需要接入网络时，节点随机选择可用信道，广播节点信息，等待其他节点回复状态信息，直至轮询所有可用信道，根据信道统计度量值的排序结果以及跳数多少选择路由。

更进一步的方法是，节点在各自的感知范围内获得空闲信道，接入节点根据信道统计度量值，依据信道的优先级分配信道，同步建立树形路由。

认知无线网格网络的联合路由与信道分配方法是一种主动式路由与信道分配方式。在认知环境下，可用信道的未知性，导致路由和信道的复杂变化，因此要求路由与信道分配方法易于实现，维护简单并能提高网络性能。本发明是在所提出的信道统计度量下建立的路由树，由于路由树初始化后，网络接入点维护着子节点的路由表信息，所以节点退出和接入时都有记录信息和删除信息，因此能较优地选择路由及其信道，改善网络性能。由于路由树初始化后，路由一直都是建立的，因此子节点可立即传送信息，减少传输时延，提高网络传输性能。

本发明通过网络内节点在各自的感知范围内获得空闲信道，发现邻节点。自接入点(根节点)起，各节点逐级计算邻节点间的信道统计度量值，确定信道优先级，选择优先级高的信道作为邻节点间信道。网络内节点自上而下依次分配邻节点间的信道，初始化路由树。路由树初始化后，节点因频谱空穴变化等因素退出网络，需要重新接入网络，或者有新节点需要接入网络时，该节点依据邻节点列表中候选接入节点的跳数和信道统计度量值，选择父节点，自下而上依次分配相邻节点间的信道，同步建立路由。该方法考虑认知环境下频谱空穴数量动态变化的特性，合理有效地分配信道和选择路由，均衡信道负载，降低邻信道间干扰，避免出现个别信道负载过重、时延增加的现象，充分发挥多信道并行传输优势，提高网络传输性能。

附图说明

图1是本发明中邻节点发现的流程

图2是建立路由树的流程

图3是节点选取优先级信道的流程

图4是节点接入网络的流程

图5是节点退出网络的流程

具体实施方式

本发明在认知无线网格网络内接入节点与终端节点建立路由时，采用联合路由与信道分配方法。网络的接入节点发送同步帧信号，对接收节点进行时钟同步。网络内每一节点试图在感知周期后，发现邻节点，将感知信息广播给邻节点，同时获得邻居节点列表。邻节点发现过程请参见图1，具体步骤如下：

S1-1每个节点都通过感知周期后获得自身的可用信道列表，接入节点发送同步帧，接收节点获得同步帧进行时钟同步。

S1-2在可用信道对应的时隙期间，随机选择广播周期窗口PW，广播自身的可用信道列表信息以及地址。节点信息广播包格式见下表：

                      32bit                         8bit               16bit

S1-3判断广播计时器是否结束。若是，转S1-6；否则，转S1-3。

S1-4在可用信道对应的时隙期间，随机选择侦听窗口LW，并且满足LW≤PW＜T_m。将侦听结果记录在邻节点列表中。邻节点列表格式见下表：

32bit    32bit

本节点地址	保留
		邻节点地址	邻节点地址
邻节点地址	邻节点地址

S1-5判断侦听计时器是否结束。若是，转S1-7；否则，转S1-5。

S1-6判断T_m是否结束。若是，转S1-8；否则，转S1-4。

S1-7判断T_m是否结束。若是，转S1-8；否则，转S1-2。

S1-8等待下一个时隙m＝m+1，转S1-9。

S1-9判断帧是否结束。若是，结束；否则，转S1-2。

本发明将一帧时间被划分为m个相等间隔T_m，每个间隔对应一个信道。由于可用信道的未知性，本发明在邻节点的发现过程中，节点随机选择周期窗口PW以及侦听窗口LW，并且满足LW≤PW＜T_m。

为了避免出现个别信道分配过于集中的问题，即信道分配数量两极分化，本发明设计信道统计度量CSM作为信道分配参数，即

$\mathrm{CSM}=\mathrm{num}\left(P{c}_m\right)/\underset{V_{i,}{U}_j\∈\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{Clist}}_{V_i}+{\mathrm{Clist}}_{U_j})---\left(1\right)$

其中：num(Pc_m)为信道Pc_m的分配次数，m∈{1，2，...，M}；

为节点V_i的可用信道数，

为接入点U_j的可用信道数，π为已分配信道节点集合，

网络内节点试图通过路由树的拓扑形式依据信道统计度量CSM值来选择分配的信道，通过节点实时交互信息多跳连接接入点。设定信道统计度量CSM的阈值为ε，当num(Pc_m)＞1，CSM≤ε时，则相应调整信道优先级，优先分配该信道。其建立路由树的过程如图2，具体步骤下：

S2-1在可用信道对应的时隙期间，判断是否是接入点。若是，转S2-2；否则，转S2-3。

S2-2接入点搜索邻节点列表中是否有包含该可用信道的节点。若是，转S2-4；否则，转S2-11。

S2-3节点搜索邻节点列表中是否有包含该可用信道的节点。若是，转S2-4；否则，转S2-12。

S2-4查询信道优先级，标记信道。

S2-5节点向单跳邻节点发送请求信道(REQ)。REQ的格式见下表。

8bit 16bit  8bit  8bit    32bit

类型

保留

信道号

可用信道数

请求节点地址

S2-6等待单跳邻节点回复信息。

S2-7判断是否收到信道允许接入(ACK)数据包。若是，转S2-8；否则，转S2-9。ACK的格式见下表：

8bit   16bit    8bit   8bit   32bit   32bit

类型

保留

信道号

跳数

回复节点地址

请求节点地址

信道拒绝接入(REF)数据包格式见下表。

8bit    16bit    8bit    32bit

类型

保留

信道号

拒绝节点地址

S2-8建立连接，构建路由树信息，转S2-10，路由树信息包格式见下表：

          32bit                                 32bit

S2-9抛弃链接，转S2-1。

S2-10判断CSM值是否小于阈值。若是，转S2-12；否则，转S2-1。

S2-11判断是否存在路由树。若是，转S2-3；否则，转S2-12。

S2-12将该时隙对应的信道列为优先信道，等待下一个时隙，m＝m+1。

S2-13判断帧是否结束。若是，结束；否则，转S2-1。

节点选取优先级信道的流程请参见图3，具体过程如下：

S3-1判断可用信道列表中是否存在优先级信道。若是，转S3-2；否则，转S3-4。

S3-2判断优先级信道是否不止一个，若是，转S3-3，否则，转S3-6。

S3-3选取与Δ-1跳信道号最远的信道，转S3-6。

S3-4根据公式(1)计算信道CSM值，并对CSM值进行从小到大的排序。

S3-5选择最小CSM值信道，或者在CSM值相等的情况下选择与Δ-1跳信道号最远信道。

S3-6标记该信道。

节点接入网络时，通过对跳数以及信道统计度量的大小进行排序，选择跳数最少的节点作为父节点，若跳数相同，则选择具有信道统计度量值小的信道的节点作为父节点。节点接入网络时的路由处理流程请参见图4，具体步骤如下：

S4-1节点随机选择可用信道列表中的信道，广播节点信息。

S4-2等待邻节点回复状态信息。

S4-3节点收到邻节点状态信息，判断是否是感知状态。若是，转S4-2；否则，是控制状态或者发送状态，转S4-4。

S4-4判断是否轮询完可用信道列表。若是，转S4-5；否则，转S4-1。

S4-5通过对跳数以及信道统计度量的大小进行排序，选择跳数最少的节点作为父节点，若跳数相同，则选择具有信道统计度量值小的信道的节点作为父节点。

S4-6节点向单跳邻节点发送请求信道REQ数据包。REQ的格式见下表：

8bit    16bit    8bit    8bit    32bit

类型

保留

信道号

可用信道数

请求节点地址

S4-7等待单跳邻节点回复信息。

S4-8判断节点是否收到ACK数据包。若是，转S4-9；否则，收到的是REF，转S4-10。ACK数据包格式见下表：

8bit    16bit    8bit    8bit    32bit    32bit

类型

保留

信道号

跳数

回复节点地址

请求节点地址

S4-9建立链接，构建路由树信息，结束。

S4-10抛弃链接，转S4-5。

上述路由处理流程中，节点需要接入网络时，随机选择可用信道及广播节点信息，等待其他节点回复状态信息，直至轮询所有可用信道，根据信道统计度量CSM值的排序结果以及跳数大小选择路由。节点在各自的感知范围内获得空闲信道，接入节点根据CSM值，建立树形路由的同时，依据信道的优先级分配信道。

节点退出网络时，依据节点是父节点还是子节点，选择退出方式，更新路由树信息。节点退出网络的路由处理流程见图5，具体步骤如下：

S5-1判断退出的节点是否是父节点。若是，转S5-3；否则，转S5-2。

S5-2向其父节点发送QUIT数据包，转S5-4。QUIT的格式见下表：

8bit    16bit    8bit    32bit

类型

保留

信道号

退出节点地址

S5-3向其父节点和其子节点发送请求信道退出(QUIT)信息。

S5-4其父节点更新路由树信息，并上传信息。

S5-5其子节点根据邻节点列表和路由树信息，重新接入网络。

Claims (6)

1.一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于包括下述步骤：a.节点感知外部环境，在感知周期后，发现邻节点，将感知信息广播给邻节点，同时获得邻节点列表，所述网络的接入节点发送同步帧信号，对接收节点进行时钟同步；b.所述网络内节点试图通过路由树的拓扑形式，根据信道统计度量CSM值来选择分配的信道，通过节点实时交互信息，多跳连接接入点，若分配的信道统计度量值小于阈值，则相应调高信道优先级，优先分配该信道；c.节点接入网络，通过对跳数以及信道统计度量的大小进行排序，选择跳数最少的节点作为父节点，若跳数相同，则选择信道统计度量值小的节点作为父节点；d.节点退出网络，依据节点是父节点还是子节点，选择退出方式，更新路由树信息。

2.根据权利要求1所述的一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于所述帧信号被划分为m个相等间隔T_m，每个间隔对应一个信道。

3.根据权利要求2所述的一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于在邻节点的发现过程中，所述节点随机选择周期窗口PW以及侦听窗口LW，并且满足LW≤PW＜T_m。

4.根据权利要求1所述的一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于设定信道统计度量CSM值作为作为信道分配参数，即：

$\mathrm{CSM}=\mathrm{num}\left({\mathrm{Pc}}_m\right)/\underset{V_i,U_j\∈\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{Clist}}_{V_i}+{\mathrm{Clist}}_{U_j})$

其中：num(Pc_m)为信道Pc_m的分配次数，m∈{1，2，...，M}；

为节点V_i的可用信道数，

为接入点U_j的可用信道数，π为已分配信道节点集合，

设定信道统计度量CSM的阈值为ε，当num(Pc_m)＞1，CSM≤ε时，则相应调整信道优先级。

5.根据权利要求4所述的一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于当节点需要接入网络时，节点随机选择可用信道，广播节点信息，等待其他节点回复状态信息，直至轮询所有可用信道，根据信道统计度量值的排序结果以及跳数多少选择路由。

6.根据权利要求4所述的一种认知无线网格网络联合路由与信道分配方法，其特征在于节点在各自的感知范围内获得空闲信道，接入节点根据信道统计度量值，依据信道的优先级分配信道，同步建立树形路由。

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