認知無線電系統中一種基于多信道的反應式路由方法

專利名稱：認知無線電系統中一種基于多信道的反應式路由方法
技術領域：
本發明涉及一種特別用于基于認知無線電技術的自組織網絡中認知用戶尋找路 由的實現方案，屬于通信技術領域。
背景技術：
由于無線通信業務需求的快速增長，可用頻譜資源變得越來越稀缺，如何共同 有效地利用那些空閑頻譜成為眾多學者研究的熱點。FCC (the Federal Communications Commission)在2003年底的發布了關于認知無線電技術及其應用 的政策制訂提案，指出目前分配的頻段的利用率是從15%-85%不等，某些頻帶如移 動手機網絡的頻帶是超負荷的，但諸如電視頻段等一些信號傳播特性比較好的低頻 段頻譜的利用率卻極低，并且頻譜利用率在不同的空間和時間段也是不同的。有限 的可用頻譜及頻譜的低利用率等問題使得一種全新的、靈活使用頻譜的無線通信技 術變得十分必要。因此，研究者一致認為基于認知無線電技術的動態頻譜接入 (Dynamic Spectrum Access)是解決目前頻譜低效利用的有效技術。
認知無線電(CR: Cognitive Radio)作為一種更智能的頻譜共享技術，能夠依 靠人工智能的支持，感知無線通信環境，根據一定的學習和決策算法，實時自適應 地改變系統工作參數，動態地檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻 率以及空間上進行多維的頻譜復用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術發展 的束縛。因此，CR也稱為頻譜捷變無線電、機會頻譜接入無線電等，這一技術也 被預言為未來最熱門的無線技術。
認知無線電技術在許多領域都可以得到利用，尤其是在分布式Ad Hoc網絡中 將會得到廣泛應用。對于基于認知無線電的Ad Hoc網絡，因為其開放式頻譜和動 態頻譜接入的特性，傳統的路由協議已無法滿足此類網絡對動態路由的需求，因此 需要設計新的路由選擇算法。
AdHoc網絡是一種特殊的無線移動通信網絡，它是由無線移動節點組成的、具 有任意和臨時性網絡拓撲的動態自組織網絡系統。其主要特點有獨立組網，無需 依賴于任何預先假設的網絡設施，網絡節點可以快速、自動地組成一個獨立的網絡； 無中心自組織，所有的節點地位平等，任何節點的意外情況不會影響整個網絡的存 在與運行，各節點根據約定的準則調節自己的行為；多跳路由，當節點需要同覆蓋 范圍之外的節點進行通信時，就需要借助其他節點的轉接來完成；動態拓撲，這是 由網絡中的節點可以隨時移動，以及可以隨時加入或離開網絡所決定的；安全性差，由于每個節點可以作為終端或轉接節點，因此更加容易收到入侵或竊聽等惡意破壞 行為。在有線網絡無法使用時，使用AdHoc網絡快速組建起的自組織網能提供通信 和信息的接入，從而保證了該環境下的通信，AdHoc網絡廣泛地應用于軍事通信、 應急通信等領域。
在多信道的無線多跳網絡中，有效地使用多信道，允許多個傳輸同時發生，不 僅可以提高網絡的吞吐量，還可以減少傳輸數據過程中為競爭信道而增加的等待時 延，降低網絡擁塞和沖突碰撞。由于AdHoc網絡中現有的路由協議基本都是基于最 短距離路由，在單信道網絡中可以有效的選擇路由，但是由于沒有考慮網絡中可用 信道的多樣性，因此這類協議在多信道無線網絡的性能就無法得到保障。
在多信道Ad Hoc認知網絡中，可以結合認知無線電中的學習和決策算法，讓 每個網絡節點都具有學習能力，根據網絡的當前狀況，動態地選擇合適的信道和路 由，進一步提高網絡性能。在Ad Hoc網絡中引入CR技術對路由協議也帶來了一 些影響，傳統的路由指標如跳數、擁塞等作為路由選擇的依據已不夠充分，所以需 要引入新的路由指標，如信道切換次數、信道切換頻率等。另外， 一般的多跳AdHoc 網絡在發送分組時需要預先確定通信路由，采用CR技術后，因來自周圍無線系統 的干擾波動較大，需要不斷地更改路由，因此Ad Hoc認知網絡中，路由技術非常 關鍵的技術。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種認知無線電AdHoc網絡中基于最短路徑分
布式算法的多信道路由方法，該方法以盡量減少路由中信道切換為目的，針對按需 路由協議，在路由發現的過程中攜帶節點的可用信道信息，通過"決策節點"為路 由中的每一跳分配信道。
技術方案本發明以盡量減少路由中信道切換為目的，基于按需路由協議，將 路由選擇同信道分配結合在一起，實現了自組織認知網絡中路由的發現。
AODV (Ad-hocOn-Demand Distance Vector Algorithm)采用了廣播式路由發現 機制，依賴于中間節點建立和維護的動態路由表，而不是通過路由發現分組中攜帶 路由信息。
AODV的路由發現過程由反向路由的建立和前向路由的建立兩部分組成反向 路由指從目的節點到源節點的路由，用于將路由相應分組送回至源節點。反向路由 是源節點在廣播路由請求分組的過程中建立起來的；前向路由是指從源節點到目的 節點方向的路由，用于數據分組的傳送，前向路由是在節點回送路由響應分組的過 程中建立起來的。
自組織認知網絡中基于多信道的反應式路由方法以盡量減少路由中信道切換為 目的，針對按需路由協議，在路由發現的過程中攜帶節點的可用信道信息，通過決策節點為路由中的每一跳分配信道，該方法包括
a. 源節點在有數據要發送時，首先偵聽控制信道的忙閑狀況，在控制信道空閑 時廣播一個路由請求分組，分組中包括著源節點的可用信道表，同時信道切換次數
ChanHandoff和確認信道Chan—Conf的值都初始化為0。
b. 收到該路由請求分組的節點，將其中的可用信道表中最近一個節點的可用信 道集合同自身維護的信道使用表進行比較，來決定是丟棄還是繼續轉發該分組
bl.如果路由請求分組的可用信道表中最近一個節點的可用信道集合與節點自身 維護的信道使用表中的可用信道集合交集為空時，該節點將丟棄該路由請求分組；
b2.如果只有一個共同信道，說明轉發節點只能選擇該信道同其上游節點建立通 信，那么該節點將記錄下這一信道，并寫入到路由請求分組的確認信道Chan一Conf 單元中，回復路由應答分組的時候再將該信道的信息通知給其在反向路由中的下游 節點，然后節點用自己的信道使用列表中的可用信道信息重置分組中的可用信道表， 并繼續轉發該分組，由于該轉發節點能夠決定其在反向路由中下游節點的使用信道， 因此稱之為"決策節點"；
b3.如果有兩個共同信道，那么由于該節點無法確定哪個信道作為同上一跳節點 的通信信道，因此僅僅把自己的可用信道信息作為一個集合添加到可用信道表中， 然后繼續轉發該分組；
c. 收到路由請求分組的節點如果發現Chan—Conf單元的值不為0，也就獲知了 上一跳節點為決策節點，分組中可用信道表的值僅僅是上游節點的可用信道集合， 如果該節點無法選擇前面所選擇的信道，并且節點自身的信道使用表與可用信道表 中最近一個節點的可用信道集合的交集不為空，就將分組中ChanHandoff的值加1， 表示在該節點處將會進行一次信道切換，再將自己的可用信道信息添加到可用信道 表后繼續轉發該分組；
d. 目的節點收到路由請求分組后，首先查看分組中Chan—Conf單元的信息，如 果不為空，說明上一跳節點為決策節點，只要選擇一個與該決策節點共同的可用信 道即可；如果上一跳節點不是"決策節點"，目的節點將根據自己維護的信道使用表， 同路由請求分組可用信道表中的可用信道集合取交集，確定通信信道。
本發明為OLCH-AODV (On-Least Channel Handoff-AODV)路由方法，它的目 的是盡量減少路由中信道切換，因為在20MHz-3GHz的頻譜范圍內，收發器的工作 頻段每改變10MHz通常會帶來10ms的時延，因此在信道切換較多的情況下，由此 帶來的網絡時延也是很可觀的。
傳統的路由協議選擇路由的原則是最短路由，而由于OLCH-AODV算法的目標 是減少路由中的信道切換時延，因此它們首先考慮的是信道切換次數，在具有相同 切換次數的情況下，再考慮最短路由。
OLCH-AODV協議的基本原理是在路由建立的過程中， 一條路由上的節點在避
5免沖突的同時盡量選擇同一個信道，路由分組中記錄著節點的可用信道信息，收到 分組的節點根據該信息選擇信道，并將自身維護的可用信道集合加入到分組中。
OLCH-AODV算法只為活動節點分配信道，也就是活躍路由中的節點才會被分 配信道，而非活動節點由于沒有發送或接收任務不會被分配信道，以便節省網絡資 源。網絡中的每個節點維護一個信道使用列表CUL (Channel Usage List),記錄著 周圍節點占用信道的信息，列表的大小由網絡中的信道數決定。非活動節點在沒有 發送或接收業務的時候，偵聽網絡中信道占用的信息，并隨時更新其維護的CUL 列表。OLCH-AODV協議的路由請求分組(RREQ)除了包含必要的目的節點地址、 路由記錄以及請求ID等路由信息外，還增加了三種與信道分配有關的信息單元 信道切換次數ChanHandoff、可用信道列表Chan—Avail—List以及確認信道 Chan_Conf，其中可用信道列表Chan_Avail—List記錄著路由中節點的可用信道集合。 路由應答分組(RREP)除了包含必要的跳數、目的序列號、源IP和目的IP等單元 外，還增加了分配信道單元ChanAlct。
在這里引入了 "決策節點"的概念在路由發現過程中可以決定上游節點所使 用信道的節點，引入"決策節點"主要是用來減少路由請求分組以及路由應答分組 中的控制信息開銷。
在建立反向路由的過程中，節點會維護一個ACTIVE-ROUTE-TIMEOUT變量， 只有在該時間內建立起了前向路由，反向路由才有效，否則即使收到了路由應答分 組，也將予以丟棄，已經選擇的信道也將會被釋放。目的節點還會根據路由請求分 組中ChanHandoff的值以及路由的跳數，來決定選擇哪條路由。在回復的RREP分 組中，記錄著各節點使用信道的信息，如果目的節點是"決策節點"，將會把分配的 信道信息寫入ChanAlct單元中，通知給下游節點；如果不是，那么目的節點僅僅把 自己選擇的信道寫入ChanAlct單元中，通知下游的節點。在傳遞RREP分組的過程 中，"決策節點"將會用事先分配好的信道序列重置ChanAlct單元。
有益效果本發明提供一種認知無線電AdHoc網絡中基于最短路徑分布式算法 的多信道路由方法，該方法以盡量減少路由中信道切換為目的，針對按需路由協議， 在路由發現的過程中攜帶節點的可用信道信息，通過"決策節點"為路由中的每一 跳分配信道。該路由方法將路由選擇同信道分配結合在一起，減少了沖突的發生， 大大提高了系統的吞吐量，本發明簡單實用，可以在多信道小型分布式認知網絡中 得到廣泛的應用。


圖1網絡拓撲圖。
圖2節點A-G之間的路由建立過程。
具體實施例方式
基于盡量減少路由中信道切換的目的OLCH-AODV (On-Least Channel Handoff-AODV)，主要是針對反應式路由協議。
傳統的路由協議選擇路由的原則是最短路由，而由于OLCH-AODV算法的目標 是減少路由中的信道切換時延，因此它們首先考慮的是信道切換次數，在具有相同 切換次數的情況下，再考慮最短路由。 一條路徑上的傳輸時延可以用以下方式進行 計算
其中，d和s分別代表路由的跳數以及信道切換次數，^。p表示每一跳的傳輸時延， f^表示信道切換所需要的時間。因此，為了減少時延，在選擇路由的時候應首先考 慮信道切換次數，盡量選擇需要較少切換次數的路由。
假設網絡中存在一個公共控制信道，用于傳輸控制信息，每個網絡節點都配置 兩個接口， 一個綁定在控制信道上，另一個可以在數據信道之間進行切換。如果網 絡中出現了授權用戶需要使用頻段，那么可以通過控制信道廣播一個占用分組，通 知周圍節點該主用戶將要使用的頻段范圍，使用該頻段的次用戶將會立即放棄繼續 使用，并重新尋找路由。
OLCH-AODV協議的基本原理是在路由建立的過程中， 一條路由上的節點在避 免沖突的同時盡量選擇同一個信道，路由分組中記錄著節點的可用信道信息，收到 分組的節點根據該信息選擇信道，并將自身維護的可用信道集合加入到分組中。
OLCH-AODV算法只為活動節點分配信道，也就是活躍路由中的節點才會被分 配信道，而非活動節點由于沒有發送或接收任務不會被分配信道，以便節省網絡資 源。網絡中的每個節點維護一個信道使用列表CUL (Channel Usage List)，記錄著 周圍節點占用信道的信息，列表的大小由網絡中的信道數決定。非活動節點在沒有 發送或接收業務的時候，偵聽網絡中信道的使用信息，并隨時更新其維護的CUL 列表。OLCH-AODV協議的路由請求分組(RREQ)除了包含必要的路由信息外， 還增加了三種與信道分配有關的信息信道切換次數ChanHandoff、可用信道列表 Chan—Avail—List以及確認信道Chan—Conf，其中可用信道列表Chan—Avail_List記錄 著路由中節點的可用信道集合，路由應答分組(RREP)中增加了分配信道單元 ChanAlct。
在這里引入了 "決策節點"的概念在路由發現過程中可以決定上游節點的使 用信道的節點，引入"決策節點"主要是用來減少路由請求分組以及路由應答分組 中的控制信息開銷。
路由發現機制
(1)源節點在有數據要發送時，首先偵聽控制信道的忙閑狀況，在控制信道空 閑時將會廣播一個RREQ分組，分組中記錄著源節點的可用信道信息，同時信道切
7換次數ChanHandoff和確認信道Chan—Conf的值都初始化為0。
(2) 收到該RREQ分組的節點，將Chan—Avail—List中最近一個節點的可用信道 集合C4丄,同自身維護的CUL進行比較，其中C4丄,表示節點i的可用信道集合，來 決定是丟棄還是繼續轉發該分組
1) 如果Chan—Avail—List中最近一個節點的可用信道集合與CUL中的可 用信道集合交集為空時，該節點將丟棄該路由請求分組。
2) 如果只有一個共同信道，說明轉發節點只能選擇該信道同其上游節點 建立通信，那么該節點將記錄下這一信道，并寫入到路由請求分組Chan—Conf單元 中，回復RREP分組的時候再將該信道的信息通知給其在反向路由中的下游節點； 然后節點用自己CUL列表中的可用信道信息重置分組中的Chan—Avail—List值，并 繼續轉發該分組，由于該轉發節點能夠決定其在反向路由中下游節點的使用信道， 因此稱之為"決策節點"。
3) 如果有兩個共同信道，那么由于該節點無法確定哪個信道作為同上一 跳節點的通信信道，因此僅僅把自己的可用信道信息作為一個集合添加到 Chan—Avail—List單元中，然后繼續轉發該分組。
(3) 收到路由請求分組的節點如果發現Chan—Conf單元的值不為O，也就獲知 了上一跳節點為"決策節點"，分組中Chan—Avail_List的值僅僅是上游節點的可用 信道集合，如果該節點無法選擇Chan_Conf中的信道，并且CUL與Chan—Avail—List 單元中最近一個節點的可用信道集合的交集不為空，就將分組中ChanHandoff的值 加1,表示在該節點處將會進行一次信道切換，再將自己的可用信道信息添加到 Chan—Avail—List單元后繼續轉發該分組。
(4) 目的節點收到路由請求分組后，首先查看分組中Chan_C0nf單元的信息， 如果不為空，說明上一跳節點為"決策節點"，只要選擇一個與該"決策節點"共同 的可用信道即可，如果上一跳節點不是"決策節點"，目的節點將根據自己維護的 CUL列表，同Chan—Avail一List單元中的可用信道集合取交集，確定通信信道。
在建立反向路由的過程中，節點會維護一個ACTIVE-ROUTE-TIMEOUT變量， 只有在該時間內建立起了前向路由，反向路由才有效，否則即使收到了路由應答分 組也將予以丟棄，已經選擇的信道也將會被釋放。目的節點還會根據路由請求分組 中ChanHandoff的值以及路由的跳數，來權衡決定選擇哪條路由。在回復的RREP 分組中，記錄著各節點使用信道的信息，如果目的節點是"決策節點"，將會把分配 的信道信息寫入ChanAlct單元中，通知給下游節點；如果不是，那么目的節點僅僅 將自己選擇的信道寫入ChanAlct單元中，通知下游的節點。在傳遞RREP分組的過 程中，"決策節點"將會用事先分配好的信道序列重置ChanAlct單元。
下面以具體的例子來分析OLCH-AODV路由算法的路由發現及路由相應過程。 如圖1所示，假設網絡中共有四個可用信道chl， ch2， ch3， ch4。其中chl為公共控制信道，用于傳輸路由發現和路由應答信息，也可用于系統廣播，每個節點在 當前時刻的可用信道己在圖中給出。 路由發現過程
(1) 節點A有數據要發送到節點G，首先偵聽公共控制信道，當控制信道空閑
時廣播一個RREQ分組，分組中的Chan—Avail_List單元初始化為源節點的 可用信道集合C4丄。^ch2， ch3}， ChanHandoff和Chan—Conf的值均初始化 為0。
(2) 節點C收到RREQ分組后，查看本身維護的CUL列表中可用信道的集合 C4Zc={ch2， ch3}，由于C4^ D C4Z。= {ch2， ch3}，包含兩個共同信道， 因此將集合C4￡e添加到Chan—Avail—List單元中，ChanHandoff和Chan—Conf 的值不變，然后繼續轉發該分組。
(3) 節點E收至lj RREQ分組后查看CUL，得到C4A-(ch2， ch4},與 Chan_Avail—List單元中最近一個節點的可用信道集合C4i^的交集為&h2}， 僅有一個共同可用信道，此時E成為一個"決策節點"，它可以在路由發現 的過程中決定自己同節點C之間的通信信道，節點E用C4^的值重置 Chan—Avail—List單元，并將Chan_Conf的值更新為ch2，然后繼續轉發RREQ 分組。
(4) 節點F接收到RREQ分組后，由于C4丄,門C44= {ch4}，僅有一個共同信 道，因此F也為一個"決策節點"，它確定了自己同上一跳節點E之間的通 信信道為ch4，由于Chan一Conf的值為ch2，因此該路由在節點E處將進行 一次信道切換，ChanHandoff的值加1， Chan—Conf的值更新為ch4， Chan—Avail—List單元的值更新為GIL, = {ch3， ch4}。
(5) 目的節點G收到RREQ分組后，由于04^0 041,= {ch3， ch4}，包含兩 個信道，因此可以隨意選擇ch3或者ch4作為與節點F之間的通信信道， 但從Chan_Conf單元的值得知，節點F與其上一跳節點之間的通信信道為 ch4，為了減少切換開銷，G將會選擇ch4作為與F之間的通信信道。
在正向路由建立的過程中，也就是轉發目的節點G發送的RREP分組的過程中， 所有的"決策節點"都會將確認的信道寫入到分組的ChanAlct單元，通知給下一跳 節點。如節點E收到該RREP分組時，除了獲知節點F為其正向路由中的下一跳節 點，與自己的通信信道為ch4，而且將會把自己確定的與節點C之間通信的信道ch2 通過該分組告訴節點C。節點C收到該路由應答分組后，也獲知其與節點E之間的 通信信道為ch2，為了減少信道切換帶來的開銷，節點C也會同樣選擇ch2作為與 源節點A之間的通信信道。至此，源節點A與目的節點G之間在建立了路由的同 時，也完成了路由中各節點的信道分配。
權利要求
1、一種自組織認知網絡中基于多信道的反應式路由方法，其特征在于該方法包括a.源節點在有數據要發送時，首先偵聽控制信道的忙閑狀況，在控制信道空閑時廣播一個路由請求分組，分組中包括著源節點的可用信道表，同時信道切換次數ChanHandoff和確認信道Chan_Conf的值都初始化為0。b.收到該路由請求分組的節點，將其中的可用信道表中最近一個節點的可用信道集合同自身維護的信道使用表進行比較，來決定是丟棄還是繼續轉發該分組b1.如果路由請求分組的可用信道表中最近一個節點的可用信道集合與節點自身維護的信道使用表中的可用信道集合交集為空時，該節點將丟棄該路由請求分組；b2.如果只有一個共同信道，說明轉發節點只能選擇該信道同其上游節點建立通信，那么該節點將記錄下這一信道，并寫入到路由請求分組的確認信道Chan_Conf單元中，回復路由應答分組的時候再將該信道的信息通知給其在反向路由中的下游節點，然后節點用自己的信道使用列表中的可用信道信息重置分組中的可用信道表，并繼續轉發該分組，由于該轉發節點能夠決定其在反向路由中下游節點的使用信道，因此稱之為“決策節點”；b3.如果有兩個共同信道，那么由于該節點無法確定哪個信道作為同上一跳節點的通信信道，因此僅僅把自己的可用信道信息作為一個集合添加到可用信道表中，然后繼續轉發該分組；c.收到路由請求分組的節點如果發現Chan_Conf單元的值不為0，也就獲知了上一跳節點為決策節點，分組中可用信道表的值僅僅是上游節點的可用信道集合，如果該節點無法選擇前面所選擇的信道，并且節點自身的信道使用表與可用信道表中最近一個節點的可用信道集合的交集不為空，就將分組中ChanHandoff的值加1，表示在該節點處將會進行一次信道切換，再將自己的可用信道信息添加到可用信道表后繼續轉發該分組；d.目的節點收到路由請求分組后，首先查看分組中Chan_Conf單元的信息，如果不為空，說明上一跳節點為決策節點，只要選擇一個與該決策節點共同的可用信道即可；如果上一跳節點不是“決策節點”，目的節點將根據自己維護的信道使用表，同路由請求分組可用信道表中的可用信道集合取交集，確定通信信道。
全文摘要
認知無線電系統中一種基于多信道的反應式路由方法涉及一種特別用于基于認知無線電技術的自組織網絡中認知用戶尋找路由的實現方法，該方法在路由建立的過程中，一條路由上的節點在避免沖突的同時盡量選擇同一個信道，路由分組中記錄著節點的可用信道信息，收到分組的節點根據該信息選擇信道，并將自身維護的可用信道集合加入到分組中。該方法以盡量減少路由中信道切換為目的，針對按需路由協議，在路由發現的過程中攜帶節點的可用信道信息，通過決策節點為路由中的每一跳分配信道。該路由方法將路由選擇同信道分配結合在一起，減少了沖突的發生，大大提高了系統的吞吐量，本發明簡單實用，可以在多信道小型分布式認知網絡中得到廣泛的應用。
文檔編號H04W84/18GK101674634SQ20091003619
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月14日 優先權日2009年10月14日
發明者琦 朱, 晉 謝 申請人:南京郵電大學