认知无线电网络中基于树的路由选择方法技术

本发明专利技术提出了一种认知无线电网络中基于频谱树的路由选择方法。在分布式自组织网络中，次要（非授权）用户根据对授权信道的感知结果，基于信道利用率最低的授权信道形成频谱树。在树的形成过程中，以多棵用户节点较少的频谱树代替一颗用户节点较多的频谱树，使众多用户节点分布于多棵树，有效降低了每棵树的根节点负载。根据形成的频谱树以及基于最小时延的路由度量标准，建立起路由以完成次要用户间的通信。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种无线网络通信
的路由选择方法，特别是一种基于树的认 知无线电路由选择方法，通过对多个授权信道的检测结果，基于选定的空闲授权信道行成 频谱树，根据频谱树和最小的时延来选择路由的方法。
技术介绍
随着无线通信业务的快速增长，可用的频谱资源变得越来越稀缺。为此，人们采用 诸如链路自适应、多天线、多用户检测等先进的无线通信技术来努力提高频谱使用效率，同 时却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性较好的较低频段的频谱利用率却很低。以美国为例，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC) 的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用得非常拥挤，而有 些授权频段则经常空闲。因此，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术 近几年受到人们的广泛关注。现有的频谱共享技术，如工业、科学和医用(Industrial Scientific and Medical, ISM)频段非授权接入、工作于3-lOGHz频段的超宽带 (Ultra-Wide Band,UffB)系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享或受 限于发送功率的短距离通信。这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通 信系统的容量和灵活性。认知无线电技术(Cognitive Radio, CR)正是针对无线通信领域 资源越来越紧缺的事实以及无线系统性能亟待提高的需求，力图从本质上解决问题而提出 的。认知无线电也称感知无线电，是近几年兴起的无线通信技术，它能够感知当前通 信环境中所有的频谱使用机会。换句话说，通过重组无线网络系统框架，使得认知无线网络 具有智能化辨识与改变频谱使用机会的能力。认知无线电从理论上说允许在时间、频率以 及空间上进行多维的频带复用，这将大大降低迫于频段和带宽而对无线技术发展所带来的 限制，与以往将特定的频率分配到特定用途上有很大不同。种种迹象表明，认知无线网络 具有极高频谱使用效率，其相关技术代表着未来发展的方向，已成为在国际上颇受关注的 研究课题。例如，美国政府对CR的研究相当重视，FCC于2003年就提出在电视频段(北美 为54-862MHz)内使用CR技术。IEEE于2004年成立802. 22工作组，专门研究在不干扰现 存电视频段的情况下如何充分利用该频段进行无线通信，制定其物理层和媒体接入控制协 议。我国对CR技术的研究比起欧美稍晚一些，因此，根据我国频谱分配和应用的特点，加速 对CR技术的研究，使我国在这方面拥有自主知识产权，对于推动我国智能化无线网络的发 展是很有意义的。在多跳的认知无线电网络中，次要用户可利用的空闲频谱是动态变化的，因此认 知无线电网络中的路由协议将面对很多挑战首先，由于次要用户可利用的空闲授权信道 会随着授权用户的使用而动态变化，因此，路由的建立需要和空闲信道的选择紧密结合起 来；其次，除了用户的移动性可能造成路由失效外，伴随着授权用户对某个空闲信道的使 用，正在使用此空闲授权信道的次要用户需要迅速放弃此授权信道，这也将导致路由的失效。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种将认知无线电网络中频谱分配和路由选择结合起来，使 非授权用户检测并利用空闲的授权频谱，旨在减少次要用户间的通信时延的基于频谱树的 路由选择方法。达到既满足次要用户能合理利用授权频谱通信，又不干扰授权用户正常使 用授权频谱的目的。本专利技术的具体步骤是第一步骤建立基于空闲信道的频谱树次要用户根据对授权信道的感知结果，基于信道利用率(即该信道被授权用户使 用的概率)最低的空闲授权信道建立频谱树。每棵频谱树对应一个空闲信道，有唯一的根 节点，根节点记录这棵树上的所有子节点用户信息。为了缓解根节点的压力，将次要用户节 点就分布在多棵频谱树上，每棵树上的子节点用户数目就会减少，根节点就只需要记录少 量的子节点用户信息。频谱树的建立是通过在公用频段交互控制信息来实现的。开始时，每个次要用户根据自身维护的授权信道状态列表，建立一个节点空闲信 道列表。这个列表记录当前的空闲信道及其利用率，以及本用户是否为根节点(以1表示 是，0表示否，开始时设定为1，即假设自己是根节点)，是否为交叉节点(以1表示是，0表 示否，开始时设定为0，即假设自己不是交叉节点)。各个用户将当前的空闲信道及其利用 率封装入“根节点发起信息”，通过传统无线接口向外广播一次。当次要用户收到其他用户 发来的“根节点发起信息”后，分两个步骤处理。步骤(一)首先将收到“信息”与自身维护的授权信道状态列表进行对比(a)如果收到的“信息”中的空闲信道总数小于自身维护的授权信道列表中的空闲 信道总数，则判断收到“信息”中的空闲信道是否均包含在自身感知到的空闲信道中是，则确认自己是交叉节点，并将对应的节点空闲信道表中的交叉节点字段置为 “1”；否，则不做处理。(b)如果收到的“信息”中的空闲信道总数不低于自身维护的授权信道列表中的空 闲信道总数，则不做处理。此步骤的目的是判断节点是否是交叉节点。本步骤完成后，进行第二个步骤。步骤(二)将收到“信息”与自身维护的节点空闲信道列表进行对比(a)如果收到“信息”中的空闲信道数小于当前节点空闲信道表中的空闲信道数， 则直接丢弃。(b)如果相等，则判断收到的“信息”中的空闲信道与节点空闲信道列表中的空闲 信道是否相同是，则对比收到的“信息”中的信道利用率与自身感知到的信道利用率如果收到 的“信息”中的信道利用率不高于自身的感知结果，则直接丢弃；如果高于自身的感知结果， 则确定自己不是根节点，将对应的根节点字段置为“0”，并将收到的“信息”填入自己的“节 点空闲信道列表”，此后再将收到的“信息”向外广播；否，则直接丢弃。(c)如果收到“信息”中的空闲信道数大于当前节点空闲信道表中的空闲信道数，则判断维护的节点空闲信道列表中的空闲信道是否均包含在发来的“信息”中是，则确定自己不是根节点，将对应的根节点字段置为“0”，并将收到的“信息”填 入自己的节点空闲信道列表，再将收到的“信息”向外广播；否，则直接丢弃。此步骤中，节点空闲信道列表将随着收到的“根节点发起信息”而发生变化，可以 有效防止当某个节点重复收到同一个“根节点发起信息”时，对周围邻居的再次广播。本步 骤的目的是判断节点是否是根节点。经过“根节点发起信息”的不断扩散，整个过程收敛完成后，感知到最大空闲信道 数或者最小信道利用率的次要用户成为初始根节点。根节点确定后，通过传统无线接口向外广播“根节点通告”。其邻居用户收到后， 认为自己是根节点的子节点，根据自身维护的授权信道状态列表，从中选择利用率最低的 信道，回应自身的标识号以及选定的信道给根节点，同时将自己的标识号以及根节点到本 节点的代价函数添加到“根节点通告”中，继续向邻居节点广播修改后的“根节点通告”。该 节点的邻居节点收到此通告后，记录此条到达根节点的路径，沿此路径向根节点回应自己 的标识号以及选定的信道，并把自己的标识号以及根节点到本节点的代价函数添加到“通 告”中，继续广播，直到所有的节点都收到通告，记录下到达根节点的路径，并将自己的标识 号回应给根节点，频谱树就形成了。在频谱树形成的过程中，可能出现下列情况(a)当一个用本文档来自技高网...

【技术保护点】
认知无线电网络中基于树的路由选择方法，其具体步骤是：第一步骤：建立基于空闲信道的频谱树次要用户根据对授权信道的感知结果，基于信道利用率最低的空闲授权信道建立频谱树。每棵频谱树占用一个空闲信道，有唯一的根节点，根节点记录这棵树上的所有子节点用户信息。在树的建立过程中，以多个根节点来发起形成多棵频谱树，这样众多节点被分布在多棵频谱树上，缓解了根节点的压力。第二步骤：选择通信路径的方法当次要用户间需要通信时，源节点发送路由请求给所在树的根节点，根节点收到路由请求后，查找目的节点所在的频谱树。将查询结果回应给源节点。源节点收到后，根据下式选择传输时延最小的路径作为通信路径。Ｄ＝＊（ｄ↓［ｉ］＋ｔ↓［ｉ］）＋ｎ□Ｄ↓［ｓｗｉｃｈ］（１）其中：Ｄ表示源节点到目的节点的总时延，ｄ↓［ｉ］表示数据包经过某条链路ｉ上的传输时延（由包长和链路速率决定），ｔ↓［ｉ］表示数据包经过某个节点转发到某条链路ｉ前的排队时延，Ｄ↓［ｓｗｉｃｈ］表示信道切换的时延，ｎ表示整条路径上信道切换的次数，ｍ表示源节点到目的节点的跳数。第三步骤：保持通信路径的方法当次要用户间的通信路径建立后，开始数据传输。如果在次要用户数据传输过程中授权用户占用信道，将发生冲突，次要用户的通信路径断裂，要立刻停止数据的传输，将转入步骤一，重新选择总时延最短的通信路径。...

【技术特征摘要】
认知无线电网络中基于树的路由选择方法，其具体步骤是第一步骤建立基于空闲信道的频谱树次要用户根据对授权信道的感知结果，基于信道利用率最低的空闲授权信道建立频谱树。每棵频谱树占用一个空闲信道，有唯一的根节点，根节点记录这棵树上的所有子节点用户信息。在树的建立过程中，以多个根节点来发起形成多棵频谱树，这样众多节点被分布在多棵频谱树上，缓解了根节点的压力。第二步骤选择通信路径的方法当次要用户间需要通信时，源节点发送路由请求给所在树的根节点，根节点收到路由请求后，查找目的节点所在的频谱树。将查询结果回应给源节点。源节点收到后，根据下式选择传输时延最小的路径作为通信路径。其中D表示源节点到目的节点的总时延，di表示数据包经过某条链路i上的传输时延(由包长和链路速率决定)，ti表示数据包经过某个节点转发到某条链路i前的排队时延，Dswich表示信道切换的时延，n表示整条路径上信道切换的次数，m表示源节点到目的节点的跳数。第三步骤保持通信路径的方法当次要用户间的通信路径建立后，开始数据传输。如果在次要用户数据传输过程中授权用户占用信道，将发生冲突，次要用户的通信路径断裂，要立刻停止数据的传输，将转入步骤一，重新选择总时延最短的通信路径。FSA00000271174700011.tif2.根据权利要求1所述的认知无线电网络中基于树的路由选择方法，其特征在于，所 述对建立基于空闲信道的频谱树的步骤1中，频谱树的建立是通过交互控制信息来实现 的。3.根据权利要求1所述的认知无线电网络中基于树的路由选择方法，其特征在于，所 述对建立基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘元安，刘凯明，翟临博，唐碧华，谢刚，高锦春，李莉，黎淑兰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]