CN101965031B - 一种基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法，属于认知无线网络技术领域。主要包括：根据链路状态信息得到相邻节点之间的链路权重进行信道选择；使用认知无线电多径组播路由协议结合信道选择寻找源节点和多个目的节点之间的路由并同时选择邻居节点间的通信信道；利用多径建立最短路径组播树满足带宽需求。本发明给出了最大概率的认知无线电多径组播路由方法，基于估计每个认知节点之间的链路容量是否大于需求的概率，使得选择出来的路径为从源节点到组播目的节点的最大概率稳定路径，并且适应了网络的动态变化。本发明同时使用多路径建立组播树来满足带宽需求，平衡了网络负载，充分利用了网络资源。

Description

一种基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法

技术领域

本发明涉及在认知无线电网络中一个节点和多个节点之间的多条路径路由选择，特别是提供了一种基于概率的认知无线电多径组播路由方法。 

背景技术

认知无线电技术是一种智能的频谱共享技术，它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，特别是可让非授权用户利用空闲频谱进行通信，可以显著地提高频谱利用率。 

在认知无线电网络中，路由协议设计带来了新的挑战，进行路由选择时需要考虑频谱分配，在文献[12][13]中，提出了按需路由和频谱分配相结合的路由协议，它以时延作为路由标准，包括路径时延和节点时延。但是作者没有考虑主用户节点存在对路由的影响。文献[14]作者提出了具有一个收发器的多跳认知无线电网络的频谱意识路由协议，由于每个节点只有一个收发设备，使用IEEE 802.11DCF协议时，不能保证形成共享控制信道来交换协议控制报文，所以就提出了一种不用控制信道的频谱意识按需路由协议。即利用广播将RREQ消息发送给所有的可用信道，但是这样增加了广播成本。在文献[15]考虑了认知无线网络的信道异步特性，使用混合整数线性规划对信道异步进行了建模，并且提出了跨层优化框架，此框架涉及了联合频谱共享和路由，达到最大化公平率的目标。还有关于文献[2][16]提出了一种概率路径算法，考虑了主用户的影响。路由设计主要有两个阶段：首先，源节点计算到目的节点的最可能路径，这些路径具有最高的概率满足带宽需求D，这个计算也包含了信道分配。其次，验证所选择的路径是否满足带宽需求，如果不满足，给路径链路增加信道，使得累加的容量满足带宽需求。但是这些都是考虑的单播情况，如果有多个目的节点时，使用单播将造成网络拥塞等问题，所以本文结合基于概率的信道选择算法提出了认知无线电多径组播路由协议，由于组播路由在建树过程中，组播成员的随机加入离开和认知网络的可用信道不断改变和切换的性质，使用这个算法可以随时的反映网络的动态变化，以便实时进行调整，并且使用多路径来保证传输的可靠性，更进一步增强了组播树的稳定性。 

发明内容

本发明目的在于提供一种基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法，同时实现路由选择和信道分配，并利用多径建立组播树满足带宽需求。 

本发明涉及到的认知无线电网络系统是由具有频谱感知功能的节点组成，每个节点可以感知频谱空洞，并在不干扰主用户的前提下，使用空洞中的空闲频谱进行通信。 

本发明的技术方案是：基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法，具体包括以下步骤： 

步骤1：根据链路状态信息计算相邻节点之间的链路权重，然后估计出每条链路的可用信道容量； 

步骤2：使用认知无线电多径组播路由协议进行路由机制的建立，并通过步骤1计算出的链路权重进行相邻节点之间信道选择； 

步骤3：建立最短路径组播树，当链路容量不满足带宽需求时，使用多径来满足带宽需求。 

所述步骤1中，所述计算出相邻节点之间的链路权重并估计出每条链路的可用信道容量，计算方法如下： 

(1)链路权重计算 

根据香农理论给出在相邻节点之间的最大信道容量： 

$B_c=W{\log }_2[1+\frac{P\·\frac{1}{d^a}}{N_0+I}]---\left(1\right)$

其中，W为信道带宽，N₀为高斯白噪声功率，P为传输功率，d为相邻节点之间的距离，α为路径损耗指数幂。I为主用户对认知用户的总干扰；对于给定的要求为D(bits)的CR连接请求，信道i满足此要求的概率定义如下： 

$\mathrm{Pr}[B_c\≥D]=\mathrm{Pr}[I\≤\frac{P\·\frac{1}{d^a}}{2^{D/W}-1}-N_0]---\left(2\right)$

通过计算主用户对认知用户干扰服从的对数正太分布的CDF(累积分布函数)可以得到每个链路使用的每个信道的容量大于带宽需求的概率； 

在相邻节点之间的链路权重定义如下： 

$l=-\log \mathrm{Pr}[\frac{B_c}{\underset{f=0}{\overset{F_f}{\mathrm{\Σ}}}{r}_f}\≥D]---\left(3\right)$

其中，F_f为链路附近的干扰节点数，r_f为通过干扰节点的路由数，代表干扰节点之一。并且，r₀表示通过链路本身的路由数。上式，表明了此路由不仅要与节点的其他路由分享容 量还要与节点周围的干扰节点通过的路由分享容量； 

(2)估计信道的可用容量： 

根据公式(1)已经给出了在信道上容量的概率分布，然后对其中的干扰分布取均值就可以得到确切的链路容量值，用式子表示如下： 

$A=W{\log }_2[1+\frac{P\·\frac{1}{d^a}}{N_0+E\left(I\right)}]---\left(4\right)$

其中，A为链路容量值，E(I)为干扰的均值； 

得到式子为： 

每个链路的实际容量值。 

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明给出了最大概率的认知无线电多径组播路由方法，基于估计每个认知节点之间的链路容量是否大于需求的概率，使得选择出来的路径为从源节点到组播目的节点的最大概率稳定路径，并且适应了网络的动态变化。本发明同时使用多路径建立组播树来满足带宽需求，平衡了网络负载，充分利用了网络资源。 

附图说明

图1是本发明基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法的流程图。 

图2是经过路由发现和回复之后得到的部分网络拓补。 

图3是对图2建立的最短路径树。 

图4是对图3中不满足带宽需求的链路增加多径而得到的满足带宽需求的组播树。具体实施如下： 

具体实施如下： 

下面结合附图对本发明做进一步说明。 

如图1所示为本发明基于概率的路由算法的流程图。该方法具体包括以下步骤： 

(1)基于概率的信道选择： 

在认知无线电组播环境中，假定每个节点可以感知到足够多的可用信道用来进行消息传输，并且具有多个无线电接口用来交换信道。同时，每个认知节点都配备一个统一的无线电接口，用来交换协议控制报文，即当信道发生变化时，即时通知到各个节点，以便立即进行调整。另外，本文假定每个认知节点具有相同的传输功率。 

为了计算出认知节点之间的链路权重，每个认知节点需要向它的两跳邻居节点发送链路状态信息，包括在可用信道上主用户对认知用户的干扰，每个节点周围的干扰节点路由信息，相邻的两跳邻居节点。每个节点根据链路状态信息计算出每条链路的权重，具体计算过程如 下： 

1)概率计算 

给定一个具有N个认知节点的认知无线电网络，授权给主用户M个不相交的信道，带宽分别为W₁，...，W_M(单位：HZ)。认知用户可以在主用户空闲的时候进行通信。在主用户网络中节点的分布服从节点密度为ρ_i的2D泊松过程，节点活动概率为α_i ^[2]。 

根据香农理论给出在链路kj的信道i上的最大信道容量： 

$B_{\mathrm{kj}}^{\left(i\right)}=W_i{\log }_2[1+\frac{P\·\frac{1}{d_{\mathrm{kj}}^a}}{N_0+I_j^{\left(i\right)}}]$

其中，W_i为信道带宽，N₀为高斯白噪声功率， 为传输功率，d_kj为节点k和节点j之间的距离，α为路径损耗指数幂。 

为在信道i上在认知节点j主用户对认知用户的总干扰。在文献^[3]中，我们得出干扰服从均值为μ_i，方差为δ_i的对数正太分布。均值和方差依赖主用户节点密度和主用户节点活动情况。这里，i＝1，...，M；j＝1，...，N。 

对于给定的要求为D(bits)的CR连接请求，信道i满足此要求的概率定义如下： 

$\mathrm{Pr}[B_{\mathrm{kj}}^{\left(i\right)}\≥D]=\mathrm{Pr}[I_j^{\left(i\right)}\≤\frac{P\·\frac{1}{d_{\mathrm{ij}}^a}}{2^{D/W_i}-1}-N_0]---\left(1\right)$

通过计算主用户对认知用户干扰服从的对数正太分布的CDF(累积分布函数)可以得到每个链路使用的每个信道的容量大于带宽需求的概率。 

在认知节点k和j之间的链路权重定义如下： 

$l_{\mathrm{kj}}^{\left(i\right)}=-\log \mathrm{Pr}[\frac{B_{\mathrm{kj}}^{\left(i\right)}}{\underset{f=0}{\overset{F_f}{\mathrm{\Σ}}}{r}_f}\≥D]---\left(2\right)$

其中，F_f为链路kj附近的干扰节点数，r_f为通过干扰节点的路由数，代表干扰节点之一。并且，r₀表示通过链路本身的路由数。上式，表明了此路由不仅要与节点的其他路由分享容量还要与节点周围的干扰节点通过的路由分享容量。 

3.2估计信道的可用容量 

上部分已经基于容量大于需求D的概率描述了信道特征，但是没能给出确切的容量。因 此，需要一个能够估计可用容量的衡量尺度。由于公式(1)已经给出了在信道上容量的概率分布，然后对其中的干扰分布取均值就可以得到确切的链路容量值，用式子表示如下： 

$A_{\mathrm{kj}}^{\left(i\right)}=W_i{\log }_2[1+\frac{P\·\frac{1}{d_{\mathrm{ij}}^a}}{N_0+E\left(I_j^{\left(i\right)}\right)}---\left(3\right)$

其中， 

为链路容量值， 

为干扰的均值。 

由于在认知无线电网络中，相邻节点可能竞争同一个信道，这样每个节点的可用容量就会随着时间的增加而逐渐变小，所以，为了准确的估计可用信道容量，在计算时考虑了认知干扰，把容量按照节点和周围干扰节点通过的路由数进行了分配，使得计算出来的可用容量更精确，用式子表示为： 

为每个链路的实际容量值； 

(2)路由机制的建立： 

我们采用的路由方案是按需组播路由方案，只有当组播源有分组要发送时，它才广播RREQ请求报文，由于在认知无线电网络中认知节点要利用主用户频谱空闲的时候进行通信，因此在进行路由选择时要考虑信道分配问题，利用跨层设计[15]使得网络层认知节点知道物理层感知的可用信道集，而且根据每个节点之间可用信道容量大于需求的概率大小来进行信道选择，使得最后选出来的路径为最大可能满足带宽需求的路径。每个认知节点配备一个无线通信接口，以便形成统一共享控制信道，用来交换协议控制报文； 

1)路由发现 

当源CR节点收到应用层具有带宽需求D的组播连接要求时，它在共享控制信道上广播RREQ请求分组，其中包括以下字段：源节点地址，源节点ID，源节点序列号，组播目的节点地址，组播目的节点序列号，与下一跳节点之间的链路权重 

路由信息，TTL。其中链路权重是通过发送链路状态信息获得的，用于表示每条链路容量大于需求的概率大小。当中间节点收到此RREQ请求分组时，从收到的链路权重集合中选出具有最小链路权重的信道为其传输信道，将本节点添加到目前的部分路由信息中，并把已选择的信道封装在其中。然后将本节点设置为指向源节点的下一跳，这样就建立了向源节点的反向路径。由于需要使用多路径来满足带宽需求，维持组播树的稳定性，因此在收到第一个RREQ请求分组时，节点启动一个定时器，在定时T内认知节点可能收到同一路由请求的多个RREQ分组，并且节点为它们分配可行的传输信道，当没有找到可行的传输信道时，节点将放弃这个RREQ分组。否则，它保留这些多径信息和相关的传输信道在部分路由信息中，不在继续转发这些分组，避 免重复的RREQ分组。中间节点将继续转发第一个收到的RREQ分组，并且将TTL减1，重复以上的操作直到TTL为0； 

当RREQ请求分组到达目的节点或具有到目的节点路由的中间节点时，目的节点或中间节点通过分组中的链路权重大小来为最后一跳选择信道，如果一条链路上有几个可用信道，则它会选择链路权重小的信道进行分组传输。当目的节点或转发节点接收足够的RREP分组时，RREP分组包含通过此节点的所有多径信息和信道信息，它将沿着RREQ传输时已经建立的反向路由回到源节点，当中间节点接收到RREP分组时，根据RREP分组中的路由信息和相反路由表来向上游继续转发，并将下一跳设置成把RREP发送给自己的邻节点。这样就建立了从源节点到目的节点或中间节点的正向路径。当源节点接收足够的RREP分组时，路由发现过程完成。这样，就得到了从源节点到所有目的节点的部分网络拓补，并且完成了信道选择； 

2)路由维护 

当一个新的节点要加入组播组时，它广播JOIN请求分组，分组包含自己的可用信道的链路权重信息，加入标志，节点ID和路由信息。当JOIN请求分组到中间转发节点时，中间节点记录下本节点地址，建立一条到达加入节点的反向路由，并进行信道选择，将选择好的信道封装在路由信息中。当组播组节点收到该分组时通过反向路由发送回复报文RREP，加入节点收到RREP后，就创建了一条转发路径，从而加入组播树； 

当节点离开组播组时，同传统网络的处理方式类似，它将发送路由错误分组给它的所有上游节点，并查看是否有用这个节点做转发节点的下一跳节点，如果有，则将这条路由标记为无效，并且成为一个非转发节点。当上游节点收到路由错误分组时，将下一跳从路由条目中删除，并且检查它除了这条路由是否还有其它路由要经过这个节点，如果有则将其从路由表中删除。 

当发生链路中断时，可能由于信道动态变化、主用户的干扰等原因引起的，此时将启动路径恢复处理。如果转发节点失败，它的下游节点将广播Join请求分组同加入组播组步骤一样。如果目的节点失败，其上游节点将从路由表中删除它。如果链路失败，失败链路的下游节点广播Join请求分组重新加入组播树； 

(3)基于多径的路径组播树的建立： 

最短路径树是大多数网络使用的传统建树方法，最主要的优点就是它使得源节点到每个目的节点的时延最小，因为每个从源节点到目的节点的路径都是最短路径。本文所建立的最短路径组播树要满足组播请求的带宽需求D，因此，在树中的每个链路所使用的信道可用容量必须至少为D，而在实际情形中，这种树不可能存在，所以本文使用多路径来解决这个问题。 多路径的使用可以使得更多的CR连接被接受，而且可以保证网络负载均衡，减少了时延，当一条链路不适用时，还可以通过多径来完成消息的传输，提高了路径的稳定性，并且提高了网络传输效率和信道利用率； 

经过路由发现和回复阶段之后，源节点有关于到组播目的节点所有多径和信道信息，因此，源节点很容易建立一个最短路径树。例如，图2就是根据得到的部分拓补图1建立的最短路径树，在最短路径树中，根据估计出的确切容量，如果发现节点之间容量不满足带宽需求，则使用多路径，使得多条并行的路径满足带宽需求。将多条路径按照链路权重大小进行选择，优先选择链路权重比较小的。当连续两跳之间的链路都不满足带宽需求时，同样增加与它并行的多路径，这条多路径同样为两跳。当两跳之间的中间节点为交叉节点时，则分别给这两条链路增加多路径，这里的交叉节点就是两条或多条路径通过的公有节点。 

假设带宽需求为3，TTL为5跳，则经过路由发现和回复阶段之后，得到如图2所示的部分网络拓补。其中S为源节点，C、D、E、F为目的节点，每个链路上的数字代表链路权重。 

首先，建立一个从源节点到组播目的节点的最短路径树，由于到某个目的节点可能有多条路径，则选择最小跳数的路径，当两条路径的跳数相同时，选择链路权重最小的路径，这样，就得到了如图2所示的最短路径树。然后根据公式估计出每个链路的可用信道容量，如图2每个链路上第二个数字所示。由图中，可以观察到，像链路GD、SJ、JE、JM、MF都不满足带宽需求，所以要增加多径来使得累积的容量满足带宽需求。由于节点J为交叉节点，所以要分别给SJ和JE增加多径。并且发现了连续两条JM和MF都不满足带宽需求，所以要在两跳之间增加多径来满足带宽需求。 

通过对图2的最短路径树中的不满足带宽需求的链路增加多径来满足带宽需求，就得到如图3所示的基于多路径的最短路径树，可以看出图中的每条链路都满足了带宽需求。然而，当增加多条路径仍不满足带宽需求时，将停止为其增加多径，继续为下一个链路增加多径。 

Claims (1)

1.一种基于最大概率的认知无线电多径组播路由方法，其特征在于：该方法分为计算相邻节点之间的链路权重和估计每条链路的可用信道容量、路由机制的建立、利用多径建立最短路径组播树三个步骤：

步骤1：根据链路状态信息计算相邻节点之间的链路权重，然后估计出每条链路的可用信道容量；计算方法如下：

(1)链路权重计算

根据香农理论给出在相邻节点之间的最大信道容量：

$B_c=W{\log }_2[1+\frac{p\·\frac{1}{d^a}}{N_0+I}]---\left(1\right)$

其中，W为信道带宽，N₀为高斯白噪声功率，P为传输功率，d为相邻节点之间的距离，α为路径损耗指数幂；I为主用户对认知用户的总干扰；对于给定的要求为Dbits的CR认知无线电连接请求，信道i满足此要求的概率定义如下：

$\mathrm{Pr}[B_c\≥D]=\mathrm{Pr}[I\≤\frac{P\·\frac{1}{d^a}}{2^{D/W}-1}-N_0]---\left(2\right)$

通过计算主用户对认知用户干扰服从的对数正太分布的CDF累积分布函数可以得到每个链路使用的每个信道的容量大于带宽需求的概率；

在相邻节点之间的链路权重定义如下：

$l=-\log \mathrm{Pr}[\frac{B_c}{\underset{f=0}{\overset{F_f}{\mathrm{\Σ}}}{r}_f}\≥D]---\left(3\right)$

其中，F_f为链路附近的干扰节点数，r_f为通过干扰节点的路由数，代表干扰节点之一；并且，r₀表示通过链路本身的路由数；上式，表明了此路由不仅要与节点的其他路由分享容量还要与节点周围的干扰节点通过的路由分享容量；

(2)估计信道的可用容量：

根据公式(1)已经给出了在信道上容量的概率分布，然后对其中的干扰分布取均值就可以得到确切的可用信道容量值，用式子表示如下：

${A=W\log }_2[1+\frac{p\·\frac{1}{d^a}}{N_0+E\left(I\right)}]---\left(4\right)$

其中，A为可用信道容量值，E(I)为干扰的均值；

计算式子

所得到的值为每个链路的实际容量值；

步骤2：使用认知无线电多径组播路由协议进行路由机制的建立，并通过步骤1计算出的链路权重进行相邻节点之间信道选择；

步骤3：建立最短路径组播树，当可用信道容量不满足带宽需求时，使用多径来满足带宽需求。

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