CN101854641A - 认知Mesh网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种认知Mesh网络路由方法，该方法包括：源节点和中间节点分别记录其交叉数据流的数量，目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由；按照选定的路由目的节点及中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，其中，信道适应度的计算参数包括：切换时延及同频退避时延；源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。通过本发明，能够降低端到端时延，提高网络吞吐量，并更好地适应频谱环境动态变化的Mesh网络环境。

Description

认知Mesh网络路由方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种认知Mesh网络路由方法。

背景技术

无线Mesh网络(WMN)可以实现多种无线网络的融合，是下一代无线网络中最具有发展潜力的组网技术。然而无线频谱资源的稀缺和静态的频谱分配方式制约了WMN的发展。应用认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术的认知Mesh网络，通过节点自适应感知并机会式利用授权频段(如广播电视频段)在时间和空间上的频谱空洞进行数据传输，可以有效地提高频谱利用率和网络吞吐量。

由于授权用户活动的影响，认知Mesh节点的可用信道集分布具有离散性和不均匀性，而且随时间和位置的变化而动态改变，这给认知Mesh网络的路由选择带来了新的挑战。一方面，认知Mesh节点之间需要动态交换可用信道信息以适应动态频谱环境下的有效路由建立；另一方面，认知Mesh网络需要联合信道分配和路由选择，以保证端到端时延等性能的优化。

目前，一种现有技术提出的分层图LGM模型采用集中式算法管理网络拓扑和分配频谱资源，其基于全局频谱信息的路由计算方法适用于频谱状态相对稳定的场合；另一现有技术提出的基于段的信道分配(Segment Routing，简称SR)策略，尽量避免信道切换以减小切换时延，但是没有考虑退避时延对网络性能的重要影响。

综上所述，对于频谱环境动态变化的认知Mesh网络路由现有技术中尚未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于现有技术中缺少有效的认知Mesh网络路由技术方案的问题而做出本发明，为此本发明的主要目的在于提供一种认知Mesh网络路由方法，其中：

根据本发明实施例的认知Mesh网络路由方法包括：源节点和中间节点分别记录其交叉数据流的数量，目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由；按照选定的路由目的节点及中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，其中，信道适应度的计算参数包括：切换时延及同频退避时延；源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。

优选地，源节点和中间节点分别记录其交叉数据流的数量，进一步包括：源节点使用控制接口广播发送路由请求RREQ分组，其中，RREQ分组至少携带当前节点的以下参数信息：可用信道集、信道分布表、交叉数据流的数量；若接收到RREQ分组的中间节点与其上游节点的可用信道集有信道交集，则中间节点根据其上游节点的RREQ分组的参数信息更新其RREQ分组的参数信息，并转发更新后的RREQ分组。

优选地，目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由，进一步包括：目的节点在预定时间段内接收到多个RREQ分组，并根据RREQ分组携带的参数信息选定其中交叉数据流数量最少的路由。

优选地，中间节点接收和转发一次相同的RREQ分组。

优选地，按照选定的路由目的节点及中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，进一步包括：按照选定的路由目的节点及中间节点分别计算其源端信道的信道适应度，选择其中信道适应度最大的信道为源端链路分配数据信道，并将信道分配信息加入到路由应答RREP分组中，根据选定的路由逆向传输RREP分组。

优选地，源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据，进一步包括：源节点采用多信道预约策略根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。

与现有技术相比，根据本发明的上述技术方案，在信道分配时不仅考虑通信负载以减少同频退避时延，而且还考虑到信道切换时由于一系列消息交互带来的切换开销，并在切换开销和退避时延之间取得折衷，以降低端到端时延，提高网络吞吐量，能够更好地适应频谱环境动态变化的Mesh网络环境。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的认知Mesh网络应用场景的示意图；

图2是根据本发明实施例的认知Mesh网络路由方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的认知节点路由发现的流程图；

图4是根据本发明实施例的认知节点路由应答的流程图；

图5是根据本发明实施例的信道选择的示意图；

图6是根据本发明实施例的仿真结果一的示意图；

图7是根据本发明实施例的仿真结果二的示意图；

图8是根据本发明实施例的仿真结果三的示意图。

具体实施方式

本发明公开的认知Mesh网络路由方法，或者称为考虑信道适应度的路由方法(Channel’s Adaptability Fitness Aware Routing，以下简称为CFAR)，按需动态收集频谱信息，以影响端到端时延的主要因素(信道切换和同频退避)为参考变量计算信道适应度，作为链路信道决定的依据，并且采取多信道预约的方式进行数据发送。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在具体描述本发明实施例之前，首先简单介绍认知Mesh网络。图1根据本发明实施例的认知Mesh网络应用场景的示意图，如图所示，圆形区域表示授权用户(PU1和PU2)的通信覆盖范围。认知节点只有工作在同一信道，且在其通信范围内时才能进行有效的信息传递，但在授权用户覆盖范围内的认知节点为避免干扰授权用户通信，不能使用授权用户的工作信道。本文假设认知Mesh节点配备两个半双工的CR收发器，其中一个CR收发器用来进行通信协调，维护全局或局部的共享控制信道，这样可以得到一个公共网络连接图。另一个CR收发器根据路由和频谱决策在可用信道集上动态切换信道，专门用于数据传输。假设授权用户网络和认知Mesh网络对信道的划分采用相同标准，而且每个信道带宽相等，采用改进的支持多信道通信的机制进行信道预约。

根据本发明的实施例，提供了一种认知Mesh网络路由方法。

图2是根据本发明实施例的认知Mesh网络路由方法的流程图，如图2所示，该方法包括：

步骤S202，源节点和中间节点分别记录其交叉数据流的数量，目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由；

步骤S204，按照选定的路由目的节点及中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，其中，信道适应度的计算参数包括：切换时延及同频退避时延；

步骤S206，源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。

本发明提出的认知Mesh网络路由方法(CFAR路由策略)采用跨层设计方案，由认知Mesh节点的物理层完成频谱感知功能，并将感知的可用信道集信息传递给MAC层和网络层，作为联合进行信道分配和路径选择的依据。也就是说，认知Mesh节点按需执行两个任务，一是频谱发现及频谱信息的动态交换，二是确定到达目的地的下一跳节点和数据分组的发送信道。下面详细介绍CFAR策略的主要过程。

(一)路由发现过程

CFAR策略的路由发现采用无线自组网按需平面距离矢量路由协议(Adhoc On-Demand Distance Vector Routing，以下简称为AODV)基本流程，当源节点有数据发送给目的节点，而没有有效路由的时候，使用控制接口广播发送路由请求(RREQ)分组。RREQ分组中包含节点当前的可用信道集和信道分布表。

表1

c1

c2

…

ck

信道分布表用于记录路径上节点的频谱分布信息。在认知Mesh网络中，节点可用信道的不同使得信道的切换不可避免，为减少信道切换次数，节点在进行信道分配时尽量选择覆盖路径上连续节点数最多的信道。通过在RREQ消息的传递中携带上信道分布表(结构见表1)，节点可以按需收集最新的频谱分布信息，用来作为信道选择的依据。信道分布表的计算方法如下：

$c_k=\left\{\begin{array}{cc}{c}_k+1& k\∈A_n\\ 0& k\∉A_n\end{array}\right.$

c_k表示能够使用信道k的连续节点数。如果认知Mesh节点n的可用信道集A_n中包含信道k，那么c_k的值加1，如果不包含信道k那么将c_k置为0。通过比较信道的c_k值，可以取得使切换次数最少的信道分配方式。

下面举例说明，参考图1，假定的认知Mesh网络中共有3个信道，某一时刻认知节点感知的可用信道集见方括号内数字。信道分布表的初始值为0，当S发送RREQ分组时，由于其可用信道集为{1，2}，所以信道分布表为{1，1，0}，A节点收到RREQ分组后，信道分布表更新为{2，2，1}，B节点继续将其更新为{3，3，2}，目的D节点的可用信道集{2，3}中没有信道1，则将c₁的值置为0。在最终的信道分布表{0，4，3}中，c₂＝4表示路径上4个连续节点的可用信道集中包含信道2，因此D节点选择信道2可以避免路径上的信道切换，将切换时延降到最低。

图3是根据本发明实施例的认知节点路由发现的流程图，如图3所示，包括：

步骤S302，认知节点处理RREQ分组；

步骤S304，提取RREQ分组中的信道分布表；

步骤S306，判断该节点是否为目的节点，若是，则执行目的节点处理该分组的处理，否则，执行步骤S308；

步骤S308，判断该节点是否接收过该RREQ分组，若是则丢弃该分组，否则执行步骤S310；

步骤S310-S316，判断该节点与其上游节点信道是否有交集，该节点与其上游节点比较可用信道集，如果没有公共信道进行数据发送，则丢弃此RREQ分组，否则，该节点首先保存RREQ分组中的信道分布表，然后更新分组中的可用信道集和信道分布表，并转发更新后的RREQ分组。为减小路由开销，对同一个RREQ分组，中间节点只接收和转发一次。

由于节点只有一个数据接口，所以交叉节点的切换时延和退避时延都比较大，因此RREQ分组还需要记录路径上交叉数据流的数目。

(二)路由应答过程

对于静态频谱的多跳无线网络，产生时延的一个主要原因是同频退避，而在认知Mesh网络中，频谱资源的动态不规则分布使得信道切换也成为产生时延的又一重要原因。特别是当节点为多条数据流服务时，更是增加了切换时延和退避时延的开销。因此，CFAR策略是在路由发现过程中记录路径节点上的交叉数据流数目，目的节点则从多条不相交的路径中选择一条交叉数据流最少的路由，以减小交叉数据流对端到端时延的影响。

对于一条多跳路径，为每一跳链路分配不同的信道可以有效地降低数据流上的冲突概率，减小退避时延，但同时却增加了切换时延，要获得较小的端到端时延，节点在进行信道分配时需要在信道切换和同频退避之间取得平衡。

图4是根据本发明实施例的认知节点路由应答的流程图，如图4所示，包括：

步骤S402，目的节点处理RREQ分组；

步骤S404-S406，判断目的节点是否接收过该RREQ分组，若否，则启动定时器，否则，判断定时器是否超时；若该定时器超时，则丢弃该分组，否则，执行步骤S408；

步骤S408，缓存该RREQ分组；

步骤S410，等待定时器超时；

步骤S412，目的节点收到第一个RREQ分组后即启动定时器，在预定时间段内可能接收多个RREQ分组，从而可以得到多条不相交的路径；目的节点从中选定交叉数据流最少的路由；

步骤S414，提取候选信道，计算信道适应度，下面，详细介绍信道适应度的计算过程。

首先，需要进行信道负载评估。为减小使用相同信道的节点数量，降低同频退避时延，信道分配时需要考虑干扰范围内的信道负载状况。在CFAR策略中，认知节点j周期向K+1(K的取值与节点干扰距离有关)跳内的节点发送其信道状态消息，其中包含有节点j的活跃信道列表A_j ^*，通过统计节点所有K+1跳邻居的活跃信道表，可以评估某信道k的负载Φ_k，根据下式计算负载Φ_k：

${\mathrm{\Φ}}_k=\underset{j\∈\mathrm{Nb}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Φ}}_k^{\′}(k,A_j^{*}),$ 其中： ${\mathrm{\Φ}}_k^{\′}(k,A_j^{*})=\left\{\begin{array}{cc}1& k\∈A_j^{*}\\ 0& k\∉A_j^{*}\end{array}\right.$

Nb为认知节点集，

表示节点j的活跃信道中包含信道k。Φ_k值越小，信道k上分组碰撞的概率越小，退避时延越小。

接着，请参考图5，节点n的上游节点是n-1，下游节点是n+1，ch_i称为节点n的源端信道，ch_j称为其目的端信道。路由确定后，路径上的每一个节点依据信道分布表和RREP分组中的目的端信道为其选择源端信道。

信道选择的依据是信道适应度。信道i的适应度F(i)＝αD_switch，i-βD_backoff，i，其中，α和β为可调因子，D_switch，i＝Ac_i表示选择信道i作为源端信道能够减小的切换时延值，A是信道切换开销。D_backoff，i则表示节点选择信道i带来的同频退避时延，根据下式计算D_backoff，i：

$D_{\mathrm{backoff}}\left({\mathrm{ch}}_k\right)=\frac{1}{(1-p_c)(1-{(1-p_c)}^{\frac{1}{{\mathrm{Num}}_i-1}})}{W}_0$

p_c表示节点在信道k上发生冲突的概率，Num_i表示冲突的节点数，可通过信道负载评估来获得，W₀表示最小退避窗口值。从信道分布表中提取信道i的值c_i，c_i＝0或c_i＝1表示上游节点的可用信道集中没有信道i，信道i被排除；c_i≥2表示节点与反向路径上c_i-1个节点的可用信道集中包含信道i，信道i可以作为候选信道。

认知节点计算候选信道的适应度并选择适应度最大的信道分配给源端链路。源节点收到RREP分组后建立路由，将数据接口切换到分配的信道上发送数据分组。

步骤S416-S420，为源端分配数据信道，并将信道决定信息加入到RREP分组中，沿反向路径逆向传输；

步骤S422-S434，中间节点提取RREP分组中携带的信道信息，根据信道适应度进行信道分配，并将结果加入到RREP分组继续向其上游转发，源节点收到RREP分组后建立路由。上述过程与目的节点处理流程类似，请参考S414-S420，此处不赘述。

通过上述路由建立过程，认知Mesh节点的路由表项中不仅包含到目的地的下一跳节点，还包括与下一跳节点通信的数据信道。节点通过查询路由表，采用多信道预约策略，将数据分组发送到目的节点。

认知节点数据接口的通信由控制接口进行信道预约，采用控制接口方式可以缓解隐藏终端和暴露终端问题，有效避免数据包的碰撞。当节点A有数据发送给节点B时，A获取与B通信的数据信道ch_i，A用控制接口发送数据信道请求消息CRTS，其中包含工作信道ch_i。B收到CRTS消息后提取ch_i，查看自己数据接口的工作状态，如果能够使用ch_i则向A发送信道应答消息CCTS，同时使数据接口工作在ch_i上。A收到CCTS消息后即通知数据接口发送分组，同时发送CRES消息通告邻居节点ch_i已被占用。

本发明通过对NS2仿真软件进行多接口多信道支持的扩展，使NS2能够支持认知Mesh网络环境的仿真。在1200*1200的区域内均匀分布49个认知Mesh节点，相邻节点之间的距离为200m，节点通信距离为250m，干扰范围为550m。同时在区域内随机放置3个授权用户，授权用户随机选择多信道中的一个信道工作。在授权用户覆盖范围内的认知节点探测(频谱探测过程此处不赘述)到授权用户的信号时，更新自己的可用信道集。信道的带宽均为1Mbps，信道切换时延取值1ms，α和β取值为0.5。通过仿真将本文设计的CFAR策略与SR策略相比较。

仿真一是在认知Mesh网络的仿真环境中设置信道数为4，随机选取4组节点进行通信，节点之间发送TCP数据流，通信持续时间为50s。从图6的仿真结果看出，CFAR策略与SR策略都能够适应动态频谱变化，网络吞吐量在通信期间随时间的变化保持稳定，但CFAR策略的吞吐量高于SR策略，这是因为CFAR策略的信道分配考虑了信道负载大小，减小了通信冲突。

仿真二是在认知Mesh网络的仿真环境中任意选取6对节点，产生TCP数据流，通过改变网络中的信道数量来评估动态频谱网络路由策略的吞吐能力。如图7所示，随着信道数的增加，两种策略的吞吐量都呈现上升趋势，但是SR策略的增加幅度要小于CFAR策略，说明通过均衡信道的负载，CFAR策略能够更有效地提高频谱的利用率。

仿真三是在认知Mesh网络的仿真环境中比较两种策略的端到端时延。从图8可以看出，两种策略的端到端时延都是随着网络中交叉数据流的增加而逐渐增大，但由于CFAR策略总是选择交叉数据流较少的路径，所以受到的影响更小，而且由于CFAR策略在信道选择时充分考虑了产生时延的因素，因此其端到端的时延开销要小于SR策略。

综上所示，研究Mesh网络在频谱感知环境下的联合信道分配和路由方案，对于下一代无线网络的发展有重要意义。根据本发明上述技术方案，在信道分配时不仅考虑通信负载以减少同频退避时延，而且还考虑到信道切换时由于一系列消息交互带来的切换开销，并在切换开销和退避时延之间取得折衷，以降低端到端时延，提高网络吞吐量，更好地适应频谱环境动态变化的Mesh网络环境。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种认知Mesh网络路由方法，其特征在于，包括：

源节点和中间节点分别记录其交叉数据流的数量，目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由；

按照选定的路由所述目的节点及所述中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，其中，所述信道适应度的计算参数包括：切换时延及同频退避时延；

所述源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点和所述中间节点分别记录其交叉数据流的数量，进一步包括：

所述源节点使用控制接口广播发送路由请求RREQ分组，其中，所述RREQ分组至少携带当前节点的以下参数信息：可用信道集、信道分布表、交叉数据流的数量；

若接收到所述RREQ分组的中间节点与其上游节点的可用信道集有信道交集，则所述中间节点根据其上游节点的RREQ分组的参数信息更新其RREQ分组的参数信息，并转发更新后的RREQ分组。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目的节点从多条不相交的路由中选定一条交叉数据流数量最少的路由，进一步包括：

所述目的节点在预定时间段内接收到多个所述RREQ分组，并根据所述RREQ分组携带的参数信息选定其中交叉数据流数量最少的路由。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述中间节点接收和转发一次相同的所述RREQ分组。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照选定的路由所述目的节点及所述中间节点根据信道适应度为其源端链路进行信道分配，进一步包括：

按照选定的路由所述目的节点及所述中间节点分别计算其源端信道的信道适应度，选择其中信道适应度最大的信道为源端链路分配数据信道，并将信道分配信息加入到路由应答RREP分组中，根据选定的路由逆向传输所述RREP分组。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点根据选定的路由并使用分配的信道发送数据，进一步包括：

所述源节点采用多信道预约策略根据选定的路由并使用分配的信道发送数据。

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