CN111885506B - 基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法。本发明在节点能量有限的情况下采用一个主动节点配对多个被动节点的主动信道会合方法。节点利用信道使用率和有效信道容量定义信道权值，根据信道权值生成升序列表。在每个时隙，被动节点根据自身可用信道集和升序列表寻找本地信道，并在该信道上保持监听；主动节点根据自身可用信道集和升序列表模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合。本发明实现了对优质信道的均衡使用，在节点能量有限的情况下，降低了广播时延，提高了广播成功率、节点平均剩余能量和剩余生存节点数。

Description

基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法

技术领域

本发明属于移动自组织网络的广播方法研究领域，具体涉一种基于信道权值的主动会合广播方法。

背景技术

在认知无线电自组织网络(CR Ad Hoc)中，次用户(SU)在时变的环境下以机会的方式利用主用户(PU)未使用的频段，不同的SU拥有不同的可用信道集，并且呈现动态变化。目前，广播是CR Ad Hoc网络的关键技术之一，最常用的是基于信道跳变会合的广播方法，信道会合是其重要组成部分。在基于信道跳变的会合方法中，在跳变周期内，收发节点根据预先构建的信道序列在信道上跳变。收发节点只有在某个时隙跳到同一信道上时，才实现成功会合。这种会合是被动的，且容易因为信道状态的变更而导致会合失败。

主动会合方法应运而生。该方法将节点分为被动节点和主动节点两种状态。被动节点选择本地信道并停留。当网络中有广播分组需要传递时，主动节点立即估计并切换到被动节点的本地信道进行会合。关于主动会合方法的研究目前较少，为了在节点能量有限的情况下保证广播和网络性能，提出一种CR Ad Hoc网络中基于信道权值的主动会合广播方法，在节点能量有限的情况下，实现了优质信道的均衡利用，提高了广播成功率，降低了广播时延，延长了网络寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、广播前，节点初始化信道计数器和初始能量，并在网络中随机选择一个节点作为首个主动节点，其余节点均为被动节点；

在时隙t，将需要发送广播分组的节点视为主动节点，其余节点为被动节点。

步骤二、每个时隙，节点根据信道利用率和有效信道容量计算信道权值，生成信道升序列表；

步骤三、被动节点根据可用信道集和升序列表选择本地信道并停留，主动节点根据可用信道集和升序列表模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合；

步骤四、更新信道计数器、节点能量和节点状态，若节点能量耗尽，退出网络，否则主动节点转变为被动节点，第一次接收到该广播分组的被动节点转变为主动节点。

进一步的，所述的步骤二具体如下：

使用计数器Counter＝{C₁,C₂,...,C_M}记录节点进入网络后自身的信道使用情况，C_j,j∈[1,M]表示信道j的使用次数。

采用δ_j表示在一个节点上信道j的使用率，表达式为：

假设网络总带宽为B，则每个信道的带宽为B/M，用SNR_j表示在信道j上测量到的信道信噪比，则该信道的有效信道容量EC_j为：

综合考虑信道使用频率δ_j和有效信道容量EC_j，引入信道权值w_j的计算，表达式为如下：

其中，EC_j'为归一化后的有效信道容量：

利用信道权值w_j大小生成信道升序列表；

进一步的，所述的步骤三具体如下：

被动节点利用信道升序列表进行信道的生成，直到生成的信道属于被动节点的可用信道集，将该信道记为本地信道。同理，主动节点通过主动节点可用信道集模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合。

主动节点与相邻的被动节点实现信道会合，这些相邻被动节点之间的信道情况是相近的。因此，根据信道权值w_j选择的会合信道能够实现一个主动节点配对多个被动节点，增加单跳广播效率、减少网络能耗。优先选择信道权值w_j小的信道作为会合信道，可以实现分散使用优质信道的目的。

进一步的，所述的步骤四具体如下：

(1)更新计数器

假设在时隙t，主动节点选择信道j作为会合信道，该主动节点所对应计数器的C_j＝C_j+1；同理，若被动节点所选的本地信道为j，则该被动节点对应计数器的C_j＝C_j+1。

(2)更新节点能量

广播过程中节点能量消耗的计算方式如下：

其中，E_Tx表示主动节点能耗，E_Rx表示被动节点能耗，E_elec表示发送电路和接收电路的能耗，l表示发送广播分组的比特数，d表示主动节点和被动节点间的距离，ε_fs表示模型常数。

(3)更新节点状态

主动节点在会合信道将广播分组发送给被动节点后，转化为新的被动节点；被动节点若第一次接收到该广播分组，转化为新的主动节点，并寻找与其他被动节点的会合信道。当网络中某节点能量耗尽，会自动退出网络。

本发明有益效果如下：

本发明针对现有主动会合方法的信息冗余和能耗较大问题，在节点能量有限的情况下采用一个主动节点配对多个被动节点的主动信道会合方法。节点利用信道使用率和有效信道容量定义信道权值，根据信道权值生成升序列表。在每个时隙，被动节点根据自身可用信道集和升序列表寻找本地信道，并在该信道上保持监听；主动节点根据自身可用信道集和升序列表模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合。本发明实现了对优质信道的均衡使用，在节点能量有限的情况下，降低了广播时延，提高了广播成功率、节点平均剩余能量和剩余生存节点数。

具体实施方式

下面进一步详细说明本发明的实施步骤。

一种基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法，包括如下步骤：

步骤一、广播前，节点初始化信道计数器和初始能量，并在网络中随机选择一个节点作为首个主动节点，其余节点均为被动节点；

在时隙t，将需要发送广播分组的节点视为主动节点，其余节点为被动节点。

步骤二、每个时隙，节点根据信道利用率和有效信道容量计算信道权值，生成信道升序列表；

步骤三、被动节点根据可用信道集和升序列表选择本地信道并停留，主动节点根据可用信道集和升序列表模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合；

步骤四、更新信道计数器、节点能量和节点状态，若节点能量耗尽，退出网络，否则主动节点转变为被动节点，第一次接收到该广播分组的被动节点转变为主动节点。

所述的步骤二具体如下：

使用计数器Counter＝{C₁,C₂,...,C_M}记录节点进入网络后自身的信道使用情况，C_j,j∈[1,M]表示信道j的使用次数。

采用δ_j表示在一个节点上信道j的使用率，表达式为：

优先选择信道使用率δ_j低的信道作为会合信道，防止信道出现拥塞。

假设网络总带宽为B，则每个信道的带宽为B/M，用SNR_j表示在信道j上测量到的信道信噪比，则该信道的有效信道容量EC_j为：

优先选择有效信道容量EC_j高的信道作为会合信道。

综合考虑信道使用频率δ_j和有效信道容量EC_j，引入信道权值w_j的计算，表达式为如下：

其中，

其中，EC_j'为归一化后的有效信道容量：

利用信道权值w_j大小生成信道升序列表；

进一步的，所述的步骤三具体如下：

所述的步骤三具体如下：

被动节点利用信道升序列表进行信道的生成，直到生成的信道属于被动节点的可用信道集，将该信道记为本地信道。同理，主动节点通过主动节点可用信道集模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合。

主动节点与相邻的被动节点实现信道会合，这些相邻被动节点之间的信道情况是相近的。因此，根据信道权值w_j选择的会合信道能够实现一个主动节点配对多个被动节点，增加单跳广播效率、减少网络能耗。优先选择信道权值w_j小的信道作为会合信道，可以实现分散使用优质信道的目的。

所述的步骤四具体如下：

(1)更新计数器

假设在时隙t，主动节点选择信道j作为会合信道，该主动节点所对应计数器的C_j＝C_j+1；同理，若被动节点所选的本地信道为j，则该被动节点对应计数器的C_j＝C_j+1。

(2)更新节点能量

广播过程中节点能量消耗的计算方式如下：

其中，E_Tx表示主动节点能耗，E_Rx表示被动节点能耗，E_elec表示发送电路和接收电路的能耗，l表示发送广播分组的比特数，d表示主动节点和被动节点间的距离，ε_fs表示模型常数。

(3)更新节点状态

主动节点在会合信道将广播分组发送给被动节点后，转化为新的被动节点；被动节点若第一次接收到该广播分组，转化为新的主动节点，并寻找与其他被动节点的会合信道。当网络中某节点能量耗尽，会自动退出网络。

Claims (3)

1.基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、广播前，节点初始化信道计数器和初始能量，并在网络中随机选择一个节点作为首个主动节点，其余节点均为被动节点；

在时隙t，将需要发送广播分组的节点视为主动节点，其余节点为被动节点；

步骤二、每个时隙，节点根据信道利用率和有效信道容量计算信道权值，生成信道升序列表；

步骤三、被动节点根据可用信道集和升序列表选择本地信道并停留，主动节点根据可用信道集和升序列表模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合；

步骤四、更新信道计数器、节点能量和节点状态，若节点能量耗尽，退出网络，否则主动节点转变为被动节点，第一次接收到该广播分组的被动节点转变为主动节点；

所述的步骤三具体如下：

被动节点利用信道升序列表进行信道的生成，直到生成的信道属于被动节点的可用信道集，将该信道记为本地信道；同理，主动节点通过主动节点可用信道集模拟被动节点寻找本地信道的过程来估计被动节点的本地信道，并切换到该信道实现会合；

主动节点与相邻的被动节点实现信道会合，这些相邻被动节点之间的信道情况是相近的；因此，根据信道权值w_j选择的会合信道能够实现一个主动节点配对多个被动节点，增加单跳广播效率、减少网络能耗；优先选择信道权值w_j小的信道作为会合信道，可以实现分散使用优质信道的目的。

2.根据权利要求1所述的基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法，其特征在于，进一步的，所述的步骤二具体如下：

使用计数器Counter＝{C₁,C₂,...,C_M}记录节点进入网络后自身的信道使用情况，C_j,j∈[1,M]表示信道j的使用次数；

采用δ_j表示在一个节点上信道j的使用率，表达式为：

假设网络总带宽为B，则每个信道的带宽为B/M，用SNR_j表示在信道j上测量到的信道信噪比，则该信道的有效信道容量EC_j为：

综合考虑信道使用频率δ_j和有效信道容量EC_j，引入信道权值w_j的计算，表达式为如下：

其中，EC_j'为归一化后的有效信道容量：

利用信道权值w_j大小生成信道升序列表。

3.根据权利要求2所述的基于信道权值的CR Ad Hoc网络主动会合广播方法，其特征在于，进一步的，所述的步骤四具体如下：

(1)更新计数器；

假设在时隙t，主动节点选择信道j作为会合信道，该主动节点所对应计数器的C_j＝C_j+1；同理，若被动节点所选的本地信道为j，则该被动节点对应计数器的C_j＝C_j+1；

(2)更新节点能量；

广播过程中节点能量消耗的计算方式如下：

其中，E_Tx表示主动节点能耗，E_Rx表示被动节点能耗，E_elec表示发送电路和接收电路的能耗，l表示发送广播分组的比特数，d表示主动节点和被动节点间的距离，ε_fs表示模型常数；

(3)更新节点状态；

主动节点在会合信道将广播分组发送给被动节点后，转化为新的被动节点；被动节点若第一次接收到该广播分组，转化为新的主动节点，并寻找与其他被动节点的会合信道；当网络中某节点能量耗尽，会自动退出网络。