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方案

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。

【技术实现步骤摘要】
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
本公开涉及认知无线电网络通信
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，pk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pk的计算公式如下：其中，e是自然常数，D是数据包的大小，Rk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；λk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，pk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pk的计算公式如下：其中，e是自然常数，D是数据包的大小，Rk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；λk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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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，pk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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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，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pk的计算公式如下：其中，e是自然常数，D是数据包的大小，Rk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；λk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。5.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立臣，王小明，李鹏，赵若男，惠甜甜，林亚光，刘森，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61