CN105721308A - 基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开针对多跳认知无线电网络中次用户可用频谱具有动态变化且空闲特性不同的特点，提出了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法及系统，所述方法包括确定从源节点到目的节点的无环路径、基于相邻节点的平均时延计算每条路径的平均时延、选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输等步骤；所述系统基于所述方法实现。本公开在估计端到端的平均时延的过程中采用各段相邻的两个节点间的平均时延，使得所选择的路径在总体的角度上端到端传输的平均时延最小，避免了传统路由方法陷入局部最优而整体路由性能较差的缺点。

Description

基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法及系统

技术领域

本公开涉及认知无线电网络通信技术领域，特别是基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展和无线通信设备的不断普及，人们对无线频谱资源的需求持续增长。现有的固定频谱分配策略已经导致频谱利用率严重不均衡，授权频谱信道的利用率极为低下，而非授权频谱信道却异常拥堵的状况。为了解决频谱总体利用率低下的问题，认知无线电(CognitiveRadio，以下简称CR)技术应运而生，已成为高效利用无线频谱资源的关键技术。认知无线电网络存在两类用户：主用户(也称授权用户、PrimaryUser)和次用户(也称认知用户、SecondaryUser)。主用户使用固定频谱分配的传统网络通信系统。认知无线电技术可以在保证主用户服务质量的前提下，允许次用户以动态接入方式使用主用户的空闲频谱资源。次用户依靠所装备的具有CR功能的收发设备，能够主动感知、识别和使用主用户当前未使用的授权频谱信道，并且在主用户出现时能够快速退出正在使用的频谱信道而不干扰主用户。认知无线电技术的这种共享授权频谱信道的使用方式极大提高了频谱利用率，具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

在认知无线电网络中，需要进行数据传输的两个次用户之间往往距离较远，导致无法直接传输数据，因此需要经过多个次用户的依次转发。这种需要多个次用户的相互协作，依次转发数据来完成较远次用户节点的数据传输任务的认知无线电网络称为多跳认知无线电网络(Multi-hopCognitiveRadioNetwork)。多跳认知无线电网络由于其自组织无中心的特点和灵活的拓扑结构，被广泛应用于军事通信、紧急服务、传感器网络、环境监控等众多领域和实际场景。

但是，认知无线电网络由于存在可用频谱的时变性、多样性和差异性，不能直接使用传统无线网络路由算法，而从现有的研究成果上看，现有多跳认知无线电网络路由方法都没有考虑平均传输时延对路由的影响，在进行路由选择时没有考虑利用所有空闲频谱传输给定大小的数据时的传输成功概率和传输所需时间。因此，在充分考虑平均传输时延对路由性能影响的基础上，设计一种适用于多跳认知无线电网络的高效路由方法，具有十分重要的意义和广阔的应用前景。

发明内容

针对上述部分问题，本公开提供了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法，以提高路由效率，降低数据传输时延和提高数据投递率。

为了实现上述目的，本公开提出了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法，所述方法包括下述步骤：

S100、确定从源节点到目的节点的无环路径；

S200、基于相邻节点的平均时延计算每条无环路径的平均时延；

S300、选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

优选的，所述步骤S300中在数据传输之前，还包括下述步骤：

S301、根据所选的路径选择当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

优选的，所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

优选的，所述S200进一步包括下述步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+\left(u+\left(1-2^{-n}\right)\·t\right)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

优选的，当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，相邻两个节点间的平均时延的计算公式中p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。

基于所述方法，设计了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由系统，所述系统包括源节点、目的节点；

所述源节点发送路由请求消息经相邻节点广播至目的节点；

所述路由请求消息用以确定其广播经过的节点构成的路径为无环路径，以及用于确定每条无环路径的平均时延；

所述每条无环路径的平均时延基于相邻节点的平均时延计算；

所述源节点选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

优选的，所述路由请求消息中还存储发送路由请求消息的节点所检测到的所有空闲频谱的数据传输率、平均空闲时长，以用于确定当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

优选的，所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

优选的，所述计算源节点到本节点路径的平均时延的方法包括下述步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+(u+(1-2^{-n})\·t)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

更优的，当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，相邻两个节点间的平均时延的计算公式中p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。

本公开与现有技术相比的优点在于：

1)本公开方法及系统首次从估计端到端的平均时延的角度对路径的各段上相邻两个次用户的可用频谱的空闲时间特性和传输数据所需时间进行综合理论分析，在此基础上通过数学理论推导得出准确的端到端的平均时延公式，并用该公式选择平均时延最小的路径。相比传统的认知无线电网络路由方法，本公开方法综合考虑了次用户可用频谱的空闲时间特性和传输数据所需时间对路由决策的影响，提高了数据投递率并降低了传输延迟。

2)本公开方法及系统在估计端到端的平均时延的过程中充分考虑了路径上所有相邻节点之间的空闲频谱的数量和质量对端到端平均时延的影响，使得在数据传输过程中出现主用户时，次用户可以释放正在使用的频谱资源而转向使用其他可用频谱资源，从而避免重新路由的风险，提高了路由效率。

3)本公开方法及系统在估计端到端的平均时延的过程中采用各段相邻的两个节点间的平均时延的累加求和运算方法，使得所选择的路径在总体的角度上端到端的平均传输时延最小，避免了传统路由方法往往陷入局部最优而整体路由性能较差的缺点。

附图说明

图1为本公开一个实施例中一个多跳认知无线电网络场景图；

图2为本公开一个实施例中提出的路由方法的流程图；

图3为本公开一个实施例中的路由请求消息格式；

图4为本公开一个实施例中的节点状态转移图。

具体实施方式

在一个实施例中，提出了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法，所述方法包括下述步骤：

S100、确定从源节点到目的节点的无环路径；

S200、基于相邻节点的平均时延计算每条无环路径的平均时延；

S300、选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

在这个实施例中，所述方法在估计端到端的平均时延的过程中采用各段相邻的两个节点间的平均时延的累加求和运算方法，使得所选择的路径在总体的角度上端到端的平均传输时延最小，避免了传统路由方法陷入局部最优而整体路由性能较差的缺点。

优选的，所述步骤S300中在数据传输之前，还包括下述步骤：

S301、根据所选的路径选择当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

通过可用频谱信道的选择可以避免重新路由的风险，提高路由效率。

可选的，若S301中根据所选的路径确定的可用频谱信道均处于非空闲状态时，则等待直至空闲频谱信道出现，并将该空闲频谱信道作为可用频谱信道进行数据传输。

在这种处理方式中，在等待时，在一个实施例中，节点通过周期性扫描直至出现空闲频谱信道，这样所需的平均时延等于频谱信道各自平均占用时间的最小值。

优选的，所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

通过这种优选方式，可以在估计端到端的平均时延的过程中充分考虑路径上所有相邻节点之间的空闲频谱的数量和质量对端到端平均时延的影响。若在数据传输过程中出现主用户时，次用户可以释放正在使用的频谱资源而转向使用其他可用频谱资源，从而避免重新路由的风险，提高了路由效率。

优选的，所述S200进一步包括下述子步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+(u+(1-2^{-n})\·t)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

通过上述子步骤实现基于相邻节点的平均时延计算每条无环路径的平均时延的方式，考虑了数据传输路径的各段上相邻两个次用户的可用频谱的空闲时间特性和传输数据所需时间，并基于此进行综合理论分析，进而推导出准确的端到端的平均时延公式。基于该公式选择平均时延最小的路径，相比传统的认知无线电网络路由方式，本公开方法综合考虑了次用户可用频谱的空闲时间特性和传输数据所需时间对路由决策的影响，提高了数据投递率并降低了传输延迟。

在这里，可以假设多跳认知无线电网络中任意频谱的空闲状态的持续时间和占用状态的持续时间服从指数分布、均匀分布、正态分布，优选指数分布。当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，所述通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。在一个实施例中，为方便计算，e在计算时取值2.71828。

上述公式的正确性来自于下述数学分析：

根据公式t_k＝D/R_k，可知通过数据传输速率为R_k的频谱信道传输大小为D的数据所需的时间t_k；根据频谱的空闲状态的持续时间服从参数为λ_k的指数分布，可知从一个节点到其邻居节点只需传输数据一次就能成功的概率为：

$\begin{array}{c}{p}_k=P\[T\≥t_k\]\\ =1-F_T\left(t_k\right)\\ =1-F_T\left(D/R_k\right)\\ =e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}\end{array}$

其中，F_T(t)为频谱空闲时间分布函数，即F_T(t)＝1-e^-t/λ。

上述优选方式给出了一种度量相邻节点之间的空闲频谱信道质量的方法，为可用频谱信道选择时提供决策依据。

基于所述方法，在一个实施例中，设计了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由系统，所述系统包括源节点、目的节点；所述源节点发送路由请求消息经相邻节点广播至目的节点；所述路由请求消息用以确定其广播经过的节点构成的路径为无环路径，以及用于确定每条无环路径的平均时延；所述每条无环路径的平均时延基于相邻节点的平均时延计算；所述源节点选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

在这个实施例中，平均时延的计算在系统实现时，一种可选方式是采用各段相邻的两个节点间的平均时延的累加求和运算方法，使得所选择的路径为端到端传输的平均时延最小。另一种可选方式是在每个节点将其与前一节点之间的传输时延记录到路由请求消息中，在目的节点计算每条无环路径的端到端传输的平均时延，然后将平均时延最小的路径反馈给源节点。通过选择端到端传输的平均时延最小的路径为路由路径，避免了传统路由方法陷入局部最优而整体路由性能较差的缺点。

在一个实施例中，提供了一种更为具体的实现方式。所述系统包括源节点、目的节点、若干邻居节点、若干主用户节点以及一个公共控制信道和若干主用户频谱信道。所述源节点通过公共控制信道向周围邻居节点发送路由请求消息；某个邻居节点收到上一跳节点转发的路由请求消息后，将本节点标识加入到路由请求消息的第一字段中，所述节点标识用于确定无环路径；所述第一字段用于记录经过节点序列；该邻居节点计算源节点到本节点路径的平均时延，并将计算结果更新到第二字段中，然后继续向前广播，直至目的节点；所述第二字段用于记录经过节点的平均时延；所述目的节点在接收到路由请求消息后，计算源节点到本节点路径的平均时延，并将计算结果更新到该路由请求消息的第二字段中；所述目的节点通过比较路由请求消息的第二字段值，选择平均时延最小的路径信息构造路由回复消息，并沿着相应的路由请求消息的第一字段所记录的反向路径传输到源节点；所述源节点在收到路由回复消息后，按照所述路由回复消息中的路径进行数据传输。

由于在认知无线网络中的每个节点除了使用802.11标准提供的信道作为公共信道用于传输控制消息外，还能使用主用户当前未使用的空闲的授权信道。每个次用户节点通过配备一套具有CR功能的收发器，即可通过该收发器在所有信道上动态切换，但在任意时刻只能工作在一个信道上。

在确定无环路径时，可以通过下述方法进行判断：

将经过的节点标识添加到第一字段，通过检查该字段中的节点序列是否已经包含自身节点，来判断该节点序列构成的路径是否产生环路。若产生环路，则该节点丢弃接收到的路由请求(RouteRequest，简称RREQ)消息。

由此，一条无环路径是指从源节点到目的节点的节点序列，其中：节点序列中任意相邻的两个节点之间存在至少一条公共空闲频谱，并且节点序列中的任意节点只在节点序列中出现一次。

可通过下述方法估算上一跳节点到本节点的平均时延：

每个次用户节点(不失一般性，设为Ub)收到其他节点(不失一般性，设为Ua)发来的RREQ消息后，结合自己所检测到的当前可用空闲频谱信道，估算从Ua到Ub传输数据一次就能成功的概率。在计算所有空闲频谱传输一次成功率的基础上，次用户节点Ub按照后述公式计算从Ua到Ub不断传输数据直到成功时的平均时延

将上一跳节点到本节点的平均时延与收到的RREQ消息的第二字段进行求和并将第二字段替换为求和结果，并继续向前广播RREQ消息。当目的节点收到从源节点发出的且经过转发的RREQ消息后，目的节点首先计算上一跳节点到本节点传输数据的平均时延，然后将计算的单跳平均时延与RREQ消息中的第二字段进行求和，即可获知数据通过本次路径传输的平均时延；当存在从源节点到目的节点的多条传输路径时，目的节点将收到从其邻居节点发来的多个RREQ消息；目的节点通过简单的比较运算，就可选择平均时延最小的路径。

源节点获知平均时延最小的路径的一种方式是：目的节点将选择的路径信息构造路由回复(RoutingReply，简称RREP)消息，并沿着RREQ消息的第一字段所记录的反向路径传输到源节点。

优选的，所述路由请求消息中还包括第三字段，用于存储发送路由请求消息的节点所检测到的所有空闲频谱的数据传输率、平均空闲时长，以用于确定当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

当源节点收到从目的节点发来的RREP消息后，源节点将按照RREP消息所指定的路径传输数据。源节点首先选择RREP消息所指定的邻居节点的当前所有处于空闲状态的频谱信道中具有最大传输成功率的信道传输数据。特别地，网络中的中间节点也依据RREP消息指定的邻居节点传输数据。

优选的，所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

在数据传输过程中，如果主用户出现并且占用次用户节点正在使用的频谱信道，则次用户节点主动停止传输数据并释放正在使用的频谱信道，同时扫描其他频谱信道，并及时切换到传输成功率最大的空闲频谱信道，然后使用该频谱信道传输数据。

更优的，所述可用频谱信道在均处于非空闲状态时，则等待直至空闲频谱信道出现，并将该空闲频谱信道作为可用频谱信道进行数据传输。

优选的，所述每条无环路径的平均时延基于相邻节点的平均时延计算中的所述计算包括下述步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+(u+(1-2^{-n})\·t)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

在这里，可以假设多跳认知无线电网络中任意频谱的空闲状态的持续时间和占用状态的持续时间服从指数分布、均匀分布、正态分布，优选指数分布。而当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，所述通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。在一个实施例中，为方便计算，e在计算时取值2.71828。

下面实施例结合附图详细阐述应用本公开方法的系统。

在一个实施例中，提供了一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由系统的应用场景如图1所示。在图1中，存在8个次用户节点，分别是U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8，其中U1是源节点，U8是目的节点；存在3个主用户节点，分别是PU1，PU2，PU3；存在2个频谱信道，CH1，CH2；上述3个主用户节点均可访问这两个频谱信道；U1要传输的数据为data，其大小为D。

参照图2，所述系统采用本公开的路由方法将数据从源节点U1传输给目的节点U8。

S100、确定从源节点到目的节点的无环路径。

认知无线电网络中的每个节点除了使用802.11标准提供的信道作为公共信道用于传输控制消息外，还能使用空闲的授权信道；每个次用户节点配备一套具有CR功能的收发器，该收发器可以在所有信道上动态切换，但在任意时刻只能工作在一个信道上。

特别地，本实施例中任意频谱的空闲状态的持续时间和占用状态的持续时间都服从指数分布。

在图1所示的网络场景中，源节点通过公共控制信道，向周围邻居节点发送路由请求(RouteRequest，简称RREQ)消息；一个节点收到RREQ消息并进行处理后，继续向前广播，直到目的节点；RREQ消息的格式如图3所示，其中第三字段在这条消息中的具体名称为“上跳可用频谱元数据”，包括发送RREQ消息的节点所检测到的所有空闲频谱的数据传输率、平均空闲时长。

特别地，本公开方法所述的无环路径是指从源节点到目的节点的节点序列，其中：节点序列中任意相邻的两个节点之间存在至少一条公共空闲频谱，并且节点序列中的任意节点只在节点序列中出现一次。因此，如果一个节点收到的RREQ消息中的第一字段已经包含自身节点，则表明路径产生环路，此时，节点将丢弃此RREQ消息。如消息字段名所示，第一字段在这条消息中的具体名称为“经过节点列表”。

S200、基于相邻节点的平均时延计算每条路径的平均时延。

每个次用户节点(不失一般性，设为Ub)收到其他节点(不失一般性，设为Ua)发来的RREQ消息后，结合自己所检测到的当前可用空闲频谱信道，按照下列公式计算从Ua到Ub传输数据一次就能成功的概率：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是数学常数，e＝2.71828，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。

在计算所有空闲频谱传输一次成功率的基础上，次用户节点Ub按照以下公式计算从Ua到Ub不断传输数据直到成功时的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+(u+(1-2^{-n})\·t)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率，u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值。

在图1所示的实施例中，次用户节点U3收到邻居节点U2的RREQ消息后，检测到它们之间的公共空闲频谱信道为CH1和CH2，其占用状态的平均持续时间分别为u₁和u₂；其一次传输数据成功率分别为p₁和p₂(不失一般性，设p₁≥p₂)；其一次传输数据的所需时间分别为t₁和t₂。在频谱信道传输速率相同的前提下，通过不同信道传输相同大小的数据时所花费时间相同，令t＝t₁＝t₂，因此，在考虑主用户出现而引发等待的情况下，次用户节点U2依次通过空闲频谱信道CH1和CH2传输数据直到最终成功的概率就是路径在相邻的两个节点U2和U3传输时的平均时延。此时，依次通过空闲频谱信道CH1和CH2传输数据所引发的节点状态转移如图4所示。

在图4中，为方便说明次用户节点U2使用空闲频谱信道CH1和CH2传输数据的各种情况，根据次用户节点U2发送数据成功与否将其划分为3种状态：初始，成功和等待状态；在发送数据前处于初始状态，发送成功后处于成功状态，依次通过空闲频谱信道CH1和CH2传输数据均发送失败时处于等待状态；首先，通过空闲频谱信道CH1发送数据，此时，发送成功的概率为p₁，所需时间为t；如果发送失败，表明主用户节点在数据发送过程中出现且使用频谱信道CH1，则节点U2尝试通过空闲频谱信道CH2发送数据，从整体看，发送成功的概率为(1-p₁)·p₂，所需时间等于本次发送的所需时间t与上次通过CH1信道发送失败时的平均时间t/2的求和，结果为3t/2；如果仍然发送失败，则表明主用户节点在数据发送过程中出现且使用频谱信道CH1和CH2，此时进入等待状态，从整体上看，进入等待状态的概率为(1-p₁)·(1-p₂)，所需时间等于之前发送失败的平均时间3t/4；进入等待状态后，节点周期性扫描直至出现空闲频谱信道，重新进入初始状态，所需的平均时间等于频谱信道CH1和CH2各自的平均占用时间的最小值，即min(u₁，u₂)。

令随机变量X为次用户节点依次尝试通过空闲频谱信道CH1和CH2发送数据直至发送成功时所需的时间，随机变量Y为次用户节点首次转移到的状态，则随机变量X的期望E[X]即为次用户节点依次尝试通过空闲频谱信道CH1和CH2发送数据直至发送成功时的平均时延，满足下述方程：

E[X]＝E[X|Y＝成功]·P{Y＝成功}+E[X|Y＝等待]·P{Y＝等待}

＝t·P₁+3/2·t·(1-P₁)·P₂+(3/4·t+min(u₁，u₂)+E[X])·(1-P₁)·(1-P₂)

求解上述方程，可得

$E\[X\]=\frac{p_1\·t+(1-p_1)\·p_2\·3/2\·t+(1-p_1)\·(1-p_2)\left(\min \right(u_1,u_2)+3/4\·t)}{1-(1-p_1)\·(1-p_2)}$

特别地，在上述实施例中，次用户节点U3将计算的平均时延E[X]与收到的RREQ消息的第二字段进行求和并将第二字段替换为求和结果，将自身节点编号加入到RREQ消息的第一字段，并继续向前广播RREQ消息，这里将“经过节点平均时延”作为第二字段的具体字段名，将“经过节点列表”作为第一字段的具体字段名。

S300、选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

当目的节点收到从源节点发出的且经过转发的RREQ消息后，目的节点首先计算上一跳节点到本节点传输数据的平均时延，然后将计算的单跳平均时延与RREQ消息中的“经过节点平均时延”字段进行求和，即可获知数据通过本次路径传输的平均时延；当存在从源节点到目的节点的多条传输路径时，目的节点将收到从其邻居节点发来的多个RREQ消息；目的节点通过简单的比较运算，就可选择传输时延最小的传输路径；然后将选择的路径信息构造路由回复(RoutingReply，简称RREP)消息，并沿着RREQ消息的“经过节点列表”的反向路径传输到源节点。

进一步地，为避免重新路由的风险，提高路由效率，在进行数据传输之前，根据所选的路径确定下一跳的可用频谱。

当源节点收到从目的节点发来的RREP消息后，源节点将按照RREP消息所指定的路径传输数据。源节点首先选择RREP消息所指定的邻居节点的当前所有处于空闲状态的频谱信道中具有最大传输成功率的信道传输数据。特别地，网络中的中间节点也依据RREP消息指定的邻居节点传输数据。

如果存在可用频谱，则用所选的频谱传输数据。在数据传输过程中，如果主用户出现并且占用次用户节点正在使用的频谱信道，则次用户节点主动停止传输数据并释放正在使用的频谱信道，同时扫描其他频谱信道，并及时切换到传输成功率最大的空闲频谱信道，然后使用该频谱信道传输数据。

特别地，如果不存在可用频谱，表明当前所有的频谱信道都处于占用状态，则节点将周期性扫描频谱资源，并处于等待状态直到出现空闲频谱信道为止，然后通过空闲频谱信道传输数据。

本公开说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (10)

1.一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

S100、确定从源节点到目的节点的无环路径；

S200、基于相邻节点的平均时延计算每条无环路径的平均时延；

S300、选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述步骤S300在数据传输之前，还包括下述步骤：

S301、根据所选的路径选择当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S200进一步包括下述步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+\left(u+\left(1-2^{-n}\right)\·t\right)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，相邻两个节点间的平均时延的计算公式中p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。

6.一种基于平均时延估计的多跳认知无线电网络路由系统，其特征在于：

所述系统包括源节点、目的节点；

所述源节点发送路由请求消息经相邻节点广播至目的节点；

所述路由请求消息用以确定其广播经过节点所构成的路径为无环路径，以及用于确定每条无环路径的平均时延；

所述每条无环路径的平均时延基于相邻节点的平均时延计算；

所述源节点选择平均时延最小的路径作为路由路径进行数据传输。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：

所述路由请求消息中还存储发送路由请求消息的节点所检测到的所有空闲频谱的数据传输率、平均空闲时长，以用于确定当前节点进行数据传输的可用频谱信道。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述可用频谱信道的选择按照下一跳节点中成功传输数据的概率从大到小的顺序依次进行选择。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述计算包括下述步骤：

S201、根据以下公式计算路径上任意相邻两个节点间的平均时延

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\left(1-2^{-k}\right)\·t\·p_k\·\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Π}}\left(1-p_i\right)\]+\left(u+\left(1-2^{-n}\right)\·t\right)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}{1-\underset{k=1}{\overset{n}{\Π}}(1-p_k)}$

其中，n是两个节点间公共空闲频谱的数目，t是两个节点间通过任意频谱传输数据时所用的时间，p_k是通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率；u是所有公共频谱的占用状态的平均持续时间的最小值；

S202、将该路径上所有相邻的两个节点间的平均时延进行累加求和运算，将求和的结果作为该路径的平均时延。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当公共可用频谱的空闲状态的持续时间服从指数分布时，所述通过两个节点间的第k个公共空闲频谱成功传输数据的概率p_k的计算公式如下：

$p_k=e^{-\frac{D}{R_k\·{\mathrm{\λ}}_k}}$

其中，e是自然常数，D是数据包的大小，R_k是通过相邻两个节点间的第k个公共可用频谱传输数据时的数据传输速率；λ_k是相邻两个节点间的第k个公共可用频谱的空闲状态的持续时间所服从的指数分布的参数。