专利名称：一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法
技术领域：
本发明属于认知无线电网络领域，尤其涉及CR网络中组播路由协议的设计。
背景技术：
认知无线电CR是一种提高无线电通信频谱利用率的新技术，起源于1999年 Jos印hMitola博士的奠基性工作，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。随着无线通信技术的发展，人们对移动通信、公共安全、电视广播等的需求越来越 高，由于能够使用的频谱资源有限，如何有效使用无线频谱资源成了现阶段的研究热点。认 知无线电是能够主动检测可用频谱资源，充分利用无线频谱的新一代无线电，频谱分配则 是决定能否充分高效利用有限频谱的关键。目前国内外的研究者虽已提出一些认知无线电 频谱分配问题模型，并且基于问题模型研究了相关的具体算法，但基于其它理论的模型和 算法仍然是学术界迫切需要的。博弈论是微观经济学中已广泛应用的高级理论，它为不同 应用场景的决策选择问题提供了数学依掘，纳什均衡的存在也使得寻找稳态的问题最优解 成为了可能，博弈论可有效地分析动态分布式资源分配问题，因此，将博弈论引入认知无线 电技术的研究是解决认知无线电频谱分配问题的新途径。如何利用博弈论对认知无线电行 为进行分析，构建基于博弈论的频谱分配问题模型以及提出基于模型的具体算法都是具有 重要意义的前沿研究课题，必将对认知无线电技术的发展起到推动作用。认知无线电技术已经成为目前无线通信领域内的研究热点，涉及到的众多关键技 术需要深入研究，路由算法和协议就是其中之一。路由是网络核心层的主要功能，也是决定 网络传输性能的主要因素之一。为了准确、有效地将信息送到组播组，必须为它们确定路 由，信息按选择的路由进行传送。因此，作为组播通信的重要组成部分和亟待解决的关键问 题，寻找简单、高效、健壮的组播路由算法一直是网络界致力研究但未完全解决的问题。路由协议是分布式网络中的重要组成部分，对实现高效可靠的多跳通信具有重要 的意义。在传统的网络中所使用的频谱资源是相对固定的，而在认知无线电网络中由于使 用动态的频谱资源，使得路由算法和协议的设计遇到新的挑战和问题，因此有必要针对认 知无线电网络的特点，研究适合于在认知无线电网络中工作的路由算法和协议。由于认知无线电网络所具有的新的特点，使得认知无线电环境下的路由算法和协 议面临崭新的问题。在认知无线电网络中由于所使用的频谱资源是通过检测的方式获得 的，因此认知无线电网络本质上就具有频谱动态性、频谱差异性以及频谱多样性。这些新的 特点将严重地影响着路由算法和协议的性能，因此在具体的路由算法和协议中是不能忽视 的。这些特点在以往的网络中是没有的，在传统网络中的路由协议并未考虑到这些因素，因 此在这些传统的网络如Ad hoc网络中的路由协议就可能不适合于认知无线电网络，需要设 计能够反映认知无线电网络特点及适应于在认知无线电网络中工作的路由算法和协议。
目前，已经有一些国内外的学者针对认知无线电环境下的路由问题提出了 一些算法，但仍然存在着一些不足。ian和Won在文献“Next Generation/Dynamic spectrumaccess/cognitive radio wireless networks”中讨论了在认知无线电环境下进 行路由算法和协议设计所应该注意的问题，但并未给出相应的解决方法；Wang和Zheng在 文献“Route andspectrum selection in dynamic spectrum networks，，中分析了路由选 择和频谱选择之间的关系和相互影响，并提出了去耦合设计和联合设计两种设计方法，但 仍然没有充分体现认知无线电网络的特点。因此，对能够更加适合及反映认知无线电网络 特点的路由算法和协议还是迫切需要的。鉴于以上考虑，本发明提供了一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提出一种基于认知无线 电网络中以时延为约束条件的组播路由方法，采用将频谱分配和路由选择相结合的跨层设 计机制，并可以保证组播树的低代价要求，进一步优化认知无线电网络的频谱利用率。在实 际中，可根掘本发明给出的组播路由方法为认知无线电网络的应用提供一定的参考价值。本发明一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法，所述方法包括如下步骤1. 1定义认知无线电网络组播路由模型所述认知无线电网络组播路由模型可表 示为无向图G，该图中的链路有两个参数，可以表示为G = (V，E)，其中V是图G中的顶点， 即认知无线电网络中所有次用户节点的集合，E是图G中任意两节点之间的边，即认知无 线电网络中相邻次用户节点之间的链路的集合；对于图G中的每一个节点i，均对应一个 SoP(i)，代表了这个节点的频谱信息；对于G中的每一条边(i，j) G E，均对应两个正实数 加权值cost (i，j)、delay(i，j) ；cost(i, j)定义了边(i，j)的代价，其值与该边的资源使 用情况有关，例如带宽或是能量等；delay(i，j)定义了边(i，j)的信息传送延时，该时延包 括切换时延、排队时延和退避时延等；认知网络中的组播路由问题可描述为在图G中寻找 一棵包含发送源及所有接收节点的树T = (V，E),(TqG)，并满足 约束条件 其中A为时延上限(或称时延约束)，该参量定义了次用户之间通信的传送延时 要求；PT(s，v)为树组播树T中从源节点S到目的节点V的路径，M为接收点的集合；1.2分析认知无线电网络时延的特点认知无线电网络使用动态的频谱资源，本 质上具有频谱动态性、频谱差异性及频谱多样性等特点。鉴于认知无线电网络有其独特的 特点，认知无线电网络中节点在进行数据通信时会产生许多时延，当节点所在的信道发生 变化或者频带改变时会产生切换时延；信道中数据流的传输会产生排队时延；同一频带内 节点间的干扰会产生退避时延。鉴于时延是认知无线电网络中的一个重要参数，因此在建 立组播路由模型时以时延和代价来决定候选路由。1. 3建立认知无线电网络频谱分配模型建立以主用户之间为博弈双方且以主用 户的收益为效用函数的频谱分配模型
认知无线电网络中有主用户和次用户两种用户类型。以往有一些关于频谱分配的 博弈模型，都是以最大化次用户收益(即共享到得最多频谱)来建立博弈模型，从而提高频 谱利用率。本发明将建立以主用户之间进行博弈的模型，参考古诺模型，以价格和主用户租 给次用户空闲频谱的多少为博弈参数，以最大化主用户收益(即分出的最多频谱)为效用 函数，从而可以使次用户共享到更多的频谱，达到提高频谱利用率的效果，进而提高网络的 性能。参考古诺模型，我们假设次用户租借主用户空闲频谱需要给出一定的费用，而主 用户借给次用户的空闲频谱越多，它的收益越大；这时我们就可以以主用户之间的可分配 频谱竞争来建立博弈模型。在这个博弈过程中，参与者是认知无线电网络中的主用户，他们 的行动策略是选择分配给次用户空闲频谱的多少，效用函数是主用户的收益。假设主用户i得到的授权频谱为Bt。t，次用户可以共享主用户的空闲频谱 < Btot)来提高频谱的利用率，主用户应保留一部分带宽Bm来保证自己的性能。Breffl = Btot- E B, ^ BreqBreq为主用户为保证自己的QoS (Quality of Service)质量所需要的带宽。从上述可以看出，CR博弈模型最后得出的解必须满足约束条件。(1)CR博弈模型我们将利用寡头市场竞争下的古诺模型建立频谱分配博弈模型，参与者为给次用 户提供空闲频谱的主用户N，每个主用户i所分配的频谱大小h ^ 0为每个参与者的策略， 支付函数即为主用户的收益。寡头市场的商品即为频谱。假设次用户租借主用户分配频谱 的价格是一定的，所有主用户根据所提供的频谱多少进行竞争，各自的利润可以通过租借 给次用户空闲频谱的收益来计算，所有的主用户都希望通过竞争获取最高的利益。建立这 个频谱分配模型的目的就是通过利用均衡使得主用户收益最大，从而也可以提高次用户对 空闲频谱的利用率。根据古诺模型，在认知无线电环境中，假设主用户租借给次用户每一个单位带宽 的价格为Pi，
NPi
./=i其中a为次用户对单位带宽所给出的最高价格，b为主用户租借给次用户一个单 位的带宽所导致的价格下跌，即产量对价格的负影响。另外主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成本，假设主用户得到授
权的单位频谱带宽的价格为
f N Vc(B) = a + P ^bj
VM J其中a，3，T均为常数，且a彡0，3彡0，T彡1。a可理解为主用户的到 单位授权带宽的最低价格，日可理解为主用户多得到一个单位的授权带宽所导致的价格上 涨，即需求量对价格的影响。B= {b^.-.bj表示所有主用户的策略集合。(2)效用函数在进行博弈模型分析后，得到主用户i的收益函数
每个主用户i的边际利润函数为 B_i = {bj| j = 1, ... , N;j ^ i}表示除了主用户i的策略之外的所有策略集合， 任一主用户i的最优频谱分配大小与其他次用户的策略有关，因此，通过求解纳什均衡使 每个主用户都达到最优。即
( 集合y =表示博弈的纳什均衡解当且仅当K =mA()，Vi。假设每个主 用户都已知其他主用户所分配的频谱大小，主用户i对应的函数为 1.4求出网络中各节点的SoP信息根据频谱分配模型得出纳什均衡解后，可以知 道某个次用户从主用户那里得到的最大频谱，循环计算，便可以得出各个次用户分别能得 到的最大频谱，这样可以方便得出每个次用户节点的频谱机会集合SoP。1. 5根据要求构造组播路由树认知无线电网络中节点在进行数据通信时会产生 许多时延，当节点所在的信道发生变化或者频带改变时会产生切换时延；信道中数据流的 传输会产生排队时延；同一频带内节点间的干扰会产生退避时延。建立组播树时，我们欲选用链路选择函数来决定树中的路径。链路选择函数基于 网络时延和网络开销(组播树总体代价)两个参数为依据，两者动态变化，具有最小代价的 链路并不一定是最佳链路。最佳链路选择函数是用来均衡时延限制条件与链路代价之间关 系的一种路径选择策略，它的选择直接影响组播树的网络性能，是组播树建立的基础。本发 明中采用的链路选择函数如下
广 ,C(v, w)mfCD = log A \ ‘ ~G如果 P (v) +D(v,w) < A
A - (P(v) + D{v, w))否则fCD=°°其中P(v)是从源节点S到目的节点V的累积时延，C(v，w)及D(v，w)分别为链路 (v,w)的代价及时延。假设认知无线电网络中的每一个节点都配备有无线电收发机和传统无线通信接 口，节点通过传统无线通信接口形成统一的共享控制信道，传送通信数据。每个节点信息中 含有频谱机会集合SoP及链路之间的时延和代价值，通过链路之间的时延和代价值我们可 以计算出链路选择函数的值。当且仅当各节点间SoP存在交集，且链路选择函数值较小时 才继续转发路由信息，这样能确保路由信息沿着空间和频谱切换上都可行的路径到达目的 节点，且路径还满足时延和代价要求。有助于节点在得到频谱感知结果后确定下一跳的路 具体步骤如下
8
(1)路由发现认知无线电网络中的源节点通过在网络中广播RREQ消息来寻找下一跳节点， RREQ消息中携带有SoP信息和基于每一节点和其他节点之间的时延值和代价值，路径中经 过的转发节点将自己的SoP集合加入RREQ中的“SoP集合链表”，用本发明给出的链路选择 函数求出的值也要加入到RREQ消息中，收到RREQ的节点比较SoP集合链表中最近集合与 自己的SoP集合，同时比较节点间的链路选择函数值，当且仅当各SoP存在交集时，且链路 选择函数值较小时才继续转发RREQ，这样能确保RREQ沿着空间和频谱切换上都可行的路 径到达目的节点，且路径还满足时延和代价要求；(2)路由回复当一个节点接到一个RREQ请求，它首先记录RREQ控制报文中的路由信息；然后检 查是否有到达源节点的有效路由，也就是检查自身节点的链路选择函数值和SoP信息是否 符合要求。如果有到源节点的路由，这个节点利用RREP控制包来响应这个RREQ请求，根据 收到的RREQ中沿途节点的SoP集合分布情况率先分配频段，然后将所选频段封装在RREP 消息中发往源节点。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 先前从RREQ报文中提取的上游节点SoP集合分布，就能计算出目前最适合的工作频段，同 时更新路由表，最后生成新的RREP继续回送到源节点；(3)路由维护在CR组播路由协议中，节点加入或离开组播组都需要发送一定的控制消息并对 组播树进行相应维护。组播树一旦检测到断链，由发生断链的下游节点执行断链修复策略； 本地断链修复，是为了维护CR网络经常变化的拓扑，以及尽量减少协议运行过程中用于维 护组播拓扑的控制开销。如果无法修复，树就发生了分割，必须使用主节点选举策略为发生 分割后的树选举新的主节点。当一个节点想离开组播树时，如果它是叶节点，只需向最近的 组播树成员单播发送带有剪切标志的MACT消息脱离组播树，相应的上级节点如果是非组 播组成员节点且没有其它的组播组成员作为它的下级，则也同理脱离组播树；如果不是叶 节点，则需待下游节点离开后才能离开。协议将由发现中断的下游节点发起路由修复过程。综上所述，本发明给出了认知无线电网络中组播路由方法的构造过程，综合考虑 了时延和代价，简单、快速，有效保证了组播树的性能，且优化了频谱利用率，易于在认知无 线电网络中实现和应用。
图1是本发明的步骤流程图。图2模拟认知无线电网络的结构图。图3根据发明方法建立的组播树。
具体实施例方式下面结合附图和实例来介绍本发明的具体实施过程。如图2所示，假设认知无线电网络是由节点{S，A，B，C，D，E，F，G}组成的无向图， 且每个节点的SoP也是已知的。节点的参数为可通过的信道。其中源节点为S，目的节点为 {B，D，E，F}，路径上的参数为(代价值，时延值)。
从源节点S出发，我们需要选择从S到目标节点的路径，所选路径必须满足认知无 线电网络模型的要求，假设时延上限A =5。步骤一从源节点S出发，有三条路径{S — A}和{S — D}和{S — F}，运用链路 选择函数计算， fSA < fSD < fSF且节点S的SoP (a, b)和节点A的SoP (a, b，c)有交集，所以组播 树中从源节点出发首先确定了第一条路径为{S —A}。步骤二 源节点S到目的节点E有两条符合时延要求的路径{S —A —E}和 {S — F — E}，这时运用链路选择函数来选择能使代价最小的路径。fSA < fSF且节点A的 SoP (a, b，c)和节点E的SoP(b，c, e)有交集，选择路径{S — A — E}米确定源节点S到目 的节点E的树枝。步骤三源节点S到目的节点D有两条符合时延要求的路径{S —D}和 {S — A — E — D}。从步骤一可以看出，组播树中已经选择{S — A — E}，但是节点E的SoP (b， c, e)和节点D的SoP(a，f)没有交集，所以应选择{S — D}作为源节点S到目的节点D的 路径树枝。步骤四源节点S到目的节点B有两条符合时延要求的路径{S —A —B}和 {S — D — C — B}。
,,C(S,D)6 , 3Jsd = iog-= log-= log —
L 」 S° A-(P(S) + D(S,D)) 5-1 2fSA<fSD且虽然节点D、C、B之间的SoP有交集，但如果选择路径{S —D —C —B}， 反而使组播树的代价增大，所以应选{S —A —B}作为源节点S到目的节点B的路径树枝。步骤五源节点S到目的节点F有两条符合时延要求的路径{S —F}和 {S — A — E — F}。从步骤一可以看出，组播树中已经选择{S — A — E}，如果再加入路径 {E — F}，将会使树的代价减小，所以应选择{S —A —E —F}作为源节点S到目的节点F 的路径树枝。综合以上步骤，得出CR组播路由树，如图3，组播树的总代价为21。
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权利要求
一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法，所述方法包括如下步骤1.1定义认知无线电网络组播路由模型所述义认知无线电网络组播路由模型可表示为无向图G，该图中的链路有两个参数，可以表示为G＝(V，E)，其中V是图G中的顶点，即认知无线电网络中所有次用户节点的集合，E是图G中任意两节点之间的边，即认知无线电网络中相邻次用户节点之间的链路的集合；对于图G中的每一个节点i，均对应一个SoP(i)，代表了这个节点的频谱信息；对于G中的每一条边(i，j)∈E，均对应两个正实数加权值cost(i，j)、delay(i，j)；cost(i，j)定义了边(i，j)的代价，其值与该边的资源使用情况有关，例如带宽或是能量等；delay(i，j)定义了边(i，j)的信息传送延时，该时延包括切换时延、排队时延和退避时延等；认知网络中的组播路由问题可描述为在图G中寻找一棵包含发送源及所有接收节点的树T＝(V，E)，并满足约束条件SoP(i)∩SoP(j)≠Φ其中Δ为时延上限(或称时延约束)，该参量定义了次用户之间通信的传送延时要求；PT(s，v)为树组播树T中从源节点S到目的节点V的路径，M为接收点的集合；1.2分析认知无线电网络时延的特点鉴于时延是认知无线电网络中的一个重要参数，因此在建立组播路由模型时以时延和代价来决定候选路由；1.3建立认知无线电网络频谱分配模型建立以主用户之间为博弈双方且以主用户的收益为效用函数的频谱分配模型(1)CR博弈模型根据古诺模型，在认知无线电环境中，假设主用户租借给次用户每一个单位带宽的价格为Pi， <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mo>-</mo><mi>b</mi><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow>其中a为次用户对单位带宽所给出的最高价格，b为主用户租借给次用户一个单位的带宽所导致的价格下跌，即产量对价格的负影响；另外主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成本，假设主用户得到授权的单位频谱带宽的价格为 <mrow><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>+</mo><mi>β</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>τ</mi></msup> </mrow>其中α，β，τ均为常数，且α≥0，β≥0，τ≥1；α可理解为主用户的到单位授权带宽的最低价格，β可理解为主用户多得到一个单位的授权带宽所导致的价格上涨，即需求量对价格的影响；B＝{b1，...bN}表示所有主用户的策略集合；(2)效用函数在进行博弈模型分析后，得到主用户i的收益函数 <mrow><msub> <mi>u</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi></msub><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mi>b</mi> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>b</mi> </munderover> <msub><mi>b</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> 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</mrow>1.4求出网络中各节点的SoP信息根据频谱分配模型得出纳什均衡解后，可以知道某个次用户从主用户那里得到的最大频谱，循环计算，便可以得出各个次用户分别能得到的最大频谱，这样可以方便得出每个次用户节点的频谱机会集合SoP；1.5根据要求构造组播路由树，具体包括如下步骤(1)路由发现认知无线电网络中的源节点通过在网络中广播RREQ消息来寻找下一跳节点，RREQ消息中携带有SoP信息和基于每一节点和其他节点之间的时延值和代价值，路径中经过的转发节点将自己的SoP集合加入RREQ中的“SoP集合链表”，用本发明给出的链路选择函数求出的值也要加入到RREQ消息中，收到RREQ的节点比较SoP集合链表中最近集合与自己的SoP集合，同时比较节点间的链路选择函数值，当且仅当各SoP存在交集时，且链路选择函数值较小时才继续转发RREQ，这样能确保RREQ沿着空间和频谱切换上都可行的路径到达目的节点，且路径还满足时延和代价要求；(2)路由回复当一个节点接到一个RREQ请求，它首先记录RREQ控制报文中的路由信息；然后检查是否有到达源节点的有效路由，也就是检查自身节点的链路选择函数值和SoP信息是否符合要求；如果有到源节点的路由，这个节点利用RREP控制包来响应这个RREQ请求，根据收到的RREQ中沿途节点的SoP集合分布情况率先分配频段，然后将所选频段封装在RREP消息中发往源节点；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，连同先前从RREQ报文中提取的上游节点SoP集合分布，就能计算出目前最适合的工作频段，同时更新路由表，最后生成新的RREP继续回送到源节点；(3)路由维护在CR组播路由协议中，节点加入或离开组播组都需要发送一定的控制消息并对组播树进行相应维护；组播树一旦检测到断链，由发生断链的下游节点执行断链修复策略；本地断链修复，是为了维护CR网络经常变化的拓扑，以及尽量减少协议运行过程中用于维护组播拓扑的控制开销；如果无法修复，树就发生了分割，必须使用主节点选举策略为发生分割后的树选举新的主节点；当一个节点想离开组播树时，如果它是叶节点，只需向最近的组播树成员单播发送带有剪切标志的MACT消息脱离组播树，相应的上级节点如果是非组播组成员节点且没有其它的组播组成员作为它的下级，则也同理脱离组播树；如果不是叶节点，则需待下游节点离开后才能离开；协议将由发现中断的下游节点发起路由修复过程。FSA00000123296300011.tif,FSA00000123296300012.tif,FSA00000123296300013.tif,FSA00000123296300024.tif,FSA00000123296300025.tif,FSA00000123296300026.tif
全文摘要
本发明属于认知无线电网络领域，尤其涉及CR网络中组播路由协议的设计。本发明主要包括如下步骤1、定义认知无线电网络组播路由模型；2、分析认知无线电网络时延的特点；3、建立认知无线电网络频谱分配模型即CR博弈模型及效用函数；4、求出网络中各节点的SoP信息；5、根据要求构造组播路由树依次包括路由发现；路由回复；及路由维护。发明给出了认知无线电网络中组播路由方法的构造过程，综合考虑了时延和代价，简单、快速，有效保证了组播树的性能，且优化了频谱利用率，易于在认知无线电网络中实现和应用。
文档编号H04W40/02GK101867991SQ20101017354
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者吴华怡, 周贤伟, 张培艳, 王超 申请人:北京科技大学