专利名称：基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法
技术领域：
一种基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，属于无线通信技术领域，特别涉 及无线自组织网络多信道环境，结合频谱分配基于对节点感知并计算出的信道失败率完成路 由和信道的选择，提高了网络的可靠性和健壮性。
背景技术：
随着无线应用的不断拓展，频谱资源的缺乏成为无线应用研究过程中不得不面临的问题， 但是从一些研究结果可以看到，频谱资源的缺乏更多是由于无线接入技术的利用不合理引起 的。现在不同无线通信系统分配频谱的方法主要是基于固定的分配方式，即某一无线频谱块 分配给某一特定的无线接入网络，然后再把这个无线频谱块分为若干个频谱子块，这些频谱 块大小固定，相互之间间隔一个固定大小的保护频段，分配给具有授权资格的不同运营商， 只有这些运营商的授权期满之后才可以分配给其他用户。这种固定分配方式虽然对于频谱管 理非常简单容易，但是存在频谱利用率低的特点，例如大多数通信网络在设计之初都是基于 该网络可能最大的传输流量进行考虑，但是实际的情况却是，通信网络并非全天满负荷运行， 频谱资源在不同位置不同时间段的利用有所不同，这种静态的频谱分配方式造成了频谱资源 的浪费。为了解决这个问题，基于对认知无线电的研究，人们提出了一种开放式频谱接入机 制。认知无线电系统是一个智能无线通信系统，它能够感知、学习周围环境，通过改变相应 的操作参数(比如传输功率、超载波和调制技术等)，使其内部状态能适应接收到的无线信号 统计性变化，从而完成在任何时间任何地点高可靠性的通信以及对频谱资源的高效利用。利 用认知无线电的智能感知能力，开放式频谱接入机制允许未授权用户(认知用户)在授权用 户(主用户)未使用该频谱资源时，在不对授权用户(主用户)造成干扰的情况下，使用原 来分配给授权用户的频谱资源。非授权用户通过使用认知无线电技术实时感知周围的环境， 检测主用户当时未使用的频谱资源放入频谱池中共享。
马尔可夫过程理论在计算系统的可靠性，分析系统的渐进性、生产函数等方面是一个非 常有效的工具，并且已经成功应用于串(并)联系统、k-out-of-n以及连续k-out-of-n等系统 的可靠性分析中。对于实际中有广泛应用背景的网络系统，如通信网络、计算机网络、电力 网络等，由于其结构复杂，当组成系统的部件数为"，每一个部件有正常和故障两种状态的
时候，网络系统的状态空间数目就达到个2"个，但是在这种情况下采用马尔可夫过程就会在 2"个状态间进行转换，过程太复杂，所以釆用最大概率状态生成算法生成网络在实际运行中最可能出现的状态，构成网络系统的实际状态空间。
发明内容
为了解决认知无线电中认知用户如何在不干扰主用户正常通信的情况下共享频谱资源和 优化频谱使用的问题，本发明在根据实际情况提出的Markov的主用户信道占用模型的基础 上，利用传统的可靠性性能指标阻塞率、丢包率和资源利用率来衡量认知网络的性能，通 过分析马尔可夫过程的认知网络，提出三个性能指标的计算公式，路由选择的同时完成信道 选择，为此本发明在RREP报文中包含了路径中所有节点的信道信息；路由选择过程中采用了 本发明计算失败率性能指标，并且增加了一种RCNP报文，其中包含了所有节点的信道选择结 果，并根据信道选择结果更新节点维护的信道信息表，避免链路中断造成的大量MAC开销， 为此协议改进了路由维护机制。
由于认知无线电网络首先是一种多信道环境，为此协议在RREP报文中包含了路径中所有 节点的信道信息；路由选择过程中采用了本发明计算失败率性能指标。
1) 初始化信道
认知无线电网络中每个节点都具有信道状态表，信道状态表用來保存信道信息，信道信息 为信道的状态信息，包括可用信道和不可用信道。节点根据自己的信道状态表中的可用信道， 随机选择一个信道作为初始化信道。
在认知网络中的每个认知设备都有频谱感知功能，频谱感知功能监测附近的频谱使用情 况并识别可用频谱，并保持了一张信道状态列表。信道状态列表可以用1、 0状态表示此时是 否可用，l表示可用，0表示不可用。
2) 路由发现
当一个节点有数据分组向目的节点发送时，它通过广播路由请求(RREQ)报文启动路由 发现过程。RREQ报文在节点的所有可用信道上广播。经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能 到达目的节点，如果不能，则路由发现失败。
3) 路由回复
目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段，计 算失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组。然后将所选频 段封装在RREP中发往源节点。在反向路径的中间节点根据上一跳计算出来的信道选择结果结 合本节点维护的信道状态表，同样会根据计算出失败率进行信道选择，然后将选择结果封装 在RREP中继续发往源节点。
RREP报文中加入"节点信息表"域。信道选择失败率指标计算如下
5阻塞率A(/，C丄)表示网络Z'的主用户数据流到达时的阻塞率，A(/，Ci )表示网络/的认知流
到达时的阻塞率。
<formula>formula see original document page 6</formula>
丢弃率/是一个即将到达的认知流(Cc"力)，到达网络/时，网络/中的(Q^(0)就要被 丢弃。
<formula>formula see original document page 6</formula>
失败率认知网络的通信量跟传统通信比起来，特点在于阻塞的数据流在减少，但是增加了 丢弃流。因此，可用^来最为总体性能来比较认知和传统网络的可靠性能，这样的&是即将
到达的流没有得到应得的服务的可能性。4的计算用用到^和4， ^的表达式可写成
<formula>formula see original document page 6</formula>4) 信道通知机制
源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文(Route Channel Notice Packet, RCNP)。 RCNP报文由路由请求目的节点IP地址、路由请求目的节点序列号、 路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列号和节点信息表组成。节点接收到RCNP报文 后，更新自己的信道状态表。
5) 路由维护机制
在认知无线电网络中，由于主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用了，因此造成 路由中断。当发生这种情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RERR报文，通知所有预 发送节点发生了路由中断，而不需要根据MAC层的链路中断判断机制，这样做的好处是避免 了大量的MAC层开销。
RRER报文的发送要注意以下两点(1)由于节点失去信道，无法接收分组，所有下一跳 为该节点所有的路由条目都会失效。因此RERR报文中的不可达目的节点域应该包括所有的活 动路由的目的节点。(2)预发送节点可能处在不同的信道上，因此RRER报文依次在所有预发 送节点的信道上广播。
本发明的有益效果使用本发明采用了马尔可夫过程的方法分析了认知网络的可靠性， 并且提出的路由策略可以实现认知无线电网络中跨层的路由设计，联合频谱分配和路由选择， 以频谱机会和信道的失败概率为选路标准，在避免对主用户干扰的同时增强了认知网络的健壮性，提高了路由协议的实用性和网络的整体性能。
图1是源节点到目的节点的寻路过程。 图2是本发明的路由方法流程图。 图3是RREQ格式。 图4是RREP格式。 图5是节点信息表。 图6是RCNP格式。
具体实施例方式
1) 初始化信道
节点根据自己的信道状态表中各信道的状态，随机选择一个信道作为初始化信道。
2) 路由发现
当一个节点有数据分组要发送时，它通过广播路由请求(RREQ)报文启动路由发现过程。 由于邻居节点可能处在不同的信道上，RREQ报文必须在节点的所有可用信道上广播，而不是 单信道协议里的一个信道。经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能到达目的节点，则路由发 现成功；如果不能，则路由发现失败。
如图1示，节点S想寻找到节点D的路由，假设节点S—开始在信道0上，可用信道 为信道l、 2、 4。然后，S在所有可用信道上以轮循方式广播RREQ。更详细地说，就是S在 信道1上广播RREQ，切换到信道2，在信道2上广播RREQ，依次类推。在所有可用信道上 广播完之后，节点返回到最初的信道上。这时当中间节点接收到RREQ，它也在所有可用信 道上传递报文。中间节点在传递完报文之后也将回到最初的信道上。
当RREQ向前传递时，同时也建立了一个到转发节点的反向路径。因此，RREQ中应包括 转发节点的信道信息和信道选择失败率，格式见表l。信道选择失败率计算如下
网络/中的主用户通信和认知用户通信分别用Ca(z')和Q^(z')表示。对于认知通信，如果
主网络的资源不够用了，认知流可以切换到其他的网络(如切换到网络/上，前提是 网络y有可用的资源。这个系统中的每个网络的通信都由两项组成，分别用A^(!')和iV^(!')代
表传统和认知网络的数据流数目，n(/)是总数，即网络/的总数据流数目。
如果在传统通信网络中信道被完全占用时就会出现阻塞。认知网络中只有在主网络被自 己的流占用并且其他网络都完全被占用时才会阻塞。这样看来，认知通信比传统通信有较低
7的阻塞率。但是，产生了一个新的可能性，就是丢弃流的可能性。如果数据流C,到达网络/如
果所有网络的所有信道都被占用时，即Z二(A^(0 + Wc"0)-M，如果网络^也用完了自己
所有的信道资源，即iVaW + iVc"/;^A,，数据流就被阻塞了。但是如果这个网络先前借出信
道资源给其它网络，那么现在可以要回资源给自己用，通过强制外来认知用户退出信道来实 现。而被强制退出的认知流就被丢弃了。
为了给系统建模，用Z^代表网络，在t时刻定义为((iVCi(/)， iVCT(/))， / = l...AO。
数据流的达到用泊松过程来描述，传统和认知流的参数分别为义^(i)和^(i)。类似，用；^(z')
和/^^')表示服务率的指数分布系数。因此，fx(0乂^o)是时间连续的马尔可夫过程，且状
态空间5^((A^(/)，A^(/))，z、l…7VIA^(/)《7;,2;二iV二M,j。 7;表示可占用资源的上限。
这个马尔可夫过程的转移矩阵Q可通过X过程得到，设一个具体的状态空间seS,且 s = ((AQ (/),iVCT= 1…7V)。稳态性&可通过下面方程组得到
本发明用三个传统的可靠性指标衡量系统的性能阻塞率，丢弃率和失败率。具体的指 标的计算由下面的状态和传输条件决定。
阻塞率A(/，C丄)表示网络/的主用户数据流到达时的阻塞率，A(/,C7 )表示网络f的认
知流到达时的阻塞率。
一个主用户流/被阻塞，那么它的主网络已经用了超过上限的资源容量(即",u;)，由
此可得阻塞率的表达式
对于认知流的阻塞概率，如果发生阻塞必须满足两个条件，当流到达时
"所有的网络资源都被占用《"QHM》
2)网络/已经用完了它自己的所有资源(《(0>《)。
由以上两个条件可得认知流的阻塞率为<formula>formula see original document page 9</formula>
丢弃率在传统的网络连接中是没有丢弃问题的。因此，在认知网络中，主用户的数据
流也不会被丢弃的，只考虑认知流的丢弃问题，/是一个即将到达的认知流(Q^(y))，到达
网络/时，网络/中的(Q^(/))就要被丢弃，必须满足的条件
1) 所有的信道m都被占用，即I;"("二m
A:=l
2) 网络/已经用了多于物理处理的系统资源("(/)S《)
3) 网络y占用的资源小于它的物理容量，"(乃《A
由以上条件可得网络i的丢弃率可写成
a ("Ci )=尸f |>(" = m)p("(/) 2《)？("(7) ^
、"i 乂
失败率认知网络的通信量跟传统通信比起来，特点在于阻塞的数据流在减少，但是增 加了丢弃流。因此，可用^来最为总体性能来比较认知和传统网络的可靠性能，这样的i^是
即将到达的流没有得到应得的服务的可能性。&的计算用用到a和。
a (/, C李(/, O )+(1 - a (Z， Ci )) x a (/， o)
3) 路由回复
目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段， 然后将所选频段封装在RREP中发往源节点。中间节点从接收到的RREP消息中提取各下游 节点已分配的频段，连同本发明中根据计算的失败率性能指标选择信道，并返回一个RREP分 组。
RREP报文中加入"节点信息表"域。RREP报文格式见图4，节点信息表示例见图5。
4) 信道通知机制
当源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文(Route Channel Notice Packet, RCNP)， RCNP报文如图6。 RCNP报文由路由请求目的节点IP地址、路由请 求目的节点序列号、路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列号和节点信息表组成，节 点接收到RCNP报文后，更新自己的信道状态表。
5) 路由维护机制
9在认知无线电网络中，由于主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用了，因此造成 路由中断。当发生这种情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RRER报文，通知所有 预发送节点发生了路由中断，预发送节点更新自己的信道状态表，而不需要根据MAC层的 链路中断判断机制，这样做的好处是避免了大量的MAC层开销。
RRER报文的发送要注意以下两点
(1) 由于节点失去信道，无法接收分组，所有下一跳为该节点所有的路由条目都会失效。 因此RERR报文中的不可达目的节点域应该包括所有的活动路由的目的节点。
(2) 预发送节点可能处在不同的信道上，因此RRER报文依次在所有预发送节点的信道 上广播。
权利要求
1、基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，其特征在于1)初始化信道认知无线电网络中每个节点都具有信道状态表，节点根据自己的信道状态表中的可用信道，随机选择一个信道作为初始化信道；2)路由发现当一个节点有数据分组要发送时，它通过广播路由请求RREQ报文启动路由发现过程，RREQ报文在节点的所有可用信道上广播，经过中间节点的洪泛，RREQ报文最终能到达目的节点；3)路由回复目的节点收到该路由请求消息后，会根据RREQ中中间转发节点的SOP集合分配频段，计算失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组；然后将所选频段封装在RREP中发往源节点，中间节点从接收到的RREP消息中提取各下游节点已分配的频段并结合计算出的失败率性能指标选择信道，选择失败率最低的信道，并返回一个RREP分组；4)信道通知机制源节点执行完信道选择后，将沿着建立好的路由发送路由信道通知报文，节点接收到路由信道通知报文后，更新自己的信道状态列表；5)路由维护机制当发生主用户的出现，节点的当前信道就变得不可用，造成路由中断的情况时，节点直接根据频谱感知的结果，发送RRER报文，通知所有预发送节点发生了路由中断。
2、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的信道状态表用来保存信道信息， 信道信息为信道的状态信息，包括可用信道与不可用信道。
3、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的RREQ报文格式中增加转发节点 所处信道和信道选择失败率两条信息。
4、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的RREP报文格式中增加节点信息 表，节点信息表描述了每个节点当前工作所在的信道。
5、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的信道选择失败率的计算包括阻塞 率、丢弃率及失败率的计算阻塞率& (/，0 )表示网络! 的认知流到达时的阻塞率，丢弃率/是一个即将到达的认知流(C^(力)，到达网络y'时，网络y中的(Ccw(/))就 要被丢弃；V*=i 乂失败率^是即将到达的流没有得到应得的服务的可能性概率，P,的表达式写成 F (! ， Ci ) = A (/, Ci ) + (1 - A (/, Ci )) x A (/, CT )。
6、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的路由信道通知报文由路由请求目的节点IP地址、路由请求目的节点序列号、路由请求源节点IP地址、路由请求源节点序列 号和节点信息表组成。
7、 如权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述的步骤5)的发送RRER报文中的不 可达目的节点域包括所有的活动路由中包含此节点的目的节点；RRER报文依次在所有预发送 节点的信道上广播。
全文摘要
本发明涉及基于马尔可夫过程的认知无线电网络路由方法，采用马尔可夫过程来分析认知无线电网络路由的可靠性，属于无线通信技术领域，本发明中计算出的信道选择失败率对认知网络的频谱机会进行了分析，联合频谱分配和路由选择，以频谱机会和信道的失败概率为选择路由和信道指标，在避免对主用户干扰的同时增强了认知网络的健壮性，提高了路由协议的实用性和网络的整体性能。
文档编号H04W40/02GK101656998SQ200910093128
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者涛 刘, 周贤伟, 姜朋娟, 杨裕亮, 超 王, 王建萍 申请人:北京科技大学