认知无线电系统中一种基于频谱效用的协同路由方法

摘要

本发明是一种认知无线电系统中一种基于频谱效用的协同路由方法，该方法在路由的建立过程中，一条路由上的节点在避免冲突的同时应考虑链路频谱效用，路由请求分组中记录着节点的可用信道信息，收到分组的节点回送一个路由应答分组，根据路由应答分组中的消息单元可以知道链路的频谱效用值，通过比较频谱效用值来选择下一跳节点以及相应的信道。该方法以减短路由路径和提高频谱效用为目的，在路由发现过程中携带节点的可用信道信息，通过频谱效用值选择下一跳节点以及相应的信道。该路由方法将路由选择及信道选择同频谱效用结合在一起，利用覆盖网络和交叉网络两种网络来协同路由，减少了冲突的发生，大大提高了系统的吞吐量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于基于认知无线电技术的自组织网络中认知用户寻找路由的实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

传统的无线通信系统采用的是静态频谱分配策略，即授权用户对其分配的频谱有独占性，其他用户不能使用。虽然这种频谱分配方式有利于保证系统的服务质量，但是由于通信业务在地域、时域、频域上的不均衡性，使频谱资源没有得充分的利用。FCC大量研究报告表明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权的频段占用拥挤，而有些授权频带则经常是空闲状态。由于无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺，因此急需一种全新的的、优化使用频谱资源的无线通信技术。而动态频谱接入（Dynamic SpectrumAccess,DSA）技术是解决目前频谱低效利用的有效技术。

认知无线电（CR：Cognitive Radio）认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrumallocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。在认知无线电系统中认知用户有两种工作方式：频谱交叉（Overlay）方式和频谱重叠（Underlay）方式。当认知用户工作方式是频谱交叉（Overlay）方式时，即认知用户可以通过检测频谱资源寻找频谱空洞，从而接入到该空洞，但当主用户出现在该频段上时，认知用户应当立刻给主用户腾出频段。认知用户与主用户使用的频段互不重叠。当认知用户工作方式是频谱重叠（Underlay）方式时，即只要认知用户对主用户的干扰低于一定门限值时，认知用户就可以接入到已经授权给主用户的频段。在Underlay方式的认知无线电系统中，认知用户总可以通过调整发射功率使干扰小于门限值，从而可以接入到授权给主用户的频段。

认知无线电技术在许多领域都可以得到利用，尤其是在分布式AdHoc网络中将会得到广泛应用。对于基于认知无线电的Ad Hoc网络，因为其开放式频谱和动态频谱接入的特性，传统的路由协议已无法满足此类网络对动态路由的需求，因此需要设计新的路由算法。

AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，网络中的节点均由移动主机构成。其主要特点有：独立组网，在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络；动态拓扑，这是由网络中的节点可以随时移动，以及可以随时加入或离开网络所决定的；无线通信带宽有限，由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多，除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值；多跳路由，当节点需要同覆盖范围之外的节点进行通信时，就需要借助其他节点的转接来完成；安全性差，由于每个节点可以作为终端或转接节点，因此更加容易收到入侵或窃听等恶意破坏行为。在有线网络无法使用时，使用AdHoc网络快速组建起的自组织网能提供通信和信息的接入，从而保证了该环境下的通信，Ad Hoc网络广泛地应用于军事通信、应急通信等领域。

在多信道的无线多跳网络中，有效地使用多信道，允许多个传输同时发生，不仅可以提高网络的吞吐量，还可以减少传输数据过程中为竞争信道而增加的等待时延，降低网络拥塞和冲突碰撞。由于Ad Hoc网络中现有的路由协议基本都是基于最短距离路由，在单信道网络中可以有效的选择路由，但是由于没有考虑网络中可用信道的多样性，因此这类协议在多信道无线网络的性能就无法得到保障。

在多信道AdHoc认知网络中，可以结合认知无线电中的学习和决策算法，让每个网络节点都具有学习能力，根据网络的当前状况，动态地选择合适的信道和路由，进一步提高网络性能。在Ad Hoc网络中引入CR技术对路由协议也带来了一些影响，传统的路由指标如跳数、拥塞等作为路由选择的依据已不够充分，所以需要引入新的路由指标，如信道切换次数、信道切换频率等。另外，一般的多跳Ad Hoc网络在发送分组时需要预先确定通信路由，采用CR技术后，因来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断地更改路由，因此Ad Hoc认知网络中，路由技术非常关键的技术。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种认知无线电系统中基于频谱效用的路由方法，该方法利用了频谱交叉(Overlay)方式路由和频谱重叠(Underlay)方式路由的协作进行协同路由，降低了端对端路由的复杂度，能增加路由效率，并且提高了频谱的利用效率。

技术方案：本发明为基于频谱效用的协同路由方法，它的目的是利用频谱交叉(Overlay)方式路由和频谱重叠(Underlay)方式路由的协作进行协同路由，通过合作的方式利用频谱效用选择下一跳节点，获得效用值更大的路由路径，并且提高频谱的效率。

OSU-SRA(On Spectrum Utility-Synergy Routing Algorithm)基于频谱效用的协同路由方法的基本原理是在路由的建立过程中，一条路由上的节点在避免冲突的同时尽量选择频谱效用大的节点及相应的信道，信道包括overlay状态信道和underlay状态信道，可以通过频谱效用函数计算不同状态信道下传输链路的频谱效用。路由分组中有节点的可用信道集合。每个链路都有不同的频谱效用值，根据这些效用值来选择下一跳节点。

网络中的每个节点维护一个信道使用列表CUL(Channel Usage List)，记录着周围节点占用信道的信息，列表的大小由网络中的信道数决定。非活动节点在没有发送或接收业务的时候，侦听网络中信道占用的信息，并随时更新其维护的CUL列表。OSU-SRA协议的路由的建立过程中有四种不同的路由消息分组，两种正向的路由消息分组和两种反向的路由消息分组。一种正向路由消息分组是路由请求分组(PREQ)，除了包含必要的目的节点地址、路由记录以及请求ID等路由信息外，还增加了两种信息单元：可用信道表Channel_Available_List和信道状态Channel_State。其中可用信道列表Channel_Available_List记录着路由中节点的可用信道集合。还有一种正向路由消息分组定义为路由确认分组(RACP)，路由确认分组(RACP)除了包含必要的跳数、目的序列号、源IP和目的IP等单元外，还增加了两种信息单元：链路频谱效用值Link_Spectrum_Utility_Value和信道选择Channel_Selection。一个反向路由消息分组是路由应答分组(RREP)，路由应答分组(RREP)除了包含必要的跳数、目的序列号、源IP和目的IP等单元外，还增加了四种信息单元：可用信道交集Channel_Intersection_List，信道状态Channel_State，距离增益Distance_Gain和剩余能量Residual_Energy。还有一种反向路由消息分组定义为路由反馈分组（RFBP），路由反馈分组（RFBP）是一种传统的路由消息分组，只是对路由确认分组（RACP）的确认。

在这里引入了“频谱效用”概念：在路由建立过程中，引入“频谱效用”主要是用来确定下一跳节点的选择。链路的“频谱效用”由链路容量，距离增益和节点的剩余能量决定。而距离增益和剩余能量由路由应答分组（RREP）传递，最终通过路由确认分组（RACP）来传递路由选择信息。

本发明利用了频谱交叉(Overlay)方式路由和频谱重叠(Underlay)方式路由的协作进行协同路由，实现了认知无线电系统基于频谱效用的协同路由方法。该方法包括：

a.源认知节点在有数据要发送时，首先侦听控制信道的忙闲状况，在控制信道空闲时广播一个路由请求分组，分组中包括源节点的可用信道表，可用信道表包括频谱交叉(Overlay)状态信道集合和频谱重叠(Underlay)状态信道集合。

b.收到路由请求分组的节点会比较路由请求分组的可用信道表与自身维护的可用信道表，然后回送一个路由应答分组给源节点，路由应答分组中包括可用信道的交集，链路的距离增益和节点的剩余能量。收到路由请求分组的节点需要比较信道使用列表

b1.如果路由请求分组中可用信道表的信道集合与当前节点的可用信道表的信道集合的交集为空集，则该节点丢弃该路由请求分组。

b2.如果路由请求分组中的可用信道表的信道集合与当前节点的可用信道表的信道集合的交集不为空集，则交集有三种情况：只有overlay状态信道集合、只有underlay状态信道集合、既有overlay状态信道集合和underlay状态信道集合。根据交集情况，该节点把自己的可用信道集合加入可用信道表中，等待源节点的路由确认分组，然后决定是否继续转发路由请求。

c.在不同信道下及在相同信道的不同子信道下传输，不同的传输方案链路容量是不同的。即通过不同的传输功率和不同的传输子信道传输会得到不同的链路容量。源节点通过节点回送的路由应答分组可以得到使链路容量最大的最佳传输功率和最佳传输子信道，通过频谱效用函数计算可以得到不同状态信道（包括Overlay状态信道和Underlay状态信道）的频谱效用值。通过比较频谱效用值，然后选择频谱效用值最大的节点以及相应的信道。源节点再发送一个路由确认分组，该分组中包括下一跳节点，链路频谱效用值和信道选择。

d.节点收到路由确认分组就知道下一跳节点的选择，被选为下一跳节点的继续转发路由请求分组，没有被选为下一跳节点则丢弃路由请求分组，变为非活跃节点侦听网络中的信道状况，并且维护更新自己的信道使用列表。

e.按照上述协同路由发现过程直到路由到达目的节点。

有益效果：本发明提供的是一种认知无线电系统中基于频谱效用的协同路由方法，该方法利用了频谱交叉(Overlay)方式路由和频谱重叠(Underlay)方式路由的协作进行协同路由，降低了端对端路由的复杂度，能增加路由效率，并且提高了频谱的利用效率。

附图说明

图1网络拓扑图。

图2节点A-F之间的路由建立。

图3协同网络路由示意图。

具体实施方式

假设网络中存在一个公共控制信道，用于传输控制信息，每个网络节点都配置两个接口，一个绑定在控制信道上，另一个可以在数据信道之间进行切换。如果网络中出现了授权用户需要使用频段，那么可以通过控制信道广播一个占用分组，通知周围节点该主用户将要使用的频段范围，使用该频段的认知用户将会立即放弃继续使用或者继续使用（如果不影响主用户的正常工作），并重新寻找路由。

OSU-SRA(On Spectrum Utility-Synergy Routing Algorithm)基于频谱效用的协同路由方法的基本原理是在路由的建立过程中，一条路由上的节点在避免冲突的同时尽量选择频谱效用大的信道，信道包括overlay状态信道和underlay状态信道，可以通过频谱效用函数计算不同状态信道下传输链路的频谱效用。路由分组中有节点的可用信道集合。每个链路都有不同的频谱效用值，根据这些效用值来选择下一跳节点。

网络中的每个节点维护一个信道使用列表CUL（Channel Usage List），记录着周围节点占用信道的信息，列表的大小由网络中的信道数决定。非活动节点在没有发送或接收业务的时候，侦听网络中信道占用的信息，并随时更新其维护的CUL列表。OSU-SRA协议的路由的建立过程中有四种不同的路由消息分组，两种正向的路由消息分组和两种反向的路由消息分组。一种正向路由消息分组是路由请求分组（RREQ），除了包含必要的目的节点地址、路由记录以及请求ID等路由信息外，还增加了两种信息单元：可用信道表Channel_Available_List和信道状态Channel_State。其中可用信道列表Channel_Available_List记录着路由中节点的可用信道集合。还有一种正向路由消息分组定义为路由确认分组（RACP），路由确认分组（RACP）除了包含必要的跳数、目的序列号、源IP和目的IP等单元外，还增加了两种信息单元：链路频谱效用值Link_Spectrum_utility_value和信道选择Channel_Selection。一个反向路由消息分组是路由应答分组（RREP），路由应答分组（RREP）除了包含必要的跳数、目的序列号、源IP和目的IP等单元外，还增加了四种信息单元：可用信道交集Channel_Intersection_List，信道状态Channel_State，距离增益Distance_Gain和剩余能量Residual_Energy。还有一种反向路由消息分组定义为路由反馈分组（RFBP），路由反馈分组（RFBP）是一种传统的路由消息分组，只是对路由确认分组（RACP）的确认。

在这里引入了“频谱效用”概念：在路由建立过程中，引入“频谱效用”主要是用来确定下一跳节点的选择。链路的“频谱效用”由链路容量，距离增益和节点的剩余能量决定。而链路容量，距离增益和剩余能量由路由反馈分组（RFBP）传递，最终通过路由确认分组（RACP）来传递路由选择信息。

路由发现机制：

(1)源认知节点在有数据要发送时，首先侦听控制信道的忙闲状况，在控制信道空闲时广播一个路由请求分组(RREQ)，分组中包括源节点的可用信道表，可用信道表包括overlay状态信道集合和underlay状态信道集合。

(2)收到RREQ分组的节点，将Channel_Available_List中的可用信道集合同自身维护的CUL进行比较，来决定是丢弃还是继续转发该分组。

1)如果Channel_Available_List中的可用信道集合同自身维护的CUL交集为空集，该节点丢弃该路由请求分组。

2)如果Channel_Available_List中的可用信道集合同自身维护的CUL交集不为空集，则该节点回送一个路由应答分组（RREP），该路由应答分组为了告知源节点可用信道交集Channel_Intersection_List，距离增益Distance_Gain和剩余能量Residual_Energy。然后把自己的可用信道集合加入可用信道表中，等待源节点的路由确认分组（RACP）来决定是否继续转发路由请求。

(3)当Channel_Available_List中的可用信道集合与节点自身维护的CUL有交集时，源节点收到路由应答分组（RREP）后，从路由应答分组（RREP）可以知道链路的状态信息，通过计算可以得到使链路容量最大的最佳传输功率Optimal_Transmit_power和最佳传输子信道Optimal_Transmit_Subchannel，利用链路容量Link_Capaciy，距离增益Distance_Gain以及节点剩余能量Residual_Energy通过频谱效用函数可以得到不同状态信道（包括Overlay状态信道和Uderlay状态信道）的频谱效用值。比较频谱效用值，选择频谱效用值大的节点以及对应的信道，然后发送一个路由确认分组（RACP）给节点，该路由确认分组（RACP）中包括下一跳节点Next_Hop，链路频谱效用值Link_Spectrum_utility_value和信道选择Channel_Selection。

下面计算最佳传输功率Optimal_Transmit_power，最佳传输子信道Optimal_Transmit_Subchannel，链路容量Link_Capacity以及不同信道状态下的频谱效用值。

假设多跳认知无线电网络有K个认知用户节点，有m个信道，对应的每个信道带宽分别为W₁W₂……W_m。每个信道都授权给主用户网络。在第m个主用户网络中主用户服从2D泊松分布，节点密度为ρ_m。PU的状态是一种指数开关模型，参数为λ_on和λ_off。在信道m上主用户对认知用户j的总干扰用I_j(m)表示。I_j(m)分布近似于对数正态分布，均值为μ_j，方差为σ_j，且μ_j和σ_j与参数ρ_m、λ_on、λ_off有关。

用X(i)来表示认知节点i可用子信道的列表。因为主用户当前的行为会随着信道、位置和时间的变化而变化。对于节点i和节点j，X(i)和X(j)可能不一样。X(i)∩X(j)叫做在链路(i,j)上可用子信道的集合。这些子信道被分组为M_ij，每个信道都被授权给特定的主用户网络。

P_i(f_n)表示在频率f_n上节点i的传输功率，f_n∈(X(i)∩X(j))。num(m)表示第m个信道的子信道个数。I_j(f_n)表示在频率f_n上主用户对认知用户j的总干扰。I_j(f_n)近似等于I_j(m)/num(m)。

功率谱密度为N₀高斯白噪声作为背景噪声，子信道带宽为BHz。频率f_n上链路(i，j)认知用户收发两端的信道增益为h_ij(f_n)。表

示认知用户i选择的子信道集合。表示功率分配向量。

d_ij表示认知用户节点i和节点j之间的距离，β表示相应的路径衰耗指数。链路(i，j)链路容量c_ij由下式表示：

$>c_{\mathrm{ij}}(F_i,P_i)=\underset{f_n\in F_i}{\Sigma }B·{\log }_2[1+\frac{P_i\left(f_n\right)d_{\mathrm{ij}}^{-\beta }{\left|h_{\mathrm{ij}}\left(f_n\right)\right|}^2}{N_{0}B+I_{\mathrm{ij}}\left(f_n\right)}]---\left(1\right)$>

在Overlay方式下，认知用户对主用户没有干扰。然而在Underlay方式下，认知用户会对主用户产生干扰。A^p来表示主用户的链路状态，即表示链路在信道m上是活跃的，表示链路状态是不活跃的。表示主用户在第m个主信道上干扰功率容限。d_ip表示认知用户节点i与最近的主用户接收机之间的距离。在频率f_n上认知用户节点i与最近主用户接收机之间的信道增益为h_ip(f_n)。因此，对于认知用户i，属于信道m的子信道功率分配应满足下面的条件：

为了达到最大的链路(i，j)容量，则每一个信道需要选择合适的F_i和相应的传输功率P_i，从而达到最大的香农容量。

$>\mathrm{Given}:X\left(i\right),X\left(j\right),M_{\mathrm{ij}},I_{\mathrm{ij}}\left(F_i\right),N_0,A^p,P_{\mathrm{total}},P_p^T,d_{\mathrm{ij}},d_{\mathrm{ip}},h_{\mathrm{ij}},B$>

Find:F_i，P_i

Maximize:c_ij                   (3)

(5)

(6)

P_total表示认知用户即时可用的功率，表示认知用户的集合。根据注水算法，最佳传输功率可由下式表示：

在Overlay方式下，常数λ可由下式计算得出：

然而在Underlay方式下，常数λ由下式得出：

利用链路容量Link_Capacity以及路由应答分组（RREP）中的距离增益Distance_Gain和剩余能量Residual_Energy通过频谱效用函数计算可以得到不同状态信道（包括Overlay状态信道和Uderlay状态信道）的频谱效用值。

对于Overlay状态信道，链路(i，j)的频谱效用U_ij由下式定义：

$>U_{\mathrm{ij}}\left(o\right)={\alpha }_o{c}_{\mathrm{ij}}+(1-{\alpha }_o)·D_{\mathrm{ij}}·\frac{E_{\mathrm{jr}}}{E_{j0}}---\left(13\right)$>

E_jr表示在特地的时隙节点j的剩余能量，E_j0是初始能量，α是权重系数，D_ij节点之间的距离。α_o是用来平衡信道和传输。

同时，对于Underlay状态信道，链路(i，j)的频谱效用U_ij由下式定义：

$>U_{\mathrm{ij}}\left(u\right)={\alpha }_u{c}_{\mathrm{ij}}+(1-{\alpha }_u)·D_{\mathrm{ij}}·\frac{E_{\mathrm{jr}}}{E_{j0}}---\left(12\right)$>

然而对于协同路由，U_ij由下式表示：

U_ij(s)=max{U_ij(u),U_ij(o}        (14)

计算得到不同状态信道（包括Overlay状态信道和Uderlay状态信道）的频谱效用值后，源节点发送一个路由确认分组（RACP），该分组中包括选择下一跳节点Next_Hop，链路频谱效用值Link_Spectrum_utility_value和信道选择Channel_Selection。通过路由确认分组（RACP）可以知道下一跳中继节点的选择以及对应的信道。

(4)节点收到路由确认分组（RACP）后向源节点回送一个路由反馈分组（RFBP）告知源节点已经收到该路由确认分组（RACP）。被选为下一跳节点的继续转发路由请求分组（RREQ），没有被选为下一跳节点则丢弃路由请求分组（RREQ），变为非活跃节点侦听网络中的信道状况，并且维护更新自己的信道使用列表CUL。

(5)按照上述协同路由发现机制直达路由到达目的节点。

在建立反向路由的过程中，节点会维护一个ACTIVE-ROUTE-TIMEOUT变量，只有在该时间内建立起了前向路由，反向路由才有效，否则即使收到了路由应答分组也将予以丢弃，已经选择的信道也将会被释放。

下面以具体的例子来分析OSU-SRA路由算法的路由发现及路由相应过程。如图2所示，假设网络中共用6个可用信道：ch1，ch2，ch3，ch4，ch5，ch6。其中ch1为公共控制信道，用于传输路由发现和路由应答信息，也可用于系统广播，每个节点在当前时刻的可用信道以及信道状态已在图中给出。

路由发现过程：

(1)节点A有数据要发送节点H，首先侦听公共控制信道，当控制信道空闲时广播一个路由请求分组（RREQ），分组中的Channel_Available_List单元初始化为源节点的可用信道集合CAZ_A＝{ch2,ch3,ch4,ch5}，对应的信道状态CS_A＝{overlay,overlay,underlay,underlay}。

(2)节点B，节点C和节点D收到了路由请求分组（RREQ）后，查看自身维护的CUL列表中可用的信道集合CAZ_B＝{ch2,ch3}，CS_B＝{overlay，overlay}；CAL_C＝{ch2,ch3}，CS_C＝{overlay,overlay}；CAL_D＝{ch6}，CS_D＝{overlay}。CAL_B∩CAZ_A＝{ch2,ch3}，CAL_C∩CAZ_A＝{ch2,ch3}，节点B和节点C与源节点A都包含两个共用信道，而节点D与源节点A没有共用信道。因此将集合CAL_B和CAL_C添加到Channel_Available_List单元中，然后等待源节点A的路由确认分组（RACP），而节点D则丢弃该分组。

(3)同时节点B和节点C会向源节点A回送一个路由应答分组（RREP），节点B回送的路由应答分组（RREP）中包含着节点B与源节点A可用信道交集CIL_AB＝{ch2,ch3}，链路的距离增益D_AB以及此时节点B剩余能量RE_B。同理节点C回送的路由应答分组（RREP）中CIZ_AC＝{ch2,ch3}，D_AC和RE_C。

(4)源节点A收到节点B和节点C的路由应答分组（RREP）后根据其中的信息单元计算此时链路的频谱效用值。分别得到U_AB(ch2)，U_AB(ch3)，U_AC(ch2)，U_AC(ch3)。比较这些频谱效用值得到U_AC(ch2)＞U_AC(ch3)＞U_AB(ch3)＞U_AB(ch2)。从比较结果源节点A选择C作为下一跳节点，并且选择相应的传输信道ch2。然后向节点B和节点C发送一个路由确认分组（RACP），该路由确认分组（RACP）中包括下一跳节点C，链路频谱效应值U_AC(ch2)以及信道选择ch2。

(5)节点B收到该路由确认分组（RACP）后知道下一跳的节点为C，则向源节点A回送一个路由反馈分组（RFBP）表示成功收到了该路由确认分组（RACP），然后丢弃路由请求分组（RREQ），变为非活跃节点侦听网络中的信道状况，同时维护更新自己的信道使用列表CUL_B。而节点C收到该路由确认分组后（RACP）也回应一个路由反馈分组（RFBP），然后继续转发路由请求（RREQ）。

(6)通过上述协同路由发现过程最终得到一条路由路径A→C→F→G→H。