CN102395171B - 一种认知无线网络路由的维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线网络路由的维护方法，属无线通信技术领域。在认知无线网络中，转发点与邻居节点协同对主用户信息进行检测，当认知用户测得主用户存在时，转发点测试主用户相关参数，再对收集的参数进行处理，得到主用户运动速度、运动方向和发射功率覆盖范围的信息，并根据主用户实际的运动情况，判断主用户在短时间能不能离开干扰范围，认知用户是否可以避让。认知用户通过有效地避让，既避免了对主用户的干扰，又维持了认知网络原路由继续工作。本发明克服了现有技术在认知无线电网络中，主用户使用授权频段时，认知用户需要避让而导致的认知用户原路由上工作频率的频繁切换，从而能够有效地维持原路由上数据持续高效地传输。

Description

一种认知无线网络路由的维护方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线网络路由的维护方法，属无线通信技术领域。

背景技术

认知无线电( Cognitive Radio，CR) 的概念在1999年由文献 [Mitola J. Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[A]. Pro ceedings of IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMuC%99) [C].SanDiego:IEEE, 1999. 3-10. ] 中首先提出，并在2000年其后公开的文献 [J Mitola III. Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio [D]. Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology,2000.] 中进行了进一步的阐述。认知无线电作为一种新型的频谱共享技术通过智能感知并机会式利用授权频段中的频谱空洞(即已分配给授权用户但未被其占用的空闲频谱)，实现不可再生频谱资源的再次利用，为有效解决当今无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛盾开辟了新的途径，是解决通信发展瓶颈问题的关键技术。

路由研究是认知无线网络研究的一个重要方面。由于频谱动态接入带来的节点可用信道随时间和空间变化的特性，使得认知无线网络路由问题呈现出不同于传统网络的特质，在研究方法上也有重要的区别。现有路由协议如DSR、AODV等在认知无线电网络中失去原有的性能。所以需要设计能够反映认知无线网络特点及适应于在认知无线网络中工作的路由算法和协议。

目前，关于认知无线网络中的路由协议研究成果主要可以分成两类：一类主要集中在路由拓扑算法和协议的设计上，一般也同时提出了路由的优化方案；另一类主要集中在路由优化方案的设计和实现上，对于路由算法和协议本身考虑得并不多。文献[Krishnamurthy S, Thoppian M, Venkatesan S, Prakash R. Control channel based MAC—layer configuration, routing and situation awareness for cognitive radio networks[ A] . Proceedings of Military Communications Conference (MILCOM) [C] . Atlantic City: IEEE, 2005,(1):455-460.]考虑了从源节点到目的节点路径上信道切换次数和信道可使用概率，从最小延时和使用可用概率最高的信道两个方面建立路由。文献[Huisheng Ma, Li li Zheng, Xiao Ma, Yongjian Luo. Spectrum aware routing for multi-hop cognitive radio networks with a single transceiver [A]. Proceeding s of Third International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications (CrownCom )[C].Singapore: IEEE Press,2008.1-6.]描述了一种非控制信道依赖型按需路由协议—MSCRP(Multi-hop Single-transceiver CRN Routing Protocol)。文献[Miao Ma, Tsang D H K. Jo int spectrum sharing and fair routing in cognitive radio networks [A] . Proceedings of Consumer Communications and Networking Conference (CCNC) [C] . IEEE Press, 2008. 978- 982.]综合考虑了链路分配、信道干扰、节点无线电接口限制和多径路由流量限制, 运用混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming，MILP)方法优化了路由算法。文献[Di Benedetto M G;De Nardis L. Cognitive routing in UWB networks [A] . Proceeding s of IEEE International Conference on Ultra—Wideband[C] . IEEE Press, 2006. 381- 386.]在考虑了同步开销，包括节点时间同步带来的开销和控制层面同步带来的开销、节点能量的损耗、多用户的干扰、链路可靠性和负载均衡等诸多因素的复杂情况下，定义了路由开销函数，对路由算法进行了优化。以上协议都是在路由建立上进行设计和优化。然而随着可用信道的动态变化，路由将不可避免的面临建立和撤销的情况。

在本发明作出之前，中国发明专利（CN101860937A）公开了一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法，其步骤是：当作为源节点的认知用户检测到授权用户时，更新自身优选频点邻居列表；判断认知用户至下一跳邻居节点间是否存在可用频点，若存在，则根据所述可用频点选择准则选择第一新频点，并在所述第一新频点上进行数据传输。该方法将带来本条路由工作信道的频繁切换，不利于路由上数据持续流畅的传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能有效维护认知无线网络路由上数据传输的持续流畅的方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种认知无线网络路由的维护方法，将频率F1，F2……Fn授权予特定用户使用，若特定用户未使用所授权频率，允许外界认知用户接入使用；若频率F1不在被其特定用户使用，且为当前认知路由工作频率，则该路由维护方法为：转发点和邻居节点协同对主用户信息进行检测；转发点对收集到的数据进行处理，确定采用避让或移动到一个新的位置或放弃当前频率； 

转发点对主用户信息进行检测，包括如下步骤： 

(1)当接收到测试主用户信息的命令后，启动循环检测功能寻找当前可用频率，假设为频率F2；

(2)按顺序分别在频率F1,F2,F3……Fn上进行广播，告知邻居节点将接收频率调整到F2；

(3)在F2上进行广播，告知邻居节点对F1频率的信号强度进行测试；

(4)等待邻居节点回应；

(5)收集6～20个邻居节点发回的数据包，比较其测试得到的F1频率的信号强度参数，从中选择信号强度参数大的2～6组数据；

(6)重复步骤(1)～(5)3～20次；

邻居节点对主用户信息进行检测，包括如下步骤：

(1)当接收到转发点广播的频率调整到F2的命令后，将自己的工作频率改成F2，等待接收下一个命令；

(2)接收到对F1频率进行测试的命令后，将自己的接收频率调整到F1，对主用户的信号强度进行检测，同时记录检测时刻；

(3)若没有检测到主用户的信号，则回到初始状态；若检测到主用户的信号，则将主用户的信号强度，测得信号的时间以及本节点地理位置加载到数据包上；

(4)将工作频率调整到F2，随机退避5～20秒，若检测到F2仍然冲突，则继续退避；若F2空闲就将数据包发送给转发点；

(5)进入等待应答的状态；

(6)收到应答后，本节点回到初始状态；

(7) 重复步骤(1)～(6)3～20次；

转发点完成对主用户信息检测的步骤(1)～(6)后，依据所得到的信息作出判断，包括如下步骤：

(1)对每次所得到的2～6组数据，定位主用户在相应时刻的地理位置，经路径拟合，得到主用户的运动速度、方向和射频覆盖范围的信息； 

(2)在可移动范围内，依据主用户的运动速度和运动方向、转发点的运动速度以及它们的干扰半径，转发点确定一个待移动避让的新位置；

(3) 计算转发点移动到该新位置后与主用户之间不再产生干扰所需要的时间T； 

(4)将 T与预先设定的等待阈值和变频阈值进行比较,若T≤等待阈值，则转发点等待相应的时间实现避让；若T﹥等待阈值、T≤变频阈值，则转发点移动到步骤(2) 确定的新位置实现避让；若T ＞变频阈值，则转发点放弃当前频率。

所述的等待阈值为1～2分钟；变频阈值为8～10分钟。

所述的时间T，若新位置在可避让范围内，且转发点移动到该新位置，将与主用户之间不再产生干扰，则T为转发点移动到该新位置所需要的时间。

所述的时间T，若新位置在可避让范围的边缘，且转发点移动到该新位置后，与主用户之间不再产生干扰需等待一段时间，则T为转发点移动到该新位置所需要的时间与等待时间之和的总时间。

参见附图1，它本发明提供的认知无线网络路由维护方案的工作原理示意图；图中，SU_S、SU₁、SU₂、SU₃、…、SU_R为已知的一条认知用户路由，SU为认知用户节点，PU为主用户节点，V为主用户的运动速度，双线箭头为主用户的运动方向；虚线圆是认知用户节点的发射功率覆盖范围，实线圆是主用户的发射功率覆盖范围；点M，N为SU₂的相邻两节点SU₁、SU₃圆形覆盖范围的两个交点。若当前可用频率有F1,F2,F3…，其中F1为PU的授权频率；在认知用户路由中，SU₂当前使用的频率为PU的授权频率F1，那么，在转发数据前，SU₂需要对频率F1进行检测，若此时PU开始使用F1，SU₂将检测到PU的存在。如果SU₂继续转发数据，那么数据在传送过程中可能与PU发送的数据发生碰撞，所以SU₂需要回避，原认知用户路由面临着失效与重建。为了减小认知用户路由失效重建的频率，维持认知用户路由上数据高效地传输，本发明提供一种回避方法，即SU₂在检测到PU在使用授权频率F1后，通过收集相关参数以计算PU的运动速度、运动方向、射频覆盖范围信息，经计算，若通过认知节点SU₂的避让，PU在短时间内不会离开与SU₂的干扰范围，则SU₂将重新寻找工作频率发送数据。若PU在短时间内将离开SU₂的干扰范围，SU₂节点就可以向地理位置Q移动（如图中虚线箭头所示），与主用户之间保持一定的距离，同时计算退避时间，暂停数据转发。为提高运行的可靠性，退避时间结束后，SU₂节点需要再一次对PU是否存在进行检测，只有当检测到PU已经离开，SU₂节点才能继续转发数据。

当测得主用户的运动信息和发射半径信息之后，可以进一步判断认知用户能否避让和退避时间。先不考虑暴露终端和隐藏终端的问题，认知用户的避让距离应为主用户的发射功率覆盖范围与认知用户的发射功率覆盖范围之交集。考虑到认知用户先是检测到主用户的存在再对主用户进行定位，所以主用户第一次出现的地点与认知用户的距离小于主用户的发射功率覆盖半径。

如图1所示，当主用户PU靠近时，PU与SU₂的距离只能越来越小，数据碰撞概率会越来越高。又由于认知用户SU₂的避让范围不能超出其相邻两节点（SU₁,SU₃）发射功率覆盖范围的重叠区域（图中阴影部分），所以在主用户PU靠近的过程中，SU₂不能完全避让。当主用户远离的时候，认知用户可以根据主用户实际的运动方向在图中阴影部分实施避让。若主用户的运动速度非常快，认知用户SU₂也可以原地退避一段时间后继续传送数据，以上两种情况原认知用户路由都不需要改变。

在认知无线网络中，主用户使用其授权频段时间的不确定性将带来认知用户路由频繁的失效与重建。为了减少这种失效重建的频率，本发明采用转发点与邻居节点协同对主用户信息进行检测，转发点再进一步测试主用户相关参数，并对收集的参数进行处理，得到主用户运动速度、运动方向和发射功率覆盖范围，以此判断主用户在短时间能不能离开干扰范围，转发点能不能避让等，与现有技术相比，本发明是一种能有效维护认知无线网络路由，保持数据传输持续流畅的方法。

附图说明

图1是本发明提供的认知无线网络路由维护方案的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的认知无线网络路由维护方案转发点的工作流程图；

图3是本发明实施例提供的认知无线网络路由维护方案实施时的网络总架构示意图；

图4是本发明实施例提供的认知无线网络路由维护方案实施中认知用户传送数据时的网络示意图；

图5是本发明实施例提供的认知无线网络路由维护方案实施中认知用户避让时的网络示意图；

图6本发明实施例提供的认知无线网络路由维护方案实施中认知用户继续传送数据时的网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例中，假设：认知无线网络将频率F1，F2……Fn授权予特定用户使用，特定用户未使用所授权频率，允许外界认知用户接入使用；频率F1不在被其特定用户使用，且为当前认知路由工作频率。本实施例提供的认知无线网络路由维护方案技术方案包括：转发点与邻居节点协同对主用户信息进行检测，转发点对收集的参数进行处理，得到主用户运动速度、运动方向和发射功率覆盖范围，以此判断主用户在短时间能不能离开干扰范围，转发点能不能避让等。

一、转发点检测

在认知路由中将当前具有转发任务的节点称为转发点。在转发点转发数据之前，该转发点需要对主用户存在与否进行检测，若检测显示主用户未使用其授权频率，转发点可以使用当前工作频率继续转发数据。若检测显示主用户在使用其授权频率，转发点需要进一步测试主用户相关参数，再对收集的参数进行处理得主用户运动速度、运动方向和发射功率覆盖范围，以此判断主用户在短时间能不能离开干扰范围，转发点能不能避让等。转发点将协同邻居节点完成对主用户信息的检测，参见附图2，它是本实施例提供的认知无线网络路由维护方案转发点的工作流程图；若当前认知路由使用频率为F1。

转发点对主用户信息进行检测的具体工作步骤如下： 

1、当接收到测试主用户信息的命令之后，先启动循环检测功能寻找到当前可用频率，假设是频率F2；

2、按顺序分别在F1,F2,F3……Fn上第一次广播，通知邻居节点将接收频率调整到F2；

3、在F2上进行第二次广播，通知邻居节点对F1频率的信号强度进行测试；

4、等待邻居节点回应；

5、收集10个邻居节点发回的数据包，比较信号强度参数，从中选择信号强度参数大的2～6组数据对主用户进行定位计算；

二、邻居节点协同对主用户信息进行检测的具体工作步骤如下：

1、当接收到转发点广播的频率调整到F2的命令后，将自己的工作频率改成F2，等待接收下一个命令；

2、接收到对F1频率进行测试的命令后，将自己的接收频率调整到F1，对主用户的信号强度进行检测，同时记录检测时刻；

3、若没有检测到主用户的信号，则回到初始状态；若检测到主用户的信号，则将主用户的信号强度，测得信号的时间以及本节点地理位置加载到数据包上；

4、将工作频率调整到F2，随机退避5～20秒，若检测到F2仍然冲突，则继续退避；若F2空闲就将数据包发送给转发点；

5、进入等待应答的状态；

6、收到应答后，本节点回到初始状态；

三、转发点判断

转发点完成对主用户的信息检测后进行判断的具体工作步骤如下：

(1)计算转发点与主用户运动轨迹的垂足（P,Q）；

(2)计算对主用户运动轨迹跟踪定位的最后一个位置(XN,YN)与垂足(P,Q)之间的向量；

(3)计算与主用户运动方向之间的夹角，若该夹角小于，则判定主用户为远离状态；若该夹角大于，则判定主用户为靠近状态；若该夹角等于，则采用对主用户运动轨迹跟踪定位的最后第二个位置(XN’,YN’)重复本步骤进行重新判定；

上述步骤(1)～(3)为初步判断主用户的运动趋势，可作为参考，在本实施例中未作为判断依据，转发点判断步骤从步骤（4）开始：

(4)在可移动范围内，依据主用户的运动速度和运动方向、转发点的运动速度以及两者的干扰半径，转发点确定一个新的位置； 

(5) 若该新位置在可避让范围的内且转发点移动到该新位置后，将与主用户之间不再产生干扰，计算移动所需要的时间T。若该新位置在可避让范围的边缘且转发点移动到该新位置后，需再等待一段时间才与主用户之间不再产生干扰，则计算移动与等待的总时间T；

(6)将 T与预先设定的等待阈值（如1～2分钟）和变频阈值（如8～10分钟）进行比较,若T小于等待阈值，则转发点等待相应的时间实现避让；若T大于等待阈值而小于变频阈值，则转发点移动到步骤(4) 确定的新的位置实现避让；若T远大于变频阈值（如10分钟），则转发点放弃当前频率。

将本实施例提供的认知无线网络路由维护方案在图3所示的网络总架构中进行测试；图中，主网络和认知网络都是节点可移动的Ad Hoc 网络，不失一般性，认知网络存在仅有一个转发节点的一条路，其中start，1，dest分别为认知用户路由的源节点，转发点和目的节点，其网络地址分别设为（1，2，3）。dis为主用户，其余的节点为认知网络中的其他邻居节点。黑色线条为预设的主用户运动轨迹，主用户将以预先设定的速度沿着黑色线条匀速运动。假设各认知节点自身的位置是已知的。

如图3所示，假设图中三条黑色线段的参数如表1所示，表中X、Y为某条线段的起点或终点的横、纵坐标，“第一段”对应的上面两个参数为这条线段起点的横、纵坐标，下面两个参数为终点的横、纵坐标，以上两点确定了图中主用户运动路径的第一段。“第一段”最后一个参数为主用户在这段路径上运动的速度。表中“第二段”和“第三段”后面对应的是第二段和第三段路径的参数。

表1 

测试结果如图4、5、6所示。

参见附图4，以转发点1为研究对象，转发点1的原始坐标为（0.397，0.561）。当主用户dis靠近但与转发点1之间没有产生干扰时，转发点1仍不断传送数据。

参见附图5，当主用户渐渐靠近并与转发点1之间产生干扰时，转发点1暂停数据转发，通过对相关参数的收集与计算，确定避让位置。设主用户运动的方向向量为（VX,VY），速度为Vp，转发点1的运动速度为Vc。由主用户和转发点1的射频覆盖范围得主用户与转发点1的干扰半径为R；则当主用户运动T时间后，转发点1的运动范围是以转发点1为圆心，Vc*T为半径的圆。若该圆中存在一点Q，点Q与此时主用户位置之间的距离大于转发点1与主用户之间的干扰半径，且Q点未离开start，dest覆盖范围的重叠区域，则Q点即为所求新位置。具体算法步骤如下：

1、若主用户的运动路径靠近start (或dest)，则计算与start (或dest)覆盖范围内切且以转发点1为圆心的圆的半径r，结合转发点1的运动速度得转发点1运动到圆边上的时间为T=r/Vc；

2、计算T时间后，计算主用户的位置与该圆上最远点之间的距离L，当L>=R时，做步骤3、4；当L<R时，做步骤5、6、7；

3、以△T=10s为间隔，将总时间设为T=T-△T，计算主用户的位置与该圆上最远点Q之间的距离L，若L>=R，重复步骤3；

4、当L<R时，则T=T+△T即为所求时间，根据时间T求得对应点Q；

5、以△T=10s为间隔，将总时间设为T=T+△T，计算主用户的位置与该圆上最远点之间的距离L，若L<R，重复步骤5；

6、若L>=R，则在该圆上找到一点Q，Q点在A、C覆盖重叠范围之内且与主用户之间的距离L最远；

7、若L>=R，则Q点即为所要求的位置点，T即为所求时间；若L<R，重复步骤5、6、7；

转发点1按上述计算结果退避到一个新的地理位置Q（0.604，0.363），同时计算得到退避时间T为164.8S（约2.7min）。

如图6所示，退避结束后，转发点1需要再次对主用户dis是否存在进行检测，若检测到主用户dis已经离开干扰范围，转发点1将继续传送数据。图6中主用户dis的地理坐标为（0.334，0.604）。在本实施例中，设定主用户与每个认知节点的发射功率覆盖半径为0.3km，则主用户dis与转发点1之间的距离约为0.36km>0.3km，所以主用户与转发点1之间不再存在干扰。再由转发点1的原始坐标、新坐标以及退避时间可得转发点1的退避距离为0.286km，速度为6.36km/hr。此速度相当于人的步行速度，所以，在实际应用中该方案可实现。

Claims (4)

1. 一种认知无线网络路由的维护方法，将频率F1，F2……Fn授权予特定用户使用，若特定用户未使用所授权频率，允许外界认知用户接入使用；若频率F1不再被其特定用户使用，且为当前认知路由工作频率，则该路由维护方法的特征在于：转发点和邻居节点协同对主用户信息进行检测；转发点对收集到的数据进行处理，确定采用避让或移动到一个新的位置或放弃当前频率； 

转发点对主用户信息进行检测，包括如下步骤： 

(1)当接收到测试主用户信息的命令后，启动循环检测功能寻找当前可用频率，假设为频率F2；

(2)按顺序分别在频率F1,F2,F3……Fn上进行广播，告知邻居节点将接收频率调整到F2；

(3)在F2上进行广播，告知邻居节点对F1频率的信号强度进行测试；

(4)等待邻居节点回应；

(5)收集6～20个邻居节点发回的数据包，比较其测试得到的F1频率的信号强度参数，从中选择信号强度参数大的2～6组数据；

(6)重复步骤(1)～(5)3～20次；

邻居节点对主用户信息进行检测，包括如下步骤：

(1)当接收到转发点广播的频率调整到F2的命令后，将自己的工作频率改成F2，等待接收下一个命令；

(2)接收到对F1频率进行测试的命令后，将自己的接收频率调整到F1，对主用户的信号强度进行检测，同时记录检测时刻；

(3)若没有检测到主用户的信号，则回到初始状态；若检测到主用户的信号，则将主用户的信号强度，测得信号的时间以及本节点地理位置加载到数据包上；

(4)将工作频率调整到F2，随机退避5～20秒，若检测到F2仍然冲突，则继续退避；若F2空闲就将数据包发送给转发点；

(5)进入等待应答的状态；

(6)收到应答后，本节点回到初始状态；

(7) 重复步骤(1)～(6)3～20次；

转发点完成对主用户信息检测的步骤(1)～(6)后，依据所得到的信息作出判断，包括如下步骤：

(1)对每次所得到的2～6组数据，定位主用户在相应时刻的地理位置，经路径拟合，得到主用户的运动速度、方向和射频覆盖范围的信息； 

(2)在可移动范围内，依据主用户的运动速度和运动方向、转发点的运动速度以及它们的干扰半径，转发点确定一个待移动避让的新位置；

(3) 计算转发点移动到该新位置后与主用户之间不再产生干扰所需要的时间T； 

(4)将 T与预先设定的等待阈值和变频阈值进行比较,若T≤等待阈值，则转发点等待相应的时间实现避让；若T﹥等待阈值、T≤变频阈值，则转发点移动到步骤(2) 确定的新位置实现避让；若T ＞变频阈值，则转发点放弃当前频率。

2. 根据权利要求1所述的一种认知无线网络路由的维护方法，其特征在于：所述的等待阈值为1～2分钟；变频阈值为8～10分钟。

3. 根据权利要求1所述的一种认知无线网络路由的维护方法，其特征在于：所述的时间T，若新位置在可避让范围内，且转发点移动到该新位置，将与主用户之间不再产生干扰，则T为转发点移动到该新位置所需要的时间。

4. 根据权利要求1所述的一种认知无线网络路由的维护方法，其特征在于：所述的时间T，若新位置在可避让范围的边缘，且转发点移动到该新位置后，与主用户之间不再产生干扰需等待一段时间，则T为转发点移动到该新位置所需要的时间与等待时间之和的总时间。

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