专利名称：认知无线电系统中一种基于多信道的反应式路由方法
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：
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，如何共同 有效地利用那些空闲频谱成为众多学者研究的热点。FCC (the Federal Communications Commission)在2003年底的发布了关于认知无线电技术及其应用 的政策制订提案，指出目前分配的频段的利用率是从15%-85%不等，某些频带如移 动手机网络的频带是超负荷的，但诸如电视频段等一些信号传播特性比较好的低频 段频谱的利用率却极低，并且频谱利用率在不同的空间和时间段也是不同的。有限 的可用频谱及频谱的低利用率等问题使得一种全新的、灵活使用频谱的无线通信技 术变得十分必要。因此，研究者一致认为基于认知无线电技术的动态频谱接入 (Dynamic Spectrum Access)是解决目前频谱低效利用的有效技术。
认知无线电(CR: Cognitive Radio)作为一种更智能的频谱共享技术，能够依 靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应 地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频 率以及空间上进行多维的频谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展 的束缚。因此，CR也称为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等，这一技术也 被预言为未来最热门的无线技术。
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Ad Hoc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 需要设计新的路由选择算法。
AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，它是由无线移动节点组成的、具 有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统。其主要特点有独立组网，无需 依赖于任何预先假设的网络设施，网络节点可以快速、自动地组成一个独立的网络； 无中心自组织，所有的节点地位平等，任何节点的意外情况不会影响整个网络的存 在与运行，各节点根据约定的准则调节自己的行为；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；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；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，AdHoc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AdHoc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Ad Hoc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AdHoc 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AdHoc网络中基于最短路径分
布式算法的多信道路由方法，该方法以尽量减少路由中信道切换为目的，针对按需 路由协议，在路由发现的过程中携带节点的可用信道信息，通过"决策节点"为路 由中的每一跳分配信道。
技术方案本发明以尽量减少路由中信道切换为目的，基于按需路由协议，将 路由选择同信道分配结合在一起，实现了自组织认知网络中路由的发现。
AODV (Ad-hocOn-Demand Distance Vector Algorithm)采用了广播式路由发现 机制，依赖于中间节点建立和维护的动态路由表，而不是通过路由发现分组中携带 路由信息。
AODV的路由发现过程由反向路由的建立和前向路由的建立两部分组成反向 路由指从目的节点到源节点的路由，用于将路由相应分组送回至源节点。反向路由 是源节点在广播路由请求分组的过程中建立起来的；前向路由是指从源节点到目的 节点方向的路由，用于数据分组的传送，前向路由是在节点回送路由响应分组的过 程中建立起来的。
自组织认知网络中基于多信道的反应式路由方法以尽量减少路由中信道切换为 目的，针对按需路由协议，在路由发现的过程中携带节点的可用信道信息，通过决策节点为路由中的每一跳分配信道，该方法包括
a. 源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，分组中包括着源节点的可用信道表，同时信道切换次数
ChanHandoff和确认信道Chan—Conf的值都初始化为0。
b. 收到该路由请求分组的节点，将其中的可用信道表中最近一个节点的可用信 道集合同自身维护的信道使用表进行比较，来决定是丢弃还是继续转发该分组
bl.如果路由请求分组的可用信道表中最近一个节点的可用信道集合与节点自身 维护的信道使用表中的可用信道集合交集为空时，该节点将丢弃该路由请求分组；
b2.如果只有一个共同信道，说明转发节点只能选择该信道同其上游节点建立通 信，那么该节点将记录下这一信道，并写入到路由请求分组的确认信道Chan一Conf 单元中，回复路由应答分组的时候再将该信道的信息通知给其在反向路由中的下游 节点，然后节点用自己的信道使用列表中的可用信道信息重置分组中的可用信道表， 并继续转发该分组，由于该转发节点能够决定其在反向路由中下游节点的使用信道， 因此称之为"决策节点"；
b3.如果有两个共同信道，那么由于该节点无法确定哪个信道作为同上一跳节点 的通信信道，因此仅仅把自己的可用信道信息作为一个集合添加到可用信道表中， 然后继续转发该分组；
c. 收到路由请求分组的节点如果发现Chan—Conf单元的值不为0，也就获知了 上一跳节点为决策节点，分组中可用信道表的值仅仅是上游节点的可用信道集合， 如果该节点无法选择前面所选择的信道，并且节点自身的信道使用表与可用信道表 中最近一个节点的可用信道集合的交集不为空，就将分组中ChanHandoff的值加1， 表示在该节点处将会进行一次信道切换，再将自己的可用信道信息添加到可用信道 表后继续转发该分组；
d. 目的节点收到路由请求分组后，首先查看分组中Chan—Conf单元的信息，如 果不为空，说明上一跳节点为决策节点，只要选择一个与该决策节点共同的可用信 道即可；如果上一跳节点不是"决策节点"，目的节点将根据自己维护的信道使用表， 同路由请求分组可用信道表中的可用信道集合取交集，确定通信信道。
本发明为OLCH-AODV (On-Least Channel Handoff-AODV)路由方法，它的目 的是尽量减少路由中信道切换，因为在20MHz-3GHz的频谱范围内，收发器的工作 频段每改变10MHz通常会带来10ms的时延，因此在信道切换较多的情况下，由此 带来的网络时延也是很可观的。
传统的路由协议选择路由的原则是最短路由，而由于OLCH-AODV算法的目标 是减少路由中的信道切换时延，因此它们首先考虑的是信道切换次数，在具有相同 切换次数的情况下，再考虑最短路由。
OLCH-AODV协议的基本原理是在路由建立的过程中， 一条路由上的节点在避
5免冲突的同时尽量选择同一个信道，路由分组中记录着节点的可用信道信息，收到 分组的节点根据该信息选择信道，并将自身维护的可用信道集合加入到分组中。
OLCH-AODV算法只为活动节点分配信道，也就是活跃路由中的节点才会被分 配信道，而非活动节点由于没有发送或接收任务不会被分配信道，以便节省网络资 源。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。OLCH-AODV协议的路由请求分组(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，还增加了三种与信道分配有关的信息单元 信道切换次数ChanHandoff、可用信道列表Chan—Avail—List以及确认信道 Chan_Conf，其中可用信道列表Chan_Avail—List记录着路由中节点的可用信道集合。 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，还增加了分配信道单元ChanAlct。
在这里引入了 "决策节点"的概念在路由发现过程中可以决定上游节点所使 用信道的节点，引入"决策节点"主要是用来减少路由请求分组以及路由应答分组 中的控制信息开销。
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。目的节点还会根据路由请求分 组中ChanHandoff的值以及路由的跳数，来决定选择哪条路由。在回复的RREP分 组中，记录着各节点使用信道的信息，如果目的节点是"决策节点"，将会把分配的 信道信息写入ChanAlct单元中，通知给下游节点；如果不是，那么目的节点仅仅把 自己选择的信道写入ChanAlct单元中，通知下游的节点。在传递RREP分组的过程 中，"决策节点"将会用事先分配好的信道序列重置ChanAlct单元。
有益效果本发明提供一种认知无线电AdHoc网络中基于最短路径分布式算法 的多信道路由方法，该方法以尽量减少路由中信道切换为目的，针对按需路由协议， 在路由发现的过程中携带节点的可用信道信息，通过"决策节点"为路由中的每一 跳分配信道。该路由方法将路由选择同信道分配结合在一起，减少了冲突的发生， 大大提高了系统的吞吐量，本发明简单实用，可以在多信道小型分布式认知网络中 得到广泛的应用。
图1网络拓扑图。
图2节点A-G之间的路由建立过程。
具体实施例方式
基于尽量减少路由中信道切换的目的OLCH-AODV (On-Least Channel Handoff-AODV)，主要是针对反应式路由协议。
传统的路由协议选择路由的原则是最短路由，而由于OLCH-AODV算法的目标 是减少路由中的信道切换时延，因此它们首先考虑的是信道切换次数，在具有相同 切换次数的情况下，再考虑最短路由。 一条路径上的传输时延可以用以下方式进行 计算
其中，d和s分别代表路由的跳数以及信道切换次数，^。p表示每一跳的传输时延， f^表示信道切换所需要的时间。因此，为了减少时延，在选择路由的时候应首先考 虑信道切换次数，尽量选择需要较少切换次数的路由。
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，使用该频段的次用户将会立即放弃继续 使用，并重新寻找路由。
OLCH-AODV协议的基本原理是在路由建立的过程中， 一条路由上的节点在避 免冲突的同时尽量选择同一个信道，路由分组中记录着节点的可用信道信息，收到 分组的节点根据该信息选择信道，并将自身维护的可用信道集合加入到分组中。
OLCH-AODV算法只为活动节点分配信道，也就是活跃路由中的节点才会被分 配信道，而非活动节点由于没有发送或接收任务不会被分配信道，以便节省网络资 源。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，侦听网络中信道的使用信息，并随时更新其维护的CUL 列表。OLCH-AODV协议的路由请求分组(RREQ)除了包含必要的路由信息外， 还增加了三种与信道分配有关的信息信道切换次数ChanHandoff、可用信道列表 Chan—Avail—List以及确认信道Chan—Conf，其中可用信道列表Chan—Avail_List记录 着路由中节点的可用信道集合，路由应答分组(RREP)中增加了分配信道单元 ChanAlct。
在这里引入了 "决策节点"的概念在路由发现过程中可以决定上游节点的使 用信道的节点，引入"决策节点"主要是用来减少路由请求分组以及路由应答分组 中的控制信息开销。
路由发现机制
(1)源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 闲时将会广播一个RREQ分组，分组中记录着源节点的可用信道信息，同时信道切
7换次数ChanHandoff和确认信道Chan—Conf的值都初始化为0。
(2) 收到该RREQ分组的节点，将Chan—Avail—List中最近一个节点的可用信道 集合C4丄,同自身维护的CUL进行比较，其中C4丄,表示节点i的可用信道集合，来 决定是丢弃还是继续转发该分组
1) 如果Chan—Avail—List中最近一个节点的可用信道集合与CUL中的可 用信道集合交集为空时，该节点将丢弃该路由请求分组。
2) 如果只有一个共同信道，说明转发节点只能选择该信道同其上游节点 建立通信，那么该节点将记录下这一信道，并写入到路由请求分组Chan—Conf单元 中，回复RREP分组的时候再将该信道的信息通知给其在反向路由中的下游节点； 然后节点用自己CUL列表中的可用信道信息重置分组中的Chan—Avail—List值，并 继续转发该分组，由于该转发节点能够决定其在反向路由中下游节点的使用信道， 因此称之为"决策节点"。
3) 如果有两个共同信道，那么由于该节点无法确定哪个信道作为同上一 跳节点的通信信道，因此仅仅把自己的可用信道信息作为一个集合添加到 Chan—Avail—List单元中，然后继续转发该分组。
(3) 收到路由请求分组的节点如果发现Chan—Conf单元的值不为O，也就获知 了上一跳节点为"决策节点"，分组中Chan—Avail_List的值仅仅是上游节点的可用 信道集合，如果该节点无法选择Chan_Conf中的信道，并且CUL与Chan—Avail—List 单元中最近一个节点的可用信道集合的交集不为空，就将分组中ChanHandoff的值 加1,表示在该节点处将会进行一次信道切换，再将自己的可用信道信息添加到 Chan—Avail—List单元后继续转发该分组。
(4) 目的节点收到路由请求分组后，首先查看分组中Chan_C0nf单元的信息， 如果不为空，说明上一跳节点为"决策节点"，只要选择一个与该"决策节点"共同 的可用信道即可，如果上一跳节点不是"决策节点"，目的节点将根据自己维护的 CUL列表，同Chan—Avail一List单元中的可用信道集合取交集，确定通信信道。
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。目的节点还会根据路由请求分组 中ChanHandoff的值以及路由的跳数，来权衡决定选择哪条路由。在回复的RREP 分组中，记录着各节点使用信道的信息，如果目的节点是"决策节点"，将会把分配 的信道信息写入ChanAlct单元中，通知给下游节点；如果不是，那么目的节点仅仅 将自己选择的信道写入ChanAlct单元中，通知下游的节点。在传递RREP分组的过 程中，"决策节点"将会用事先分配好的信道序列重置ChanAlct单元。
下面以具体的例子来分析OLCH-AODV路由算法的路由发现及路由相应过程。 如图1所示，假设网络中共有四个可用信道chl， ch2， ch3， ch4。其中chl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己在图中给出。 路由发现过程
(1) 节点A有数据要发送到节点G，首先侦听公共控制信道，当控制信道空闲
时广播一个RREQ分组，分组中的Chan—Avail_List单元初始化为源节点的 可用信道集合C4丄。^ch2， ch3}， ChanHandoff和Chan—Conf的值均初始化 为0。
(2) 节点C收到RREQ分组后，查看本身维护的CUL列表中可用信道的集合 C4Zc={ch2， ch3}，由于C4^ D C4Z。= {ch2， ch3}，包含两个共同信道， 因此将集合C4￡e添加到Chan—Avail—List单元中，ChanHandoff和Chan—Conf 的值不变，然后继续转发该分组。
(3) 节点E收至lj RREQ分组后查看CUL，得到C4A-(ch2， ch4},与 Chan_Avail—List单元中最近一个节点的可用信道集合C4i^的交集为&h2}， 仅有一个共同可用信道，此时E成为一个"决策节点"，它可以在路由发现 的过程中决定自己同节点C之间的通信信道，节点E用C4^的值重置 Chan—Avail—List单元，并将Chan_Conf的值更新为ch2，然后继续转发RREQ 分组。
(4) 节点F接收到RREQ分组后，由于C4丄,门C44= {ch4}，仅有一个共同信 道，因此F也为一个"决策节点"，它确定了自己同上一跳节点E之间的通 信信道为ch4，由于Chan一Conf的值为ch2，因此该路由在节点E处将进行 一次信道切换，ChanHandoff的值加1， Chan—Conf的值更新为ch4， Chan—Avail—List单元的值更新为GIL, = {ch3， ch4}。
(5) 目的节点G收到RREQ分组后，由于04^0 041,= {ch3， ch4}，包含两 个信道，因此可以随意选择ch3或者ch4作为与节点F之间的通信信道， 但从Chan_Conf单元的值得知，节点F与其上一跳节点之间的通信信道为 ch4，为了减少切换开销，G将会选择ch4作为与F之间的通信信道。
在正向路由建立的过程中，也就是转发目的节点G发送的RREP分组的过程中， 所有的"决策节点"都会将确认的信道写入到分组的ChanAlct单元，通知给下一跳 节点。如节点E收到该RREP分组时，除了获知节点F为其正向路由中的下一跳节 点，与自己的通信信道为ch4，而且将会把自己确定的与节点C之间通信的信道ch2 通过该分组告诉节点C。节点C收到该路由应答分组后，也获知其与节点E之间的 通信信道为ch2，为了减少信道切换带来的开销，节点C也会同样选择ch2作为与 源节点A之间的通信信道。至此，源节点A与目的节点G之间在建立了路由的同 时，也完成了路由中各节点的信道分配。
权利要求
1、一种自组织认知网络中基于多信道的反应式路由方法，其特征在于该方法包括a.源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，分组中包括着源节点的可用信道表，同时信道切换次数ChanHandoff和确认信道Chan_Conf的值都初始化为0。b.收到该路由请求分组的节点，将其中的可用信道表中最近一个节点的可用信道集合同自身维护的信道使用表进行比较，来决定是丢弃还是继续转发该分组b1.如果路由请求分组的可用信道表中最近一个节点的可用信道集合与节点自身维护的信道使用表中的可用信道集合交集为空时，该节点将丢弃该路由请求分组；b2.如果只有一个共同信道，说明转发节点只能选择该信道同其上游节点建立通信，那么该节点将记录下这一信道，并写入到路由请求分组的确认信道Chan_Conf单元中，回复路由应答分组的时候再将该信道的信息通知给其在反向路由中的下游节点，然后节点用自己的信道使用列表中的可用信道信息重置分组中的可用信道表，并继续转发该分组，由于该转发节点能够决定其在反向路由中下游节点的使用信道，因此称之为“决策节点”；b3.如果有两个共同信道，那么由于该节点无法确定哪个信道作为同上一跳节点的通信信道，因此仅仅把自己的可用信道信息作为一个集合添加到可用信道表中，然后继续转发该分组；c.收到路由请求分组的节点如果发现Chan_Conf单元的值不为0，也就获知了上一跳节点为决策节点，分组中可用信道表的值仅仅是上游节点的可用信道集合，如果该节点无法选择前面所选择的信道，并且节点自身的信道使用表与可用信道表中最近一个节点的可用信道集合的交集不为空，就将分组中ChanHandoff的值加1，表示在该节点处将会进行一次信道切换，再将自己的可用信道信息添加到可用信道表后继续转发该分组；d.目的节点收到路由请求分组后，首先查看分组中Chan_Conf单元的信息，如果不为空，说明上一跳节点为决策节点，只要选择一个与该决策节点共同的可用信道即可；如果上一跳节点不是“决策节点”，目的节点将根据自己维护的信道使用表，同路由请求分组可用信道表中的可用信道集合取交集，确定通信信道。
全文摘要
认知无线电系统中一种基于多信道的反应式路由方法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法，该方法在路由建立的过程中，一条路由上的节点在避免冲突的同时尽量选择同一个信道，路由分组中记录着节点的可用信道信息，收到分组的节点根据该信息选择信道，并将自身维护的可用信道集合加入到分组中。该方法以尽量减少路由中信道切换为目的，针对按需路由协议，在路由发现的过程中携带节点的可用信道信息，通过决策节点为路由中的每一跳分配信道。该路由方法将路由选择同信道分配结合在一起，减少了冲突的发生，大大提高了系统的吞吐量，本发明简单实用，可以在多信道小型分布式认知网络中得到广泛的应用。
文档编号H04W84/18GK101674634SQ20091003619
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者琦 朱, 晋 谢 申请人:南京邮电大学