CN103781145A - 认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，在本发明中，每个节点的竞争节点优先级顺序的确定是通过权衡竞争节点的剩余电量、节点与其竞争节点之间的投递率和ETX来实现的。其中，每条链路的投递率和ETX是通过计算网络中所有信道的平均值来获得的。在增大竞争节点集的同时能量的消耗也在增加，考虑到节点能量的有限性，在选择竞争节点集大小时需要在投递率与能量之间作权衡以减少能量开支。为此，本发明提出了一个评价指标EDP（每焦耳能量期望投递率）来权衡上述两者之间的关系。仿真结果进一步证明本发明提出的路由协议在吞吐量和数据包的丢包率上都要比多信道路由协议（MCR）有更好的性能表现。

Description

认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于认知无线传感网络数据通信的路由协议，属信息技术领域。

背景技术

多跳的认知无线传感网络（CRSN）因为它的低成本、多领域的应用和高效的频谱利用率在过去的十几年内越来越受到欢迎。然而，由于无线信道的一些特性，采用传统的路由方式所取得的吞吐量并不理想。

机会路由（Opportunistic Routing）是用来处理无线信道的不可靠性的一项比较好的技术，它与传统的确定性的路由协议不同。在早期的工作当中，文献“Exor:Opportunistic multi-hop routing for wireless networks（无线网络中的多跳机会路由协议）”,in SIGCOMM’05,Philadelphia,Pennsylvania,Aug.2005（2005年8月SIGCOMM在宾夕法尼亚的费城）.提出了ExOR机会路由协议，该路由协议是根据网络全局的信息来选择竞争节点集及其竞争集节点的优先级，这种方式能够取得比传统的确定性路由协议更高的端到端吞吐量。文献“Trading structure forrandomness in wireless opportunistic routing（无线机会路由中数据传输的随机性实现）”,Proceedings of the 2007conference on Applications,technologies,architectures,and protocols for computer communications,August 27-31,2007,Kyoto,Japan（2007年8月27日到31日，计算机通信中的应用，技术，结构，协议的会议,在日本京都）中提出了MORE机会路由协议，在MORE中不需要额外的协调器来协调路由器并且该方案能够取得更高的吞吐量在无线mesh网中。但是，这些机会路由协议都假设网络中的所有节点都工作于同一个信道。

文献“Routing in multi-radio,multi-hop wireless mesh networks（无线mesh网络中多天线对跳的路由协议）.”In:Proc.of ACM MobiCom,Philadelphia,PA,March 2004（2004年3月ACM MobiCom在宾夕法尼亚的费城）中提出了一个新的代价函数（WCETT）适用于多信道的自组织网络，并且保证了每次数据传输不同的信道将会被选择。但是WCETT是在每个节点的天线根数等于信道个数的假设下设计得到的。文献“Routing and link-layer protocols for multi-channelmulti-interface Ad Hoc wireless networks.”（Ad hoc无线网络中对于多信道多天线的路由和链路层的协议）In:SIGMOBILE Mobile Computing and CommunicationsReview，vol 1,January 2006,pp 31–43（SIGMOBILE移动计算与通信,第1卷,2006年1月，第31页至43页）提出了一个称为MCR的代价函数用于处理更一般的场景，每个节点的天线根数可以少于信道个数。

在认知无线网络中，典型的路由协议有文献“Efficient Routing Algorithms forMulti-Channel Dynamic Spectrum Access Networks”（多信道的动态频谱接入网络中有效的路由算法介绍），2nd IEEE International Symposium on New Frontiers inDynamic Spectrum Access Networks,2007,PP.288-291（第二节IEEE关于动态频谱介入网络的国际会议，2007年第288至291页）中提出的一种基于单天线多信道多跳的动态频谱接入的路由算法；文献“Joint on-demand routing and spectrumassignment in Cognitive Radio Networks”（在认知无线网络中联合按需路由和频谱的分配）,2007 IEEE International Conference on Communications,Vols1-14,PP.6499-6503（2007年IEEE国际通信会议，卷1-14，第6499至6503页）提出的一种将频谱配置和按需路由（AODV）结合起来的方案。

由于结构及硬件的多样性，工作环境的复杂性，应用需求的千差万别，目前CRSN尚没有“全能，普适”的路由协议。

发明内容

本发明提出了一种多信道机会路由协议（MCORP）。传统的机会路由协议都假设网络中的节点工作于同一信道上，因此本路由协议是对传统机会路由协议的改进，并且可以在认知无线网络中使用。为了提高频谱的利用率，我们采用一个公共控制信道来实现控制消息的交换，频谱感知中数据的分享以及协调频谱的接入。在构造节点的竞争节点集时，我们综合考虑了竞争节点的剩余电量，节点与其竞争节点之间的投递率和ETX。本发明中机会路由主要体现在MAC层的建立连接过程，而与传统的机会路由直接传递数据包的方式大不相同。数据包传递过程中每一跳的信道选择相互独立，且是在可用信道列表中随机的选择一个信道来实现对数据包的传递。

根据本发明提供的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，包括如下步骤：

第一步：计算网络中各条链路的平均投递率和期望重传次数ETX；

第二步：生成网络中各节点的路由条目，其中，路由条目包括下一跳节点的地址、下一跳节点的剩余功率、本节点与下一跳节点之间的投递率与ETX、本节点的下一跳节点与下两跳节点之间的投递率与ETX；

第三步：构造每个节点的竞争节点集；对网络中的每一个节点从其路由条目中选取下一跳节点作为竞争节点，根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序，以及根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小；

第四步：通过第三步确定竞争节点集之后根据频谱感知在可用信道中选择一个数据信道，并在该数据信道上进行数据包的传递。

优选地，第一步中所述的链路平均投递率和ETX的计算方法如下：

$p_{\mathrm{ij}}={\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^N{p}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}+C_N^k{\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^{N-k}{\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^k{p}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}$

${\mathrm{ETX}}_{\mathrm{ij}}={\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^N\frac{1}{p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}}+C_N^k{\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^{N-k}{\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^k\frac{1}{p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}}$

其中，P_on和P_off分别对应表示主用户状态为ON和OFF的概率；p_ij和ETX_ij分别表示节点i与节点j之间的平均投递率和期望重传次数；N为网络中信道的数目；

表示从N个信道中选择k个信道的可选情况数；

表示所有信道上的主用户状态都为ON时的投递率：

$p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}=p_c$

其中，p_c表示控制信道的投递率；表示部分信道的主用户状态为OFF时的投递率：

$p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}=1-(1-p_c)\underset{c_i}{\mathrm{\Π}}(1-p_{c_i})$ c_i∈C,i∈1,..,k

其中，C为该部分信道集合，k为集合大小，c_i表示主用户状态为OFF的一个信道，

表示为该信道的投递率。

优选地，第二步中所述的生成节点的路由条目的过程中，网络中各节点监听在公共控制信道上，每个节点在发送数据包之前进行路由请求Request，目的节点接收到Request后回复应答Reply；其中，在接收到Request和Reply时，如果包内的目的序列号大于已有的目的序列号或者相同的目的序列号下具有较大的路由权重值，那么进行相应的更新路由或者增加路由；当包内的下一跳节点信息在路由表中已经存在时，那么更新该路由条目；当包内的下一跳信息在路由表中不存在时，那么增加一个对应该下一跳节点的路由条目。

优选地，第三步中所述的根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序中，相应的权重值越大对应的优先级顺序越高，其权重值WEIGHT的设计如下：

WEIGHT_i=(1-α)P_i·p_1i·p_2i-α(ETX_1i+ETX_2i)，i∈1,2...,K

其中，WEIGHT_i表示路由条目中下一跳节点i的权重值，α是一个在0与1之间的因子，P_i表示路由条目中下一跳节点i的剩余电量，K表示网络中节点个数；p_1i·p_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的投递率，ETX_1i+ETX_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的ETX；每条链路的投递率和ETX分别为第一步中计算所得。

优选地，第三步中所述的根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小中，使用一个每焦耳能量期望投递率EDP评价指标来表示单位能量消耗下能取得的投递率，其计算如下：

$\mathrm{EDP}\left(F\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\mathrm{\Π}}_{w=1}^{i-1}(1-p_w)}{E\left(F\right)}$

其中，p_i表示节点与它的竞争节点i之间的投递率，p_w表示节点与它的竞争节点w之间的投递率；E(F)=E_tx+M·E_rx表示一次控制包交换消耗的能量，E_tx和E_rx分别表示数据包发送和接收的能量消耗；F是一个给定大小为M有优先级顺序的竞争节点集合，其中的优先级顺序是根据权重值WEIGHT来分配的。

优选地，第四步中所述的数据信道的选择为在可用信道中随机选择一个信道。

优选地，第四步中所述的节点数据包传递中，机会路由体现在MAC层的交互过程中，具体为：

首先，发送方在公共控制信道上多播一个Request To Send控制包RTS到它的竞争节点集，RTS中包含了发送方的可用信道列表和它的竞争节点集的优先级顺序；当有竞争节点接受到RTS，那么该竞争节点得到包含在RTS中的可用信道信息，再结合自己的可用信道信息从中随机选择一个信道作为传递数据包的数据信道；其中，发送方在发送完RTS后保留了多时隙的时间来等待竞争节点回复Clear To Send控制包CTS，其中时隙的个数等于竞争节点集的大小；如果竞争节点集中的第一个节点在第一时隙成功地接收到RTS，那么该节点回复CTS并且天线切换到所选择的信道上等待；否则，执行判断步骤：即判断在下一个时隙竞争节点集中相应的下一个节点是否成功接收到RTS，若判断结果是肯定的则安排该成功接收到RTS的节点来回复CTS，否则继续执行本判断步骤；一个竞争节点只有在所有其他具有更高优先级的竞争节点失败之后才会回复CTS；当所有的竞争节点都没有成功接收RTS，那么发送方会在允许的次数范围内重新发送RTS；

另一方面，如果发送方在第一时隙收到了CTS，那么发送方不必继续等待其他的CTS，发送方接着在公共控制信道多播一个Complete To Receive控制包CTR用来通知它的竞争节点集，使得竞争节点集中的竞争节点知道CTS已经成功接收不必再回复；成功接收CTR的竞争节点丢弃之前准备的CTS并且继续监听在公共控制信道上；CTS和CTR都包含了所选择的信道信息是为了通知发送方节点和中继节点的邻居节点，使得这些邻居节点能够知道数据传递的信道并且更新该信道的网络分配矢量NAV；其中一个时隙的时间包含了一个CTS和一个CTR的传输时间两个部分；

最后，发送方在所选择的信道上发送数据包到之前在MAC层上连接好的竞争节点；这样的数据传递层层递进直到数据包最终到达目的节点。

为了体现发明的性能，我们将本发明中的路由协议与多信道路由协议（MCRP）进行性能上的比较，设计sink节点的平均吞吐量、平均丢包率、数据包到达的平均时延和平均的时延抖动性。采用ns2进行仿真得到的结果可以看出，本发明的各项性能都要优越于MCRP路由协议。

本发明具有以下优点：

①新颖的路由条目权重值计算，综合考虑了认知无线电的特性。

②数据传递可靠性高，能在一定程度上克服无线信道的不稳定性特点。

③因为引入一个公共控制信道，且在MAC层建立连接过程中有控制包的发送与接收，因此本发明的路由协议适合于发送较大数据包的情形。

④分布式路由算法，每个节点只保存靠近目的节点的竞争节点集，而不需要知道整个网络信息。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明系统网络模型；

图2为本发明中各节点生成的路由条目结构；

图3为本发明中竞争节点构造算法；

图4为本发明中数据包传递的举例；

图5为本发明仿真中的网络拓扑图；

图6为本发明仿真中sink节点的平均吞吐量性能；

图7为本发明仿真中sink节点的平均丢包率性能；

图8为本发明仿真中sink节点平均数据包时延性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了提高认知无线传感网络的吞吐量，同时考虑无线信道的不稳定性特点，我们提出了多信道机会路由协议（MCORP）。传统的机会路由协议是基于单信道考虑的，而且大多数的机会路由协议是根据期望重传次数（ETX）来确定竞争节点的优先级顺序。在本发明中，每个节点的竞争节点优先级顺序的确定则通过权衡竞争节点的剩余电量、节点与其竞争节点之间的投递率和ETX来实现。其中，每条链路的投递率和ETX是通过计算网络中所有信道的平均值来获得的。在增大竞争节点集的同时能量的消耗也在增加，考虑到节点能量的有限性，在选择竞争节点集大小时需要在投递率与能量之间作权衡以减少能量开支。为此，我们提出了一个评价指标EDP（每焦耳能量期望投递率）来权衡上述两者之间的关系。仿真结果进一步证明我们提出的路由协议在吞吐量和数据包的丢包率上都要比多信道路由协议（MCR）有更好的性能表现。

本发明通过以下技术方案和步骤实现：

1、网络中节点路由表的生成。

系统模型如图1所示，节点D为目的节点，网络中的每个节点都有一个往目的节点方向的邻居节点集合。每个节点都配置有一根天线且可以切换到不同的信道上。网络中的每个信道都被一个主用户占用，因此，当该信道上的主用户回来的时候每个节点都必须把信道让出来。图1中，节点上方的数值表示该节点的剩余电量（单位J），箭头上数值表示节点之间的投递率，例如，节点S的剩余电量为13J，节点S与A1之间的投递率为0.9。

网络中的每个节点都监听在公共控制信道上。在路由发现的开始阶段，一个包含发送者的剩余电量、上一跳的投递率信息的HELLO包由sink节点在公共控制信道上进行洪泛传播（如错误！未找到引用源。所示）。当网络中的节点收到HELLO后可以获得包含在HELLO包内的信息，然后在替换了包内的信息后重新广播出去。考虑以下三项指标，即分别为节点剩余电量、链路平均投递率和平均重传次数，在sink节点的洪泛广播过程中可以生成每条路径的路由条目，其结构如错误！未找到引用源。所示，比如在图1中从节点S到A1再到B1的路径的路由条目中，第一跳和第二跳的投递率分别为0.9和0.6，第一跳和第二跳的ETX分别为1.1和1.7。

一个节点的第一跳的投递率是节点与它的下一跳节点之间的投递率，节点的第二跳的投递率是节点的下一跳节点和节点的下两跳节点之间的投递率。同样，ETX也和上述情况一样。例如，在图1中，从节点S到A1再到B1有一条路径，那么节点S的第一跳投递率是节点S与A1之间的投递率，节点S的第二跳投递率是节点A1和B1之间的投递率。

2、竞争节点集的构造

当传递一个数据包或者转发Reply包到下一跳节点时，每个节点都有一个传输竞争集，该竞争集是邻居节点集的子集并且是一个有序的集合。竞争节点的优先级顺序对应着中继传输数据包的优先顺序。当我们分配竞争节点的优先级顺序时提出了一个代价指标（WEIGHT），即权重值，综合考虑了路由条目中下一跳节点的剩余电量，投递率和ETX。

WEIGHT_i=(1-α)P_i·p_1i·p_2i-α(ETX_1i+ETX_2i)，i∈1,2...K

其中，WEIGHT_i表示路由条目中下一跳节点i的权重值，α是一个在0与1之间的因子，P_i表示路由条目中下一跳节点i的剩余电量的绝对值，K为网络中节点个数。我们考虑从节点开始的两跳范围，因此，p_1i·p_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的投递率，ETX_1i+ETX_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的ETX。

在路由发现过程之后，每个节点都会生成相对应的路由条目，每个路由条目中对应一个下一跳节点。我们比较路由条目的权重值WEIGHT，权重值越大的路由条目其对应的下一跳节点的优先级越高。

在竞争节点集构造时，我们权衡了投递率与能量消耗之间的关系。我们假设节点只监听发送给它们自己的数据包传输且只考虑数据包的发送和接收的能量消耗，能量消耗的模型可以表示为下面所示：

E(F)=E_tx+M·E_rx

其中，E_tx和E_rx分别表示数据包发送和接收的能量消耗。F是一个给定的竞争节点集合，它的大小为M，其中的优先级顺序是根据权重值WEIGHT来分配的。

我们提出一个指标函数EDP来权衡投递率与能量消耗的利与弊：

$\mathrm{EDP}\left(F\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\mathrm{\Π}}_{w=1}^{i-1}(1-p_w)}{E\left(F\right)}$

其中，p_i表示节点与它的竞争节点i之间的投递率，p_w表示节点与它的竞争节点w之间的投递率。EDP(F)的物理意义是当成功传递一个数据包到本节点的竞争节点，通过消耗单位单元的能量所能取得的投递率。在这之后，每个节点可以通过竞争节点构造算法生自己的竞争节点集合，见图3。

3、数据包的传递过程

在CRSN中每个节点都有一个可用信道列表，且在传递数据包之前我们需要在MAC层与下一跳节点建立连接。首先，发送方在公共控制信道上多播一Request To Send(RTS)控制包到它的竞争节点集，RTS中包含了发送方的可用信道列表和它的竞争节点集的优先级顺序。当有竞争节点接受到RTS，那么该竞争节点得到包含在RTS中的可用信道信息，再结合自己的可用信道信息从中随机选择一个信道作为传递数据包的数据信道。特别地，发送方在发送完RTS后保留了多时隙的时间来等待竞争节点回复Clear To Send(CTS)控制包，其中时隙的个数等于竞争节点集的大小。如果竞争集中的第一个节点在第一时隙成功地接收到RTS，那么该节点回复CTS并且天线切换到所选择的信道上等待。否则，在第二时隙竞争节点集中的第二个节点将被安排来回复CTS如果该节点成功接受RTS。否则，第三个节点，第四个节点，等等。一个竞争节点只有在所有其他具有更高优先级的竞争节点失败之后才会回复CTS。当所有的竞争节点都没有成功接收RTS，那么发送方会在允许的范围内重新发送RTS。

另一方面，如果发送方在第一时隙收到了CTS，那么发送方不必继续等待其他的CTS，发送方接着在公共控制信道多播一个Complete To Receive(CTR)控制包用来通知它的竞争节点集，使得竞争节点集中的竞争节点知道CTS已经成功接收不必再回复。成功接收CTR控制包的竞争节点丢弃之前准备的CTS包并且继续监听在公共控制信道上。CTS和CTR控制包都包含了所选择的信道信息是为了通知发送方节点和中继节点的邻居节点，使得这些邻居节点能够知道数据传递的信道并且更新该信道的网络分配矢量NAV(Network Allocation Vector)。其中一个时隙的时间包含了两个部分。最后，发送方在所选择的信道上发送数据包到之前在MAC层上连接好的竞争节点。节点如果成功收到一个ACK确认包则说明数据包发送成功。这样的数据传递层层递进直到数据包最终到达目的节点。

4、数据包的传递过程举例

作为本发明路由协议的一个例子，我们考虑在图1中的一条路径，从节点S出发到节点D为止。在这种情况下，假设节点S的竞争集为{A₁,A₂,A₃}，根据不同竞争节点的权重值WEIGHT的计算，可以得到竞争集的优先级顺序为A₁>A₂>A₃。

图4表示了一个数据包从节点S到A3的传递过程。首先，节点S需要与其竞争节点在MAC层建立连接，在前两个时隙节点S没有接收到CTS，因此节点S继续等待在第三时隙。在成功接收到CTS后，节点S接着多播一个CTR到它的竞争节点集，这也意味着在MAC层的建立连接完成。最后，在经过公共控制信道上的连接后节点S在所选择的信道上发送数据包到A3。节点A3接收到数据包，再回复ACK确认包，此时一个数据包传递过程完成。

我们建立仿真来模拟一个包含一些主用户和36个分布在4000m×4000m平面上的节点的CRSN网络，如图5所示。每个CR节点都能保证使用一个频段（即公共控制信道）并且当频段上的主用户为“OFF”状态时能够动态的接入注册过的频段（即数据信道）。主用户的死亡率α为0.3，出生率β为0.4。网络中总共有8个信道包括了一个公共控制信道和七个数据信道。每个CR节点配置了一根天线除了sink节点配置了8根天线。

每个节点的初始能量为10J，发送和接收一个数据包所消耗的电量分别为0.660w和0.395w。每个节点的发射功率为0.2818w对应的传输范围为250m，载波检测范围是550m。一个信道上从节点A到节点B的投递率是通过计算节点B接收到的数据包数目除以节点A总共发送的数据包数目。为了分析时的简便性考虑，我们只考虑链路的平均投递率分别为0.3、0.6和1.0这三种情形。数据包的负载为512字节，同时带宽为2MHz。每次仿真的持续时间为120s并且每个CR节点的CBR速率为以步长2从1Kbit/s增加到20Kbit/s。

我们采用ns-2进行仿真，主要分析我们提出的路由协议的吞吐量、数据包的丢包率、端到端的时延和时延抖动等性能，并与多信道路由协议MCR（Multi-Channel Routing）进行对比分析。MCR路由协议是在文献“Routing andlink-layer protocols for multi-channel multi-interface Ad Hoc wireless networks.”（Ad hoc无线网络中对于多信道多天线的路由和链路层的协议）In:SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review，vol 1,January 2006,pp 31-4（SIGMOBILE移动计算与通信卷1,2006年1月，第31页至43页）中提出的基于按需路由的多信道路由协议。

我们首先评估sink节点的平均吞吐量的性能，在图6中所示。我们可以观察到吞吐量随着投递率的增加而增大。当无线链路的平均投递率为1.0时，MCR路由协议与MCORP两者之间的差距几乎不存在。在CBR的速率较大时MCR的吞吐量表现的要比MCORP的稍微大些，这是因为在MCORP中节点的数据传输涉及到一个竞争节点集合，使得在一次数据包的传递过程中更多的节点处于工作状态而使得整个网络处理数据包的能力有所下降。当无线链路的平均投递率小于1.0时，这时MCORP看起来要比MCR在吞吐量上要大并且这一现象随着投递率的降低将更加的明显。这是因为MCORP可以处理无线链路的不稳定特性，使得数据包的传输成功概率增大，从而导致吞吐量的增加。

其次分析sink节点的平均丢包率，它是通过计算sink节点接收到的数据包数目除以网络中所有CR节点发送的数据包数目。图7表明sink节点数据包的丢包率随着CBR的增加而增大并且当速率比较大时丢包率的变化将趋于平缓。当无线链路的平均投递率为1.0时，看以看到在CBR速率不是很大时两者差距很小，在CBR较大时MCORP表现的稍微差些。在平均投递率小于1.0时，随着投递率的下降，MCORP表现出来的优势就越明显。

现在我们研究数据包的平均时延从数据包的发出到sink节点数据包的接收。为了统计分析的简单考虑，我们假设一个在中途丢掉的包的时延为30s。正如图8中所示，当无线链路的平均投递率为1.0时，MCORP表现的比MCRP差些，因为在MCORP中每个发送节点保留了多个时隙的时间，当发送节点的邻居节点接收到RTS并更新它们公共控制信道CCC的NAV，该NAV要比在MCRP情形时大，因此需要花费更多的时间来等待信道的空闲，但是这点差距可以忽略。在平均投递率下降的过程中，MCORP表现的比MCRP要好，且这种效果越来越明显。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，包括如下步骤：

第一步：计算网络中各条链路的平均投递率和期望重传次数ETX；

第二步：生成网络中各节点的路由条目，其中，路由条目包括下一跳节点的地址、下一跳节点的剩余功率、本节点与下一跳节点之间的投递率与ETX、本节点的下一跳节点与下两跳节点之间的投递率与ETX；

第三步：构造每个节点的竞争节点集；对网络中的每一个节点从其路由条目中选取下一跳节点作为竞争节点，根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序，以及根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小；

第四步：通过第三步确定竞争节点集之后根据频谱感知在可用信道中选择一个数据信道，并在该数据信道上进行数据包的传递。

2.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第一步中所述的链路平均投递率和ETX的计算方法如下：

$p_{\mathrm{ij}}={\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^N{p}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}+C_N^k{\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^{N-k}{\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^k{p}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}$

${\mathrm{ETX}}_{\mathrm{ij}}={\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^N\frac{1}{p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}}+C_N^k{\left(p_{\mathrm{on}}\right)}^{N-k}{\left(p_{\mathrm{off}}\right)}^k\frac{1}{p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}}$

其中，P_on和P_off分别对应表示主用户状态为ON和OFF的概率；p_ij和ETX_ij分别表示节点i与节点j之间的平均投递率和期望重传次数；N为网络中信道的数目；

表示从N个信道中选择k个信道的可选情况数；

表示所有信道上的主用户状态都为ON时的投递率：

$p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{on}}=p_c$

其中，p_c表示控制信道的投递率；

表示部分信道的主用户状态为OFF时的投递率：

$p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{off}}=1-(1-p_c)\underset{c_i}{\mathrm{\Π}}(1-p_{c_i}),c_i\∈C,i\∈1,..,k$

其中，C为该部分信道集合，k为集合大小，c_i表示主用户状态为OFF的一个信道，

表示为该信道的投递率。

3.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第二步中所述的生成节点的路由条目的过程中，网络中各节点监听在公共控制信道上，每个节点在发送数据包之前进行路由请求Request，目的节点接收到Request后回复应答Reply；其中，在接收到Request和Reply时，如果包内的目的序列号大于已有的目的序列号或者相同的目的序列号下具有较大的路由权重值，那么进行相应的更新路由或者增加路由；当包内的下一跳节点信息在路由表中已经存在时，那么更新该路由条目；当包内的下一跳信息在路由表中不存在时，那么增加一个对应该下一跳节点的路由条目。

4.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第三步中所述的根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序中，相应的权重值越大对应的优先级顺序越高，其权重值WEIGHT的设计如下：

WEIGHT_i=(1-α)P_i·p_1i·p_2i-α(ETX_1i+ETX_2i)，i∈1,2...,K

其中，WEIGHT_i表示路由条目中下一跳节点i的权重值，α是一个在0与1之间的因子，P_i表示路由条目中下一跳节点i的剩余电量，K表示网络中节点个数；p_1i·p_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的投递率，ETX_1i+ETX_2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的ETX；每条链路的投递率和ETX分别为第一步中计算所得。

5.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第三步中所述的根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小中，使用一个每焦耳能量期望投递率EDP评价指标来表示单位能量消耗下能取得的投递率，其计算如下：

$\mathrm{EDP}\left(F\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\mathrm{\Π}}_{w=1}^{i-1}(1-p_w)}{E\left(F\right)}$

其中，p_i表示节点与它的竞争节点i之间的投递率，p_w表示节点与它的竞争节点w之间的投递率；E(F)=E_tx+M·E_rx表示一次控制包交换消耗的能量，E_tx和E_rx分别表示数据包发送和接收的能量消耗；F是一个给定大小为M有优先级顺序的竞争节点集合，其中的优先级顺序是根据权重值WEIGHT来分配的。

6.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第四步中所述的数据信道的选择为在可用信道中随机选择一个信道。

7.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第四步中所述的节点数据包传递中，机会路由体现在MAC层的交互过程中，具体为：

首先，发送方在公共控制信道上多播一个Request To Send控制包RTS到它的竞争节点集，RTS中包含了发送方的可用信道列表和它的竞争节点集的优先级顺序；当有竞争节点接受到RTS，那么该竞争节点得到包含在RTS中的可用信道信息，再结合自己的可用信道信息从中随机选择一个信道作为传递数据包的数据信道；其中，发送方在发送完RTS后保留了多时隙的时间来等待竞争节点回复Clear To Send控制包CTS，其中时隙的个数等于竞争节点集的大小；如果竞争节点集中的第一个节点在第一时隙成功地接收到RTS，那么该节点回复CTS并且天线切换到所选择的信道上等待；否则，执行判断步骤：即判断在下一个时隙竞争节点集中相应的下一个节点是否成功接收到RTS，若判断结果是肯定的则安排该成功接收到RTS的节点来回复CTS，否则继续执行本判断步骤；一个竞争节点只有在所有其他具有更高优先级的竞争节点失败之后才会回复CTS；当所有的竞争节点都没有成功接收RTS，那么发送方会在允许的次数范围内重新发送RTS；

另一方面，如果发送方在第一时隙收到了CTS，那么发送方不必继续等待其他的CTS，发送方接着在公共控制信道多播一个Complete To Receive控制包CTR用来通知它的竞争节点集，使得竞争节点集中的竞争节点知道CTS已经成功接收不必再回复；成功接收CTR的竞争节点丢弃之前准备的CTS并且继续监听在公共控制信道上；CTS和CTR都包含了所选择的信道信息是为了通知发送方节点和中继节点的邻居节点，使得这些邻居节点能够知道数据传递的信道并且更新该信道的网络分配矢量NAV；其中一个时隙的时间包含了一个CTS和一个CTR的传输时间两个部分；

最后，发送方在所选择的信道上发送数据包到之前在MAC层上连接好的竞争节点；这样的数据传递层层递进直到数据包最终到达目的节点。

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