一种基于频谱感知的机会认知路由的方法技术

一种基于频谱感知的机会认知路由的方法，首先，构建了基于DCSS频谱感知理论的路由发现模型，联合考虑了频谱感知、链路可用性和最短路径因素，建立认知无线Ad hoc网络空间上可达、频域上连通的有效路由；其次，提出下一跳前传节点，最优信道和路径的选择方法，以满足认知无线Ad hoc网络路由稳定性目标；最后，给出了评估路由路径质量的有关度量数学闭合表达式，如链路可用性概率、中断概率、路由接入概率，期望链路延迟和端到端路径平均传输延迟，并给出相关推导证明。有效避免了现有技术中针对多信道多跳认知无线Ad hoc网络还没有较为成熟的方案来提供稳定、高效的路由的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频谱感知的机会认知路由的方法
本专利技术涉及认知无线电
，具体涉及一种基于频谱感知的机会认知路由的方法。
技术介绍
认知无线电研究是随着人们认识的不断深化渐次展开的，早期主要集中在研究物理层(PHY)和媒体访问控制子层(MAC)中，如何进行频谱感知、频谱接入和频谱共享的探讨上，而由于频谱动态接入带来的节点可用信道随时间和空间变化的特性，使得认知无线网络路由问题呈现出不同于传统无线网络的特点，路由研究成为认知无线网络研究的一个重要方面。与传统无线网络相比较，认知无线自组织网络(CognitiveRadioAdHocNetworks,CRAHNs)能够利用认知无线电动态频谱接入和频谱分集的特性对频谱资源进行机会再利用以提高网络的容量，满足了目前用户高带宽频谱应用的需求，同时避免了给授权用户带来有害干扰。但是，由于授权用户再次利用频谱在时间、空间和频谱上的不确定性，当授权用户突然工作时，认知用户必须及时腾空所占用信道，切换到其它可用信道或中断当前的数据传输才能够保证不给授权用户带来有害干扰。因此，认知用户在不干扰授权用户正常使用频谱的同时，又要满足自身对频谱及路由质量的需求面临着许多问题及挑战，特别是多跳通信CRAHNs。认知无线Adhoc网络路由所面临的技术挑战明显不同于传统无线网络路由，它实际上可归结为两个主要挑战：选择适合的可用频谱(信道)和路由路径，这两个问题相辅相成，不可分割，频谱的空闲可用性决定着路径的选择，路径的选择同时又影响着可用频谱的分配，因此，认知无线Adhoc网络的机会路由协议就变得相当复杂。在认知无线Adhoc网络中，除了因主用户活动，可用信道分集和异构信道等因素所产生的动态特性之外，复杂的无线射频环境也会给路由的建立及维护带来严重影响，比如：阴影衰落和隐藏终端等问题的存在。为了充分挖掘认知无线Adhoc网络的潜能，对认知无线Adhoc网络路由策略的研究已经涌现很多学术成果。在一些文献中，提出了频谱感知路由策略，将信道分配与路由建立相结合以提高网络的性能。在一些文献中根据频谱可用性对路由链路稳定性进行了研究。在一些文献中主要考虑射频环境感知，即感知主用户隐藏终端和暴露终端问题对路由稳定性的影响，提出了建立稳定路由表的路由维护策略。而一些文献中采用跨层的思想，将底层参数的选择融合到路由过程，旨在最小化认知无线网络频谱资源的使用。一些文献中综合考虑了频谱可用性、频谱感知条件、信道选择优化、链路容量，主用户接收机的保护等多个重要路由度量，提出了路由建立与维护的机制。有些文献的作者还提出了基于延迟和能量的频谱感知路由协议，根据路径延迟和各跳认知节点能量来选择一条有效的路由。在某些文献中，所提路由算法综合考虑路由和信道选择策略，旨在最大化网络吞吐量，数据包传输速率和提高带宽可用性。另外有些文献研究了路由和信道选择策略以提高路由的健壮性和最大化端到端吞吐量，该研究基于认知节点对主用户的干扰定义鲁棒性，通过最小化认知节点对主用户的干扰来提升鲁棒性。在某些文献中，提出了一个跨层路由和动态频谱分配策略(ROutingandSpectrumAllocationalgorithm，ROSA)，此策略考虑了频谱利用率和频谱空穴及主用户的活动，根据频谱利用率进行频谱分配，将吞吐量、公平度索引、网络频谱利用率和平均延迟作为路由性能参数。在一些文献中，提出一个关于延迟敏感度的路由协议，此协议将排队和传输延迟作为路由度量，旨在评估系统端到端的延迟和包丢失率，虽有考虑PUs的活动，但没考虑频谱条件的动态性。即使研究了机会路由，考虑了主用户活动模型和频谱感知，将频谱可利用时间和认知节点需求时间作为路由度量来评估路由吞吐量。也介绍了跨层路由和信道选择联合设计的路由协议，即备份信道和协作信道切换(BackupChannelandCooperativeChannelSwitching，BCCCS)，此协议依据AODV协议，将资源消耗和路由稳定性作为路由度量来评估系统连通性，虽有考虑频谱的变化条件，但没有建模PUs活动。另一些文献研究了多射频多信道认知无线电网络中的频谱感知动态信道选择策略，考虑了频谱感知和PUs活动模型，依据PUs未占用信道、最小化对PUs干扰、最大化SUs间的连通性和最小化SUs间的干扰来分配信道，以使路由更稳定，存在时间更长。然而，上述这些成果主要集中于信道的选择与分配，或仅考虑路由的有限度量，没有较全面考虑频谱感知条件、PUs活动模型、信道的异构性以及射频环境，上述成果也没有考虑将协同频谱感知技术应用于路由策略中。因此，如何将协同频谱感知技术拓展到认知路由协议中仍是一个开放课题，特别是针对多信道多跳认知无线Adhoc网络还没有较为成熟的方案来提供稳定、高效的路由。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于频谱感知的机会认知路由的方法，避免了现有技术中针对多信道多跳认知无线Adhoc网络还没有较为成熟的方案来提供稳定、高效的路由的缺陷。为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于频谱感知的机会认知路由的方法的解决方案，具体如下：一种基于频谱感知的机会认知路由的方法，具体方式如下:首先设置一个分布式多信道多跳认知无线Adhoc网络，在所述认知无线Adhoc网络中共存有不同类型的主用户PUs与认知节点SUs，所述认知无线Adhoc网络的授权频谱被分成N个正交频带，主用户PUs与认知节点SUs共享这N个正交频带，一个授权频带授权给一个主用户PU，N为正整数，认知节点SUs配有两种类型的射频信道：一种射频信道为数据信道，可在N信道上进行数据传输；另一种射频信道为公共控制信道，所述公共控制信道用于信息交换；所述认知无线Adhoc网络模型G(t)定义为公式(1)所示：G(t)＝(U,L(t),P)(1)模型中的顶点Ui∈U，Ui表示第i个认知路由节点，U表示认知路由节点的集合，当Ui＝SRi时，SRi∈U，SRi表示第i个感知中继节点，每个认知路由节点都有N个频带；lij(t)∈L(t)，lij(t)表示在时刻t时从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路,L(t)为所述路由链路的集合，i,j∈{1,2,...,Ns},i<j，Ns＝|U|，Ns为认知路由节点总数，每个从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路的可用概率描述为pij，pij∈P，P为所述可用概率的集合，i、j、Ns和N均为正整数，所述可用概率表示在这个链路上主用户没有活动的概率，设定每个认知节点在一个频带上至多受一个主用户活动的干扰，主用户的活动模型为ON-OFF模型，其平均活动间隔时间E[Ton]与平均空闲间隔时间E[Toff]分别服从参数为λon和λoff的指数分布，所述λon和λoff分别表示主用户在ON时和主用户在OFF时平均时间对应的指数分布参数，并且所述活动模型在每个信道的占用时间内独立同分布；设定认知节点SUs是异构的，其工作时间帧结构是周期为T的动态可变时分多址接入时隙，所述工作时间帧可同时在多个非连续频带上同时传输以满足宽带需求，第i个主用户PU标识为PUi，所述PUi也是异构的，所述PUi亦有不同的传输范围和不同的信道占用概率和平均活动时间；接着在DCSS-OCR中，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，具体方式如下:首先设置一个分布式多信道多跳认知无线Ad hoc网络，在所述认知无线Ad hoc网络中共存有不同类型的主用户PUs与认知节点SUs，所述认知无线Ad hoc网络的授权频谱被分成N个正交频带，主用户PUs与认知节点SUs共享这N个正交频带，一个授权频带授权给一个主用户PU，N为正整数，认知节点SUs配有两种类型的射频信道：一种射频信道为数据信道，可在N信道上进行数据传输；另一种射频信道为公共控制信道，所述公共控制信道用于信息交换；所述认知无线Ad hoc网络模型G(t)定义为公式(1)所示：G(t)＝(U,L(t),P)          (1)模型中的顶点Ui∈U，Ui表示第i个认知路由节点，U表示认知路由节点的集合，当Ui＝SRi时，SRi∈U，SRi表示第i个感知中继节点，每个认知路由节点都有N个频带；lij(t)∈L(t)，lij(t)表示在时刻t时从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路,L(t)为所述路由链路的集合，i,j∈{1,2,...,Ns},i<j，Ns＝|U|，Ns为认知路由节点总数，每个从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路的可用概率描述为pij，pij∈P，P为所述可用概率的集合，i、j、Ns和N均为正整数，所述可用概率表示在这个链路上主用户没有活动的概率，设定每个认知节点在一个频带上至多受一个主用户活动的干扰，主用户的活动模型为ON‑OFF模型，其平均活动间隔时间E[Ton]与平均空闲间隔时间E[Toff]分别服从参数为λon和λoff的指数分布，所述λon和λoff分别表示主用户在ON时和主用户在OFF时对应的时间均值指数分布参数，并且所述活动模型在每个信道的占用时间内独立同分布；设定认知节点SUs是异构的，其工作时间帧结构是周期为T的动态可变时分多址接入时隙，所述工作时间帧可同时在多个非连续频带上同时传输以满足宽带需求，第i个主用户PU标识为PUi，所述PUi也是异构的，所述PUi亦有不同的传输范围和不同的信道占用概率和平均活动时间；接着在DCSS‑OCR中，利用双次协同频谱感知方法判别是否有空闲可用频带以执行路由机制实现的三个阶段：路由发现、路由选择和路由反馈，成功建立路由进行数据前传。...

【技术特征摘要】
1.一种基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，具体方式如下:首先设置一个分布式多信道多跳认知无线Adhoc网络，在所述认知无线Adhoc网络中共存有不同类型的主用户PUs与认知节点SUs，所述认知无线Adhoc网络的授权频谱被分成N个正交频带，主用户PUs与认知节点SUs共享这N个正交频带，一个授权频带授权给一个主用户PU，N为正整数，认知节点SUs配有两种类型的射频信道：一种射频信道为数据信道，可在N信道上进行数据传输；另一种射频信道为公共控制信道，所述公共控制信道用于信息交换；所述认知无线Adhoc网络模型G(t)定义为公式(1)所示：G(t)＝(U,L(t),P)(1)模型中的顶点Ui∈U，Ui表示第i个认知路由节点，U表示认知路由节点的集合，当Ui＝SRi时，SRi∈U，SRi表示第i个感知中继节点，每个认知路由节点都有N个频带；lij(t)∈L(t)，lij(t)表示在时刻t时从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路,L(t)为所述路由链路的集合，i,j∈{1,2,...,Ns},i&lt;j，Ns＝|U|，Ns为认知路由节点总数，每个从第i个认知节点Ui到第j个认知节点Uj的路由链路的可用概率描述为pij，pij∈P，P为所述可用概率的集合，i、j、Ns和N均为正整数，所述可用概率表示在这个链路上主用户没有活动的概率，设定每个认知节点在一个频带上至多受一个主用户活动的干扰，主用户的活动模型为ON-OFF模型，其平均活动间隔时间E[Ton]与平均空闲间隔时间E[Toff]分别服从参数为λon和λoff的指数分布，所述λon和λoff分别表示主用户在ON时和主用户在OFF时对应的时间均值指数分布参数，并且所述活动模型在每个信道的占用时间内独立同分布；设定认知节点SUs是异构的，其工作时间帧结构是周期为T的动态可变时分多址接入时隙，所述工作时间帧可同时在多个非连续频带上同时传输以满足宽带需求，第i个主用户PU标识为PUi，所述PUi也是异构的，所述PUi亦有不同的传输范围和不同的信道占用概率和平均活动时间；接着在DCSS-OCR中，利用双次协同频谱感知方法判别是否有空闲可用频带以执行路由机制实现的三个阶段：路由发现、路由选择和路由反馈，成功建立路由进行数据前传。2.根据权利要求1所述的基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，在所述利用双次协同频谱感知方法判别是否有空闲可用频带以执行路由机制实现的路由发现阶段，每个认知节点需要进行三个操作过程，所述三个操作过程分别为：空闲信道感知、下一跳节点选择和最优信道选择这样的三个操作过程；在空闲信道感知过程中，所述认知源节点或认知发送节点利用双次协同频谱感知方法与相邻的最佳感知中继节点来协同搜寻一个空闲的未被主用户占用的信道；在进行频谱感知前，认知发送节点首先在公共控制信道广播一个Hello消息给所要感知数据信道上的相邻认知节点，该Hello消息中包含发送节点的位置信息及目的节点的位置信息，所述Hello消息在CCC信道上的传输服从IEEE802.11MAC中的载波侦听多路访问/冲突避免机制，根据接收到的Hello消息，相邻所述认知路由节点将所要感知的数据信道设为非允许接入信道以使其他认知节点在频谱感知期间不要占用，可以减少认知节点间的同频干扰；根据Hello消息中的位置信息，相邻认知路由节点评估自己是否符合候选前传节点条件，符合条件的候选前传节点会协同发送节点进行信道感知和下一跳前传节点的选择，当信道被感知是空闲时，发送节点会和候选前传节点启动一个握手协议进入下一跳节点的选择过程。否则，发送节点不得不另选一个信道，重新进行信道感知；在下一跳节点选择过程中，当信道被感知是空闲的，所述认知发送节点在所感知的数据信道先广播一个路由请求信息给下一跳的候选前传节点，所述候选前传节点会根据发送节点指定的优先权序号应答路由响应消息，如果候选前传节点有更大的链路吞吐量、更大的前传距离增益或更高的链路可用率，则会有更高的优先权；所述候选前选节点保持监听数据信道，直至听到一个RRSP或当退避时间为零时发送一个RRSP；所述认知发送节点选择优先权最高的应答候选节点作为下一跳路由节点；如果没有收到RRSP消息表示没有合适的候选节点，就会重复信道感知与下一跳路由节点的选择过程；一个成功的RREQ-RRSP握手协议后，认知发送节点计算链路可用概率，进入最优信道选择过程；在最优信道选择过程中，所述认知发送节点将计算的链路可用概率，加入空闲可用信道集，并依据链路的可用概率大小进行优先排序，具有最大链路的可用概率的信道将被选择进行数据传输。3.根据权利要求1所述的基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，在路由选择阶段，所述认知无线Adhoc网络的目的节点执行最优路由路径的选择决策，对于目的节点，一旦所述目的节点收到多个路由请求包RREQ后，就可以进行路由决策；所述目的节点比较各条路由链路的可用概率及稳定性，建立多条可达路由路径；然后，所述目的节点将路径接入概率最高并且各条链路的可用概率均匀分布的路径作为全局最优路径，由此建立优先权最高的路径ID；将路径接入概率最高或路径上最小的链路可用概率在所有路径的最小链路的可用概率中最大的路径作为局部最优路径，建立优先权次之的路径ID；依此类推，将多条可达路径按优先权高低建立路径ID。4.根据权利要求1所述的基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，在路由反馈阶段，所述目的节点单播一个路由应答消息给认知源节点；该RREP消息中包括被选择的路径信息从路径相反的方向发送，以告知被选择路径上的节点所在路径对应的目的节点，路径ID，下一跳节点以及所使用信道；当认知源节点收到RREP后，开始利用这条路由路径进行通信。5.根据权利要求1所述的基于频谱感知的机会认知路由的方法，其特征在于，所述空闲信道感知的具体方式如下：所述主用户PUs对授权信道m的占用可等效为ON-OFF开关模型，当频谱处于开启ON状态时，表示该频谱正被某个主用户PU所占用；而当频谱处于关闭OFF状态时，则表示该频谱未被主用户PU占用，此时，认知用户SUs可以接入该频段进行通信；ON-OFF时间均值和分别服从参数为和的指数分布，那么，主用户PU占用授权信道m的先验概率可表示为公式(2)：那么认知节点SUs可以利用授权信道m的先验占用率可表示为：信道当前状态可以根据信道状态周期及感知历史信息来估计，用Sm(t)表示授权信道m在时刻t所处的状态，那么授权信道m处于ON状态的概率可表示为公式(4)：式中“1”对应ON，“0”对应OFF，Hm∈{0,1}表示在时刻t-Δtm时的观察结果，那么第i个...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔翠梅，汪一鸣，金石，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32