CN101827418A - 一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于认知无线电CR领域，尤其涉及CR网络中的组播路由协议。本发明一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法，所述方法步骤如下：网络模型的建立；建立古诺博弈模型；计算效益函数；求解纳什均衡；组播树的建立。本发明给出认知无线电网络中基于能量优化的组播路由算法，通过根据经典古诺静态模型，建立认知网络中频谱分配的模型，以达到高效的频谱分配率。同时考虑能量优化，根据最小增量MIC和按需驱动的思想，利用路由选择与频谱分配跨层设计的方式解决动态频谱选择的问题，设计出适应于认知无线电网络频谱多样性、动态性、差异性特点的组播路由算法。

Description

一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法

技术领域：

本发明属于认知无线电CR领域，尤其涉及CR网络中的组播路由协议。

背景技术：

随着无线通信的迅速发展，针对现有频谱利用率低的现状，使得能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到了人们的广泛关注。认知无线电(cognitive radio，CR)作为一种智能的频谱共享技术，能够感知外界环境，使用人工智能技术从环境中学习，实时自适应地改变系统的工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱。认知无线电技术的提出，为实现高效的频谱利用率，同时保证可靠的通信性能，提供了一种新思路。博弈论(gametheory)又称对策论，它作为分析不同个体之间交互作用的数学理论模型，在认知无线电等相关理论研究中得到了较多应用。基于博弈论的认知无线电频谱分配问题，是目前认知无线电领域的研究热点之一。

在文献《Adaptive Channel Allocation Spectrum Etiquette for Cognitive RadioNetworks》中，N.Nie和C.Comaniciu提出了一种认知无线电网络中的自适应频谱分配规则，设计了一个博弈理论结构来分析认知无线电的分布式自适应信道分配。在文献《Collaboration and fairness in opportunistic spectrum access》中Peng和Zheng等人相继提出的标签机制，可区分用户的优先级；在文献《Distributed spectrum allocation vialocal bargaining》中Cao等人采用公平的业务保证机制提出了本地讨价还价(localbargaining)算法，进一步降低了系统的复杂性，基于合作的方法为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销、这对于带宽受限的通信系统并不适用。

在传统的网络中所使用的频谱资源是相对固定的，而在认知无线电网络中由于所使用的频谱资源是通过检测的方式获得的，因此认知无线电网络本质上就具有频谱动态性、频谱差异性以及频谱多样性，使用动态的频谱资源使得路由协议的设计遇到新的挑战和问题。这些特点在以往的网络中是没有的，在传统网络中的路由协议并未考虑到这些因素，需要设计能够反映认知无线电网络特点及适应于在认知无线电网络中工作的路由算法和协议。因此有必要针对认知无线电网络的特点，研究适合于在认知无线电网络中工作的路由协议。

组播(Multicast)是一种一点对多点或者多点对多点的致力于面向群组计算的通信传播方式，最突出的优点是节省带宽，并且能显著减少分组传送开销，为了有效地利用认知无线电网络的有限资源，组播在无线网络中扮演着越来越重要的角色。对于认知无线电网络带宽资源紧张、系统资源有限的网络环境有重要的应用价值。目前基于Ad Hoc网络、无线传感器网络等无线网络的组播路由协议已经有了许多相关的研究，而如何实现认知无线电网络中的组播路由协议是目前需要进一步讨论研究的开放性问题。

鉴于以上考虑，本发明提供了一种基于能量优化的认知无线电网络组播路由算法。

发明内容

本发明给出认知无线电网络中基于能量优化的组播路由算法，通过根据经典古诺静态模型，建立认知网络中频谱分配的模型，以达到高效的频谱分配率。同时考虑能量优化，根据最小增量MIC和按需驱动的思想，利用路由选择与频谱分配跨层设计的方式解决动态频谱选择的问题，设计出适应于认知无线电网络频谱多样性、动态性、差异性特点的组播路由算法。

一、建立认知无线电网络模型

认知无线电网络包括一些移动节点和路由，拓扑结构为无向图G＝(V，E)，其中V是分布在二维平面内的所有节点集合，E是网络中节点之间的双向链路集合。假设：

每个节点都能动态调整自己的发送功率；

每个节点在发送过程中是不移动的；

每个节点使用全向辐射天线；

每个认知节点都配有一个传统无线通信接口形成统一的共享控制信道，传递协议报文；

认知节点能够及时获知该节点SOP(Spectrum Opportunity)集合信息；

工作在相同频段的冲突节点按照IEEE802.11协议标准进行退避；

每个节点都能通过一些距离估计方法获得自己的位置坐标以及网络中其他节点的位置坐标。

假设网络中任一节点特定时刻所剩余能量为E_i，在一个基于源节点的组播树中，每个节点的能量消耗是由它到子节点的距离决定的。基于源节点的组播树T中节点i的能量消耗为：

其中，E^T和E^R分别表示发送和接收单位数据包所消耗的能量，d_i是节点i到它最远子节点的传输距离，α是无线传播能量损耗常量，通常取为2~4。K是与天线特征相关的常数。

本发明中对于multicast树T其总成本定义为：认知无线电网络中节约能量的路由问题可以定义为：在无向图G＝(V，E)中找到一个multicast树T，使网络总能量消耗最小，即满足

同时考虑互相通信的节点的SOP集合之间是否存在交集，即

二、基于能量优化的组播路由算法

由于认知节点的可用频率动态变化，因此在设计认知无线电网络的组播路由算法时不同于传统网络静态分配的特点，需要同时考虑路由选择与频谱分配的问题。由于认知节点是伺机接入授权频段，工作频段随主用户工作情况变化，其关注的是频谱机会(SpectrumOpportunity，SOP)，即在特定的时间、特定的区域、特定的使用规则约束下的一个频段，因此网络选路和选择频谱需要结合考虑。

认知无线电网络区别于传统网络，在于其频谱的动态性、差异性和多样性，网络中每个节点能够主动、动态地感知目前未被占用的频谱“空白区域”，形成“频谱机会集合”SOP，并从中选取合适的频段工作，从而有效地降低冲突、干扰，提高通信效率。频谱分配的主要目的是通过一个自适应策略有效、高效以及可实施地利用频谱。频谱分配问题的博弈论模型的一般形式为：

G＝<N，{S_i}，{U_i}>   i∈N  (1)

其中，N表示参与者集合，s_i和u_i分别表示策略集合和效用函数集合。无线网络中移动节点通过电池提供能量，节点的能量有限，网络层路由协议的合理设计可以极大地降低能量消耗，选择能量节约的组播树算法对于延长网络生存时间和提高能量效率起着重要作用。

认知无线电网络基于能量优化的组播路由算法步骤如下：

1)建立古诺博弈模型

假设认知无线电网络有一个主用户和N个与主用户共享频谱的次用户，次级用户彼此间相互竞争以共享主用户提供的频宽，而主用户以单位带宽c(b)的价格向次用户收取费用，b为次用户可用的共享频宽。假定次用户使用自适应调制技术，传输速率基于信道质量动态调整，对于QAM，在单输入单输出高斯白噪声信道情况下BER(bit error rate)可以估计为：

$\mathrm{BER}\&ap;0.2\exp \left(\frac{-1.5\mathrm{\&gamma;}}{(2^k-1)}\right)---\left(2\right)$

γ为接收端的信噪比(SNR)，k＞0为所使用的调制技术的频谱效率。为了保证传输质量，设定为目标值。次用户的传输频谱效率为：

$k_i={\log }_2(1+K{\mathrm{\&gamma;}}_i)---\left(3\right)$

其中， $K=\frac{1.5}{\ln 0.2/{\mathrm{BER}}_i^{\mathrm{tar}}}.$

假设对于次用户i，已知接收端信噪比γ_i，

和分配频谱b_i，并可以测得传输速率。

本发明利用寡头市场竞争下的古诺模型建立频谱分配模型，参与者为共享频谱的次用户N，每个次用户i所分配的频谱大小b_i≥0为每个参与者的策略，支付函数即为次用户的收益。寡头市场的商品即为频谱。所有次用户根据所需求的频谱大小彼此竞争，各自的利润可以通过主用户收取的费用和利用分配频谱获得的收益来计算，所有的次用户都希望通过竞争获取最高的利益。建立这个频谱分配模型的目的就是通过利用均衡使得次用户收益最大，从而提高频谱利用率。

在认知无线电环境中，主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成本，合理的定价策略可以降低认知用户间的干扰，提高频谱效用，主用户向每个次用户收取的单位带宽价格为：

$c\left(B\right)=x\left(b_i\right)+y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}---\left(4\right)$

其中y，τ均为常数，且y≥0，τ≥1。x(b_i)可理解为单位带宽的最低价格，单位带宽价格是共享带宽总和的函数，y可理解为所共享的带宽总和对价格的边际影响，B＝{b₁，...b_N}表示所有次用户的策略集合。当次用户占用频谱带宽越宽，对其他用户干扰越大，则次用户的单位成本越高^[17]。所以设x(b_i)＝λb_i，其中λ＞0，单位带宽的价格为：

$c\left(B\right)=\mathrm{\&lambda;}{b}_i+y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}---\left(5\right)$

2)计算效益函数

假设分配信道之间的保护带宽是固定的并且很小，任一次用户i的收益由单位传输速率产生的收益r_i来表示：

u_i(B)＝r_i×k_i×b_i-b_ic(B)     (6)

每个次用户i的边际利润函数为：

$\frac{\&PartialD;u_i\left(B\right)}{\&PartialD;b_i}=r_i{k}_i-2\mathrm{\&lambda;}{b}_i-y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}-y{b}_i\mathrm{\&tau;}{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}-1}---\left(7\right)$

B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}表示除了次用户i的策略之外的所有策略集合，任一次用户i的最优频谱分配大小与其他次用户的策略有关，因此，通过求解纳什均衡使每个次用户都达到最优。即

集合表示博弈的纳什均衡解当且仅当

假设每个次用户都已知其他次用户所分配的频谱大小，次用户i对应的函数为：

$\frac{\&PartialD;u_i\left(B\right)}{\&PartialD;b_i}=0=r_i{k}_i-2\mathrm{\&lambda;}{b}_i-y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}-y{b}_i\mathrm{\&tau;}{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}-i}---\left(9\right)$

3)求解纳什均衡

通过求得纳什均衡解，每个次用户获得自身的最大利润，将所分配的频谱划分为若干信道的集合，即为每个次用户某个时刻的可用频谱集合SOP。在选择路由时需要考虑通信的双方有公共的传输信道，通过交换SOP集合信息判断是否存在交集，从而选择特定的信道进行数据通信。

4)组播路由发现

组播树建立采用类似MAODV的基本流程，每个组播组都有一个主节点，负责维护和更新本组的序列号，并定期用Group Hello包广播序列号。multicast树由一个源节点与若干个目的节点构成，当且仅当有数据要发送的并没有有效路由时，认知节点按需启动路由发现过程，用接收节点驱动模式构造multicast树，利用MIP算法从multicast树中选择节点作为其接入节点。

基于认知无线电网络频谱分配不均匀，各节点的SOP集合各不相同且动态变化的特点，在启动路由发现时，源节点必须将自身的SOP集合信息封装在RREQ中广播出去；转发时节点也将自己的SOP集合加入RREQ中的SOP集合链表，收到RREQ的节点比较SOP集合链表中最近集合与自己的SOP集合，当且仅当存在交集时才继续转发RREQ。这样能确保RREQ沿着空间和频谱切换上都可行的路径到达目的节点。

5)组播路由回复

收到RREQ的节点计算建立链路的能量消耗增值

将

和所选的频段加入路由回复报文RREP中，向源节点发送RREP以回复加入请求。目的节点根据收到的RREQ中沿途节点的SOP集合分布情况率先分配频段，然后将所选频段封装在RREP消息中发往源节点。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，连同先前从RREQ报文中提取的上游节点SOP集合分布，就能计算出目前最适合的工作频段，同时更新路由表，最后生成新的RREP继续回送到源节点。这种路由方式能够使节点都准确知道下一跳节点的工作频段，从而快速找到能通过适当频段切换建立通信的多跳路径。

6)组播树的维护

组播路由协议必须追踪和处理组播树的变化，即当一个成员节点退出组播组时，协议要进行树的剪枝；当树节点间的链路中断时，要及时进行链路的修复。为了节省能量开销，采用主动应答来监测链路状态，当发现链路断开时才修复或重新查找路由，从而达到维护multicast树的目的。

组播成员自己决定是否退出这个组播组，任何节点可以随时在任何时刻解除和周围节点的关系，如果是非叶节点退出组播组，改变自己的成员状态，但保持为组播树的中间节点；如果是叶节点离开组播组，首先单播发送一个MACT消息到上游节点，并删除自己路由表中对应的路由项，接收到MACT的上游节点将退出组播树的下游节点从路由表中删除，节点的剪除造成了组播树的改变，因此上游节点继续相同的处理过程，直至到达一个成员节点或者一个非叶节点。

由于节点的移动以及能量的消耗，造成组播树局部重新构建，从而导致非最优组播树出现，因此每隔一段时间要由源节点重新发起一个路由发现过程，以连接到组播树上。

根据以上步骤建立基于能量优化的组播树，最终实现认知无线电网络中的组播路由方法。

附图说明：

图1基于能量优化的认知无线电网络组播路由具体实现流程。

图2组播树构造算法。

具体实施方式：

下面以一个实例来介绍所述方法的具体实施过程。

通过一个例子说明multicast树构造算法的执行情况。Multicast树由源节点S与目的节点{d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，d₆，d₇}构成，移动节点i为待加入节点，设可用频谱分为5个信道，记为A，B，C，D，E，每个节点括号里的信息表示可用信道的集合，如图2(a)所示。

节点i广播包含可用信道集合的RREQ报文，在与邻接点可用信道集合上接收到由d₂，d₃，d₄，d₆发送的RREP报文。通过计算比较RREP信息中multicast树节点d₂，d₃，d₄，d₆的

值，得到

选择节点d₂作为i的接入节点，节点i通过提取RREP信息中节点d₂的SOP集合信息，其中，SOP_d2＝{A，B} SOP_i＝{A，C}，取可用信道SOP_d2∩SOP_i＝A。如图2(b)所示。路由协议达到如下指标：

1.路由具有良好的完备性。建立、维护、算法有机结合在一起；

2.算法时间复杂度不超过0(n²)；

3.路由协议发现延迟小、收敛快、开销低且安全性高。

Claims (1)

1.一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法，所述方法步骤如下：

1.1网络模型的建立

本发明，定义认知无线电网络包括一些移动节点和路由，拓扑结构为无向图G＝(V，E)，V是所有节点集合，E是双向链路集合；假设网络中任一节点特定时刻所剩余能量为Ei，在一个基于源节点的组播树中，每个节点的能量消耗是由它到子节点的距离决定的；基于源节点的组播树T中节点i的能量消耗为：

其中，E^T和E^R分别表示发送和接收单位数据包所消耗的能量，d_i是节点i到它最远子节点的传输距离，α是无线传播能量损耗常量，通常取为2~4；K是与天线特征相关的常数；

1.2建立古诺博弈模型

在认知无线电环境中，主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成本，合理的定价策略可以降低认知用户间的干扰，提高频谱效用，当次用户占用频谱带宽越宽，对其他用户干扰越大，则次用户的单位成本越高，因此设定主用户向每个次用户收取的单位带宽价格为：

$c\left(B\right)={\mathrm{\&lambda;b}}_i+y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}---\left(1\right)$

其中λ，y，τ均为常数，且λ＞0，y≥0，τ≥1；y可理解为所共享的带宽总和对价格的边际影响，B＝{b₁，...b_N}表示所有次用户的策略集合；

1.3计算效益函数

假设分配信道之间的保护带宽是固定的并且很小，任一次用户i的收益由单位传输速率产生的收益r_i来表示：

u_i(B)＝r_i×k_i×b_i-b_ic(B)(2)

每个次用户i的边际利润函数为：

$\frac{{\&PartialD;u}_i\left(B\right)}{{\&PartialD;b}_i}=r_i{k}_i-{2\mathrm{\&lambda;b}}_i-y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}-{\mathrm{yb}}_i\mathrm{\&tau;}{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}-1}---\left(3\right)$

B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}表示除了次用户i的策略之外的所有策略集合，任一次用户i的最优频谱分配大小与其他次用户的策略有关，因此，通过求解纳什均衡使每个次用户都达到最优，即

集合

表示博弈的纳什均衡解当且仅当

假设每个次用户都已知其他次用户所分配的频谱大小，次用户i对应的函数为：

$\frac{{\&PartialD;u}_i\left(B\right)}{{\&PartialD;b}_i}=0=r_i{k}_i-{2\mathrm{\&lambda;b}}_i-y{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}}-{\mathrm{yb}}_i\mathrm{\&tau;}{\left(\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\right)}^{\mathrm{\&tau;}-i}---\left(5\right)$

1.4求解纳什均衡

通过求得纳什均衡解，每个次用户获得自身的最大利润，将所分配的频谱划分为若干信道的集合，即为每个次用户某个时刻的自身可用频谱集合SOP；

1.5组播树的建立

1.51组播路由发现

组播树建立采用类似MAODV的基本流程，multicast树由一个源节点与若干个目的节点构成，当且仅当有数据要发送的并没有有效路由时，认知节点按需启动路由发现过程，用接收节点驱动模式构造multicast树，利用MIP算法从multicast树中根据MIC和SOP集信息选择节点作为其接入节点；

基于认知无线电网络频谱分配不均匀，各节点的SOP集合各不相同且动态变化的特点，在启动路由发现、转发与路由回复时，源节点和收到RREQ的节点都要考虑自身SOP集合信息，同时考虑选择最小的建立链路的能量消耗增值因素进行选路；

1.52组播路由回复

收到RREQ的节点计算建立链路的能量消耗增值

将

和所选的频段加入路由回复报文RREP中，向源节点发送RREP以回复加入请求；目的节点根据收到的RREQ中沿途节点的SOP集合分布情况率先分配频段，然后将所选频段封装在RREP消息中发往源节点；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，连同先前从RREQ报文中提取的上游节点SOP集合分布，就能计算出目前最适合的工作频段，同时更新路由表，最后生成新的RREP继续回送到源节点；这种路由方式能够使节点都准确知道下一跳节点的工作频段，从而快速找到能通过适当频段切换建立通信的多跳路径；

1.53组播树的维护

组播路由协议必须追踪和处理组播树的变化，即当一个成员节点退出组播组时，协议要进行树的剪枝；当树节点间的链路中断时，要及时进行链路的修复；为了节省能量开销，采用主动应答来监测链路状态，当发现链路断开时才修复或重新查找路由，从而达到维护multicast树的目的。

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