CN107018548B - 基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法 - Google Patents

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Abstract

基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，采用扩散频谱感知算法快速发现空闲可用信道，通过路由发现得到最初竞争节点集并对其进行优先级排序，选择最优的中继节点进行数据包传输，竞争节点集优化时综合考虑了节点的投递率，剩余能量和两节点间的距离，以构建高效、稳定、可靠的路由策略，提高频谱利用率。本发明有益效果：本发明与已有的认知无线网络路由协议相比，在平均时延、平均能耗和平均吞吐量上都有明显的优势。

Description

基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地说是基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法。
背景技术
近几十年以来，无线通信技术得到巨大的发展，从广播、收音机、电视到移动电话，再到现在随处可见的无线通信应用，使得人们对无线频谱资源的需求日益增加。而且无线频谱资源与土地、矿藏、草原、水等实体资源一样是不可再生资源，因此如何在有效的无线频谱资源条件下提高频谱的利用率，从而减轻目前逐渐激化的无线电业务需求和稀少的频谱资源二者之间的矛盾，是现如今无线电领域研究的核心技术。一种被称为认知无线电(Cognitive Radio，CR)的全新的动态频谱利用技术正受到广泛的关注，被视为最具发展潜力的无线通信技术之一，成为当前通信领域的一个研究热点。它的基本思想是：在不对拥有频谱的授权用户产生有害干扰的前提下，认知用户通过择机的方式接入授权用户频段，以提高频谱利用效率。应用这种技术的网络称为认知无线网络(Cognitive Radio Networks，CRN)，不仅具有传统无线网络特性，也具备其特有的频谱异构和时变性。认知无线网络下，由于频谱环境不断的变化，网络拓扑变化比传统的分布式无线网络更为剧烈。所以传统网络的常用的主动式(active)路由和按需式(on-demand)路由已不再适合于这种新型的网络，必须对其加以改进。
目前，对于认知无线网络的路由协议，已经形成了一些具有代表性的路由方法。文献“J Zhang,L Qi,H.Zhu.Optimization of MAC Frame Structure for OpportunisticSpectrum Access[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(6):2036-2045”中每个认知节点以节点的干扰温度来确定各自的可用频谱集，结合每跳的路由链路成本以及端到端的度量标准决定最佳路径。链路以较小的信道传输时延和较小的信道切换成本来选择信道。在文献“J.Zhang,F.Zheng,X.Gao,H.Zhu.Which Is Better forOpportunistic Spectrum Access:The Duration-Fixed or Duration-Variable MACFrame？[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(1):198-208”和“L.Ding,T.Melodia,S.N.Batalama,J.D.Matyjas,M.J.Medley.Cross-layer routing anddynamic spectrum allocation in cognitive radio ad hoc networks[J].IEEE TransVeh Technol,2010,59(4):1969-79”中，文章提出的动态MAC层的帧结构是由感知时隙、信道切换时隙以及数据传输时隙组成的，通过优化感知时隙以及传输时隙和对帧长度的动态调整，达到频谱感知质量和吞吐量之间的折中，忽略了节点间的协同频谱感知。根据文献“O.S.Badarneh,H.B.Salameh.Opportunistic routing in cognitive radio networks:exploiting spectrum availability and rich channel diversity[C].IEEE GlobalTelecommunications Conference(GLOBECOM),IEEE,2011:1-5”中提出的新的路由协议——跨层路由和动态频谱分配策略(Routing and Spectrum Allocation algorithm，ROSA)，此方法综合考虑了频谱利用率、频谱空穴和授权用户的活动，按照频谱利用率的大小进行频谱分配，主要的路由性能参数为网络吞吐量、公平度索引、频谱利用率以及平均延迟。文献“袁志勇.认知无线电网络中频谱分配与路由联合优化方法的研究[D].重庆邮电大学,2013”设计的机会路由协议，结合了授权用户活动概率模型和认知节点的频谱感知，路由吞吐量度量采用认知节点对频谱的可利用时间以及需求时间。但是，上述这些研究结果主要集中于网络信道的选择与分配，仅考虑路由的有限度量，而没有较全面考虑网络频谱感知条件、授权用户的活动模型、信道的异构特性以及射频环境的影响，也没有考虑将协同频谱感知技术应用于路由策略中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，充分发挥多信道的优势，提高认知无线网络路由发现和建立的机会，提高频谱的利用率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，包括以下步骤：
步骤一、每个认知节点采用扩散频谱感知算法与其各个认知邻节点通过迭代实现检测信息的融合，得到最终的检测判决，确定授权用户是否存在，若判决出所感知的信道处于空闲状态，则将此信道信息记录在自己的空闲信道集中，该信道信息包括信道带宽、信道信噪比和信道的可用概率，接着感知下一个信道，直到得到所有信道的状态信息；
步骤二、路由发现过程：根据步骤一得到的所有信道的状态信息，每个认知节点找到可能的合适路径，保存合适的下一跳路由信息，这些路由信息形成初始竞争节点集；
步骤三、认知节点针对步骤二中得到的初始竞争节点集进行优化，计算每个初始竞争节点的权重值，然后将这些初始竞争节点按照权重值的大小从大到小排列；
步骤四、数据包的传输：通过以上步骤，每个认知节点都有自己的路径路由信息以及空闲信道信息，需要传输数据包的认知节点即发送节点在自己的竞争节点集中选取合适的竞争节点作为数据包的中继节点，发送节点与中继节点之间传输成功后，该中继节点变成新的发送节点继续选择下一跳竞争节点进行数据包的传输，直到数据包到达目的节点。
优选的，所述步骤一中认知节点采用扩散频谱感知算法判断所感知的信道是否处于空闲状态的具体方法为：
(1)认知用户i分别独立地对信号进行L次本地检测得到自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)；
(2)k时刻认知用户i利用自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)与其邻节点检测量对认知用户i的扩散作用
Figure GDA0002425630260000031
进行数据融合，获得估计值
Figure GDA0002425630260000032
其中
Figure GDA0002425630260000033
表示节点i接受节点j信息的权重，即节点i对节点j的信任度，j∈Ni,k，即属于节点i在k时刻的邻节点集；
(3)判决
Figure GDA0002425630260000034
其中λ为判决门限，H＝0表示频谱空闲，此时信道可用，H＝1表示频谱繁忙，此时信道不可用。
优选的，所述步骤二中每个认知节点形成自己的初始竞争节点集的具体方法为：认知节点向网络种进行洪泛广播HELLO包，该HELLO包内附加了该认知节点的剩余能量信息、上一跳链路的投递率、位置信息以及空闲信道信息；每个邻节点接收到HELLO包后检测自己之前是否接收过，如果之前已经接收过，则丢弃该HELLO包，如果之前没有接收过，则提取该HELLO包内附加的信息，生成或者更新下一跳路径的路由信息，直到网络中的每个认知节点都生成相应的路由表，该路由表包括了多个不同下一跳节点的路由信息，构成该认知节点的初始竞争节点集。
优选的，所述步骤三中计算每个初始竞争节点权重值的方法为：
WEIGHTi＝(1-α)Ei·Pi-α·di
其中，α表示在0与1之间的因子，Ei表示竞争节点i的剩余能量，Pi表示竞争节点i与发送节点之间的投递率，di表示竞争节点i与发送节点之间的位置距离。
优选的，所述步骤四中需要传输数据包的认知节点选择中继节点的方法为：首先，需要传输数据包的认知节点即发送节点在公共控制信道上广播一个路由请求信息RREQ，同时启动一个定时器Timer，等待下游邻居节点的路由响应消息RRSP；当下游邻居节点接收到RREQ后，提取RREQ内的竞争节点集优先级列表信息，并检测自身节点是否是其中一员，如果不是则丢弃RREQ信息，如果是，则根据自己的优先级位置决定延时的时间Tdelay，在延时结束后，该节点根据自己的可用信道列表信息，再结合RREQ内的可用信道信息，从中随机选取信道可用概率最高的信道用于两节点之间的通信，并把这一信道信息附加在RRSP内回复；如果发送节点接收到RRSP后，则发送节点确定了数据传输的中继节点，继而广播路由确定消息RDEQ通知其他低优先级的竞争节点不再需要回复RRSP；低优先级的竞争节点在接收到RDEQ后，则不再继续延时等待回复RRSP，而是保持初始状态等待其他的数据传输；如果定时器Timer到期发送节点还没有收到RRSP表示没有合适的候选节点，就会重复进行广播RREQ；
一个成功的RREQ-RRSP握手协议后，可用来数据传输的链路即确定了；接着数据传输的中继节点在回复完RRSP后，接口切换到所确定的数据信道上，等待数据包的到达；发送节点在广播完RDEQ后，接口也切换到所确定的数据信道上进行数据包的发送；当发送节点在数据信道上接收到确认包时即完成了一跳数据包的传输，这样的过程持续进行直到数据包最终到达目的节点。
本发明的有益效果是：本发明提出的机会路由协议同时完成了路由层、MAC层以及物理层该完成的事情，采用扩散频谱感知算法快速发现空闲可用信道，通过路由发现得到最初竞争节点集并对其进行优先级排序，选择最优的中继节点进行数据包传输；竞争节点集优化时综合考虑了节点的投递率，剩余能量和两节点间的距离，以构建高效、稳定、可靠的路由策略，提高频谱利用率；本发明所提出的方案与已有的认知无线网络路由协议相比，在平均时延、平均能耗和平均吞吐量上都有明显的优势。
附图说明
图1为本发明空闲频谱感知过程流程图；
图2为简单的网络拓扑结构；
图3为数据包传输过程流程图；
图4为仿真网络拓扑图；
图5为网络节点密度与平均时延的仿真关系图；
图6为网络节点密度与平均能耗的仿真关系图；
图7为网络节点密度与平均吞吐量的仿真关系图。
具体实施方式
基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，包括以下步骤：
步骤一、每个认知节点采用扩散频谱感知算法与其各个认知邻节点通过迭代实现检测信息的融合，得到最终的检测判决，确定授权用户是否存在，若判决出所感知的信道处于空闲状态，则将此信道信息记录在自己的空闲信道集中，包括信道带宽、信道信噪比和信道的可用概率，接着感知下一个信道，直到得到所有信道的状态信息；
步骤二、路由发现过程：每个认知节点找到可能的合适路径，保存合适的下一跳路由信息，这些路由信息形成初始竞争节点集；
步骤三、认知节点针对步骤二中得到的初始竞争节点集进行优化，计算每个初始竞争节点的权重值，然后将这些初始竞争节点按照权重值的大小从大到小排列；
步骤四、数据包的传输：通过以上步骤，每个认知节点都有自己的路径路由信息以及空闲信道信息，需要传输数据包的认知节点(简称发送节点)在自己的竞争节点集中选取合适的竞争节点作为数据包的中继节点，发送节点与中继节点之间传输成功后，该中继节点变成新的发送节点继续选择下一跳竞争节点进行数据包的传输，直到数据包到达目的节点。
进一步，所述步骤一中认知节点采用扩散频谱感知算法判断所感知的信道是否处于空闲状态的具体方法为：
(1)认知用户i分别独立地对信号进行L次本地检测得到自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)；
(2)k时刻认知用户i利用自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)与其邻节点检测量对认知用户i的扩散作用
Figure GDA0002425630260000061
进行数据融合，获得估计值
Figure GDA0002425630260000062
其中
Figure GDA0002425630260000063
表示节点i接受节点j信息的权重，即节点i对节点j的信任度，j∈Ni,k，即属于节点i在k时刻的邻节点集；
(3)判决
Figure GDA0002425630260000064
其中λ为判决门限，H＝0表示频谱空闲，此时信道可用，H＝1表示频谱繁忙，此时信道不可用。
进一步，所述步骤二中每个认知节点形成自己的初始竞争节点集的具体方法为：认知节点向网络种进行洪泛广播HELLO包，该HELLO包内附加了该认知节点的剩余能量信息、上一跳链路的投递率、位置信息以及空闲信道信息；每个邻节点接收到HELLO包后检测自己之前是否接收过，如果之前已经接收过，则丢弃该HELLO包，如果之前没有接收过，则提取该HELLO包内附加的信息，生成或者更新下一跳路径的路由信息，直到网络中的每个认知节点都生成相应的路由表，该路由表包括了多个不同下一跳节点的路由信息，构成该认知节点的初始竞争节点集。
进一步，所述步骤三中计算每个初始竞争节点权重值的方法为：
WEIGHTi＝(1-α)Ei·Pi-α·di
其中，α表示在0与1之间的因子，Ei表示竞争节点i的剩余能量，Pi表示竞争节点i与发送节点之间的投递率，di表示竞争节点i与发送节点之间的位置距离。
进一步，所述步骤四中需要传输数据包的认知节点选择中继节点的方法为：首先，需要传输数据包的认知节点即发送节点在公共控制信道上广播一个路由请求信息RREQ，同时启动一个定时器Timer，等待下游邻居节点的路由响应消息RRSP；当下游邻居节点接收到RREQ后，提取RREQ内的竞争节点集优先级列表信息，并检测自身节点是否是其中一员，如果不是则丢弃RREQ信息，如果是，则根据自己的优先级位置决定延时的时间Tdelay，在延时结束后，该节点根据自己的可用信道列表信息，再结合RREQ内的可用信道信息，从中随机选取信道可用概率最高的信道用于两节点之间的通信，并把这一信道信息附加在RRSP内回复；如果发送节点接收到RRSP后，则发送节点确定了数据传输的中继节点，继而广播路由确定消息RDEQ通知其他低优先级的竞争节点不再需要回复RRSP；低优先级的竞争节点在接收到RDEQ后，则不再继续延时等待回复RRSP，而是保持初始状态等待其他的数据传输；如果定时器Timer到期发送节点还没有收到RRSP表示没有合适的候选节点，就会重复进行广播RREQ；
一个成功的RREQ-RRSP握手协议后，可用来数据传输的链路即确定了；接着数据传输的中继节点在回复完RRSP后，接口切换到所确定的数据信道上，等待数据包的到达；发送节点在广播完RDEQ后，接口也切换到所确定的数据信道上进行数据包的发送；当发送节点在数据信道上接收到确认包时即完成了一跳数据包的传输，这样的过程持续进行直到数据包最终到达目的节点。
采用MATLAB对本发明提出的基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议(简称DMSS-OCRP)进行仿真，分别通过平均时延、平均能耗和平均吞吐量对该机会路由协议的性能进行分析和评估。
仿真参数设置
仿真拓扑图如图4所示，节点均匀分布在500m×500m的矩形平面区域中，在MAC层采用CSMA/CA机制。假设网络中有一条恒定速率的业务流，发送节点和目的节点分别位于网络区域的两个对角。网络中有9条数据信道和一个公共控制信道。我们设计两个相互间隔的定时器来模拟主用户的行为，假设初始状态下认知节点的接口都在控制信道上。仿真参数的设置如表1。
表1仿真参数设置
Figure GDA0002425630260000071
Figure GDA0002425630260000081
仿真结果及性能分析
与本发明协议作对比的是基于平均一致性频谱感知方法的路由协议MSPR，它是采用分布式方法，对网络中每个用户接受的能量进行一致化处理，再进行判决空闲信道，然后进行路由路径选择传输数据。
1.网络节点密度与平均时延的关系
仿真环境中源节点与目的节点确定，业务流速率恒定，因此网络中认知节点的数量会对源节点到目的节点的平均时延和平均能耗以及吞吐量带来影响。从图5可以看出，采用本发明DMSS-OCRP得到的平均时延明显小于采用MSPR得到的平均时延，而且随着节点数目的增多，这种变化更明显，这种现象产生的原因是平均一致性频谱感知方法需要多次进行频谱之间的信息交换，增加了路由发现时间，并且迭代达到全网一致，实时性差。同时，可以观察到在网络区域大小以及认知节点通信半径固定的情况下，网络的平均时延随着网络认知节点的增加而增大，这是因为随着认知节点个数增加，整个网络规模变大。发送节点需要对自己的竞争节点集进行优先级排序，节点数量越多，发送节点需要遍历的次数就越多，所用的时间就会变长。第三，我们发现在认知节点数量一定的情况下，随着网络通信半径的增大，平均时延呈现下降趋势，这主要是由于发送节点在通信可达条件下可以选择更远的优先级高的邻节点作为下一跳中继节点，从而到达目的节点所用的跳数减少，平均时延自然会降低。
2.网络节点密度与平均能耗的关系
路由协议设计的目标是降低节点的能量消耗，保证网络能量均衡使用，因此能量问题是认知无线网络有待解决的关键问题。从图6可以看出，采用本发明DMSS-OCRP得到的平均能耗比采用MSPR得到的平均能耗小，是因为平均一致性频谱感知需要交换更多的控制信息，浪费了能量。同时，可以观察到在网络区域大小和认知节点通信半径固定的情况下，网络认知节点数越多，从源节点到目的节点所消耗的能量越大，这是因为随着认知节点数量的增加，在信道感知过程和路由发现过程中节点之间交换的控制消息就越多，所以在整个传输过程中消耗的能量就越多。第三，我们发现在认知节点数量一定的情况下，平均能耗随着网络通信半径的增大逐渐降低，尤其是在通信半径从40增加到60的过程中，这种变化更明显。这是因为通信半径越大，从源节点到目的节点的跳数就会减少，发送和接收数据包的次数就会减少，消耗的能量自然就降低。第四，通信半径从60到80变化的过程中，能量减少的速度不如从40到60变化的过程，这是由于节点跳数比较多时，发送数据包和接收数据包耗能占主要的，因此能量增长的比较快，通信半径越大，控制包与数据包比例下降，能量增长的较慢。
3.网络节点密度与平均吞吐量的关系
吞吐量是由所接收从源节点到目的节点的数据包大小总和除以传输数据包所花费的时间得到的。从图7可以看出，采用本发明DMSS-OCRP得到的平均吞吐量比采用MSPR得到的平均吞吐量有所提高，是因为要获得相同的数据包大小，采用平均一致性频谱感知需要花费更多的时延，降低了吞吐量。同时，可以观察到在网络区域大小和认知节点通信半径固定的情况下，由于认知节点数增加，平均时延在增加，网络中平均吞吐量也在随着节点数量的增加而逐渐降低。这是因为认知节点增多会导致竞争节点集变大，节点之间需要的交换控制信息就会浪费大量的时间，导致时延变长。但是这种趋势随着节点的增多逐渐降低，这是因为竞争节点集的增大，可以使得节点可以选择信道可用概率更高的节点作为下一跳中继节点。第二，我们可以发现，在认知节点数量一定的情况下，节点通信半径越大，网络平均吞吐量就会变大，这是由于通信半径变大，整条路径的跳数就会变小，路径损失相对减少，吞吐量自然就会增加。但是这种增加也是有限度的，竞争节点集节点数也会随着通信半径的增大而增多，节点之间进行控制消息互换也会浪费时间，导致吞吐量下降。

Claims (3)

1.基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、每个认知节点采用扩散频谱感知算法与其各个认知邻节点通过迭代实现检测信息的融合，得到最终的检测判决，确定授权用户是否存在，若判决出所感知的信道处于空闲状态，则将此信道信息记录在自己的空闲信道集中，该信道信息包括信道带宽、信道信噪比和信道的可用概率，接着感知下一个信道，直到得到所有信道的状态信息；认知节点采用扩散频谱感知算法判断所感知的信道是否处于空闲状态的具体方法为：
(1)认知用户i分别独立地对信号进行L次本地检测得到自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)；
(2)k时刻认知用户i利用自身观测的检测量(yi,1,yi,2,yi,3,...,yi,L)与其邻节点检测量对认知用户i的扩散作用
Figure FDA0002425630250000011
进行数据融合，获得估计值
Figure FDA0002425630250000012
其中
Figure FDA0002425630250000013
表示节点i接受节点j信息的权重，即节点i对节点j的信任度，j∈Ni,k，即属于节点i在k时刻的邻节点集，yj表示j节点的自身观测检测量，yj,l表示j节点的第l次检测得到的检测值，
Figure FDA0002425630250000014
表示节点i接受节点i信息的权重，即节点i对节点i的信任度，yi,l表示i节点的第l次检测得到的检测值；
(3)判决
Figure FDA0002425630250000015
其中λ为判决门限，H＝0表示频谱空闲，此时信道可用，H＝1表示频谱繁忙，此时信道不可用；
步骤二、路由发现过程：根据步骤一得到的所有信道的状态信息，每个认知节点找到可能的合适路径，保存合适的下一跳路由信息，这些路由信息形成初始竞争节点集；
步骤三、认知节点针对步骤二中得到的初始竞争节点集进行优化，计算每个初始竞争节点的权重值，然后将这些初始竞争节点按照权重值的大小从大到小排列；计算每个初始竞争节点权重值的方法为：
WEIGHTi＝(1-α)Ei·Pi-α·di
其中，α表示在0与1之间的因子，Ei表示竞争节点i的剩余能量，Pi表示竞争节点i与发送节点的认知节点之间的投递率，di表示竞争节点i与发送节点之间的位置距离；
步骤四、数据包的传输：通过以上步骤，每个认知节点都有自己的路径路由信息以及空闲信道信息，需要传输数据包的认知节点即发送节点在自己的竞争节点集中选取合适的竞争节点作为数据包的中继节点，发送节点与中继节点之间传输成功后，该中继节点变成新的发送节点继续选择下一跳竞争节点进行数据包的传输，直到数据包到达目的节点。
2.根据权利要求1所述的基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，其特征在于：所述步骤二中每个认知节点形成自己的初始竞争节点集的具体方法为：认知节点向网络种进行洪泛广播HELLO包，该HELLO包内附加了该认知节点的剩余能量信息、上一跳链路的投递率、位置信息以及空闲信道信息；每个邻节点接收到HELLO包后检测自己之前是否接收过，如果之前已经接收过，则丢弃该HELLO包，如果之前没有接收过，则提取该HELLO包内附加的信息，生成或者更新下一跳路径的路由信息，直到网络中的每个认知节点都生成相应的路由表，该路由表包括了多个不同下一跳节点的路由信息，构成该认知节点的初始竞争节点集。
3.根据权利要求1所述的基于频谱感知的认知无线网络机会路由协议的实现方法，其特征在于：所述步骤四中发送节点选择中继节点的方法为：首先，发送节点在公共控制信道上广播一个路由请求信息RREQ，同时启动一个定时器Timer，等待下游邻居节点的路由响应消息RRSP；当下游邻居节点接收到RREQ后，提取RREQ内的竞争节点集优先级列表信息，并检测自身节点是否是其中一员，如果不是则丢弃RREQ信息，如果是，则根据自己的优先级位置决定延时的时间Tdelay，在延时结束后，该节点根据自己的可用信道列表信息，再结合RREQ内的可用信道信息，从中随机选取信道可用概率最高的信道用于两节点之间的通信，并把这一信道信息附加在RRSP内回复；如果发送节点接收到RRSP后，则发送节点确定了数据传输的中继节点，继而广播路由确定消息RDEQ通知其他低优先级的竞争节点不再需要回复RRSP；低优先级的竞争节点在接收到RDEQ后，则不再继续延时等待回复RRSP，而是保持初始状态等待其他的数据传输；如果定时器Timer到期发送节点还没有收到RRSP表示没有合适的候选节点，就会重复进行广播RREQ；
一个成功的RREQ-RRSP握手协议后，可用来数据传输的链路即确定了；接着数据传输的中继节点在回复完RRSP后，接口切换到所确定的数据信道上，等待数据包的到达；发送节点在广播完RDEQ后，接口也切换到所确定的数据信道上进行数据包的发送；当发送节点在数据信道上接收到确认包时即完成了一跳数据包的传输，这样的过程持续进行直到数据包最终到达目的节点。
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