专利名称：认知网络中的自适应自组网络路由方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别涉及建立路由的方法，可用于认知无线网络。
背景技术：
认知无线网络(Cognitive Network)的定义为无线认知网络对目前网络情况具备一个认知过程，基于这个过程产生网络行为。无线认知网络可以对网络的变化进行学习，并对将来的行为作出预测，同时考虑端到端得目标需求。
一种现有技术中的适用于认知无线网络环境的路由机制是由Minsoo Lee等人提出的基于Q学习(Q-learning)技术的改进AODV(Ad hoc on-demand distance vector)自组网路由算法。该算法将Q学习技术和按需路由结合在一起，采用与AODV按需距离向量类似的按需路由机制，将路由建立分为路由请求和路由响应两个阶段。在路由请求阶段，源节点广播到目的节点的路由请求消息RREQ(Router Request)，并以泛洪方式广播到目的节点；目的节点收到RREQ后，选择此RREQ的传播路径为源节点到目的节点的路由，启动路由响应过程，按照累积时延最小的原则，建立路由响应消息RREP(Router Response)并传回给源节点；如果源节点收到RREP，表示路由建立成功，回报R(Rewards)为奖励性回报，Q学习中的Q值增加幅度较大，路由生存时间延长；反之，如果源节点没有RREP，表示路由建立失败，回报R(Rewards)为惩罚性回报；Q学习中的Q值增加幅度很小，路由生存时间减小。
上述现有技术至少存在以下问题 基于Q学习技术的改进AODV自组网路由算法仅仅实现了认知网络路由算法的一部分功能，仅局限于用判断路由是否建立成功来调整网络状态，而缺少对自身网络状态的各种性能的感知，并且其算法对网络的自适应性有很大的局限性，缺乏对网络服务质量QoS(Quality of Service)保证的考虑。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种认知网络中的自适应自组网络路由方法，以实现对自身网络各种性能的感知和对网络具有更大的自适应性，提高了网络的服务质量。
为了实现上述目的，本发明认知网络路由方法包括如下步骤 A.源节点和目的节点发送信息步骤 网络中的源节点采用广播的泛洪方式发送RREQ信息，目的节点收到RREQ信息后依照先到先回的原则，建立并发送RREP信息答复源节点，源节点收到RREP信息后，路由初次建立，目的节点在此路由生存期内重复发送相同RREP信息到源节点； B.中继节点改变路由生存期步骤 网络中的中继节点收到目的节点发送的RREP信息，在转发RREP信息时，更新本节点的状态信息，检测路由状态，改变路由的生存期； C.中继节点转发RREQ信息步骤 网络中的源节点在路由条目过期后，再次发送RREQ信息到目的节点寻路，中继节点在转发该RREQ信息时，进行如下操作 (C1)统计当前节点MAC层的缓存中数据包的个数并估计其传输时延，根据本节点的状态信息中的节点丢包率L以及今后一段时间内的数据包到达率λ，利用little定理推算出此节点的平均等待时延W； (C2)根据得到的平均等待时延W，延迟W时间后转发RREQ信息，调整路由路径的选择。
本发明具有如下优点 1)由于目的节点在已有的路由上向源节点重复发送相同RREP信息，使得此路由上的中继节点可以不断的通过RREP信息更新自己的节点状态信息，使网络能快速获得最新的节点状态信息； 2)由于通过采用Q学习方法，使网络能够进行自主学习，自适应的调整网络中的路由生存期长短，使得质量好的路由条目获得更长的生存期，质量差的路由条目生存时间减少，有利于网络重新寻找质量更好的路由，提高了网络的性能； 3)中继节点能够估计出节点的平均等待时间，并在延迟平均等待时间后转发RREQ信息，使得选择路由时可避免经过传输能力接近饱和的节点，平衡了网络中节点的负载； 综上所述，本发明的路由方法能够根据网络的状态变化动态的调整路由选择和路由生存时间，缩短了网络中业务的发送时延，提高了路由的效率和网络的最大负荷能力。
图1是本发明建立路由的流程图； 图2是本发明的Q值更新流程图； 图3是本发明的节点时延分析图。
具体实施例方式 参照图1，本发明的路由建立包括如下步骤 步骤1，源节点发送RREQ信息寻路，目的节点发送RREP信息答复源节点。
(1a)网络中的源节点采用广播的泛洪方式发送RREQ信息，目的节点收到RREQ信息后依照先到先回的原则，建立并发送RREP信息答复源节点，RREP信息的发送路径是根据所收到的RREQ信息经过的路径原路返回； (2a)源节点收到目的节点发送的RREP信息后，完成路由的初次建立，目的节点在此路径上发送数据包，进行数据传输； (2a)路由的建立完成后，在其路由的生存期内，目的节点每隔一定时间重复发送相同RREP信息到源节点。
步骤2，网络中的中继节点更新节点状态信息并改变路由生存期。
在路由建立已经完成此后，中继节点接收目的节点发送的RREP信息，转发RREP信息时，收集中继节点的状态信息，检测路由状态，决定是否增加或减少此路由的生存期，其具体步骤参照图2如下 (2a)中继节点提取RREP信息中的上游邻节点发送的RREP个数Numsend，同时统计自己总共接收的RREP个数Numreceive，根据立即丢包率
估计中继节点的丢包率Lf＝αLf-1+(1-α)Lf，0＜α＜1，将Lf存入节点的状态信息中； (2b)中继节点提取RREP信息中的上游邻节点发送的RREP信息的时间，同时提取自己接收到RREP信息的时间，以此估计中继节点的一跳时延W，将W存入节点的状态信息中，并在RREP信息中放入自己的发送RREP信息时间； (2c)根据得到的估计丢包率Lf和估计一条时延W，利用Q学习方法，设定目标函数G＝(1-Lf)W+Lf(Tr+G)，立即回报函数
推出立即回报函数
Tr是丢包后等待重传的时间； (2d)设定第l次更新时的立即回报值为Rl，得到第l次的回报值为Rl＝αRl-1+(1-α)Rl，0＜α＜1，Rl-1是第l-1次更新得到的回报值； (2e)利用第l次更新时的立即回报值Rl与第l-1次更新得到的回报值Rl-1相比较，更新Q值，如果Rl-1＜Rl，Ql＝α*Rl+(1-α)Ql-1；如果Rl-1≥Rl，
0＜α＜1，Ql-1是第l-1次更新的得到的Q值，n为网络中的节点个数，当Q值达到一定高门限值后，说明此路径的质量较好，能够以较短的时延传输大量数据包并且维持较低的丢包率，延长此路经的生存期；反之，Q值达到一定低门限值后，说明此条路径质量不好，传输时延较大且丢包率较高，减少此路径的生存期，以便于源节点能更快的重新发送RREQ信息寻路，寻找更好的路径。
步骤3，中继节点估算节点的平均等待时延，决定转发时延。
参照图3，网络中的时延通常分为处理时延、排队时延、传输时延和传播时延；处理时延是指分组到达一个节点的输入端与该分组到达该节点的输出端之间的时延；排队时延是指分组进入传输队列到该分组实际进入传输的时延；传输时延是指发送节点在传输链路上开始发送第一个比特至发完该分组的最后一个比特所需时间；传播时延是指发送节点在传输链路上发送第一个比特时刻至该比特到达接收节点的时延。实际中由于计算机处理能力的大幅提高，处理时延和传播时延十分微小，可以忽略，所以只考虑节点的排队时延和传输时延。
网络中的中继节点在收到RREQ信息并提取和统计所需节点状态信息后，根据little定理，估计节点的平均等待时延W，估算步骤如下 (2a)设定网络中上层数据包的到达过程服从无记忆的泊松过程，发包间隔服从指数分布，网络中的节点承载一个或者多个经过自己的业务，由根据Kleinrock独立性近似原理，得到网络时延特性服从M/M/1的排队系统； (2b)中继节点转发RREQ信息时已经统计了当前节点的缓存中数据包的个数N，提取节点的状态信息中的系统平均到达率λ，由little定理可知平均时延
(2c)每个节点的接入时延为
Rc表示参与竞争的节点发生碰撞的概率，W0表示最小竞争窗口数，Num表示竞争节点个数； (2d)根据得到的MAC层的缓存中数据包的个数N和节点的接入时延Dbackoff，算出每个用户的平均服务时间为
Tr是丢包后等待重传的时间，dpacket为每个数据包大小，C为信道传输速度； (2e)据每个用户的平均时延T和平均服务时间
得到每个用户的平均等待时间
在转发RREQ信息时，中继节点延迟平均等待时间W后转发此RREQ信息，由此可使选路时避免经过负载过大的中继节点，选择更加优质的路由路径，提高整个网络的吞吐量以及路由效率。
术语解释 AODVAd hoc on-demand distance vector，自组网按需距离向量； RREQRouter Request，路由请求信息； RREPRouter Reply，路由答复信息； RRewards，回报； QOSQuality Of Service，服务质量。
权利要求
1.一种认知网络中的自适应自组网络路由方法，包括
A.源节点和目的节点发送信息步骤
网络中的源节点采用广播的泛洪方式发送RREQ信息，目的节点收到RREQ信息后依照先到先回的原则，建立并发送RREP信息答复源节点，源节点收到RREP信息后，路由初次建立，目的节点在此路由生存期内重复发送相同RREP信息到源节点；
B.中继节点改变路由生存期步骤
网络中的中继节点收到目的节点发送的RREP信息，在转发RREP信息时，更新本节点的状态信息，检测路由状态，改变路由的生存期；
C.中继节点转发RREQ信息步骤
网络中的源节点在路由条目过期后，再次发送RREQ信息到目的节点寻路，中继节点在转发该RREQ信息时，进行如下操作
(C1)统计当前节点MAC层的缓存中数据包的个数并估计其传输时延，根据本节点的状态信息中的节点丢包率L以及今后一段时间内的数据包到达率λ，利用little定理推算出此节点的平均等待时延W；
(C2)根据得到的平均等待时延W，延迟W时间后转发RREQ信息，调整路由路径的选择。
2.根据权利要求1所述的认知网络路由方法，其中步骤B所述的中继节点更新本节点的状态信息，检测路由状态，改变路由的生存期，按如下步骤进行
(B1)提取RREP信息中的上游邻节点发送的RREP信息个数Numsend，同时统计自己总共接收的RREP信息个数Numreceive，估计中继节点的丢包率Lf，将Lf存入节点的状态信息中，并在RREP信息中放入自己的已发送RREP信息的个数；
(B2)提取RREP信息中的上游邻节点发送RREP信息的时间，同时提取自己接收到RREP信息的时间，以此估计中继节点的一跳时延W，将W存入节点的状态信息中，并在RREP信息中放入自己的发送RREP信息时间；
(B3)统计当本节点的路由条目数，由此得到当前的数据包到达率λ，将λ存入节点的状态信息中；
(B4)利用节点状态信息中的现存数据，根据Q学习方法由目标函数G＝(1-Lf)W+Lf(Tr+G)，算出立即回报值
Tr为给定的丢包后等待重传时间，
(B5)依据立即回报值R的变化，更新Q值，当Q值大于设定的高门限值时，增加此路经的生存期，当Q值小于设定的低门限值时，减少此路径的路由生存期。
3.根据权利要求2所述的认知网络路由方法，其中步骤(B1)所述的估计中继节点的丢包率Lf，是进行如下操作
首先，算出立即丢包率
Numreceive为节点统计自己总共接收的RREP个数，Numsend为提取RREP信息中的上游邻节点发送的RREP个数，
其次，根据立即丢包率Lf，估计中继节点的丢包率为Lf＝αLf-1+(1-α)Lf，0＜α＜1。
4.根据权利要求2所述的认知网络路由方法，其中步骤(B5)依据立即回报值R，更新Q值，是按照如下步骤进行
(4a)设定第l次更新时的立即回报值为Rl，得到第l次的回报值为Rl＝αRl-1+(1-α)Rl，0＜α＜1，Rl-1是第l-1次更新得到的回报值；
(4b)用第l次更新时的立即回报值Rl与第l-1次更新得到的回报值Rl-1相比较，更新Q值，如果Rl-1＜Rl，Ql＝α*Rl+(1-α)Ql-1；如果Rl-1≥Rl，
0＜α＜1，Ql-1是第l-1次更新的得到的Q值，n为网络中的节点个数。
5.根据权利要求1所述的认知网络路由方法，其中步骤(C1)所述的利用little定理推算出此节点的平均等待时延，按照如下步骤进行
(5a)设定网络上层数据包的到达过程服从无记忆的泊松过程，发包间隔服从指数分布，根据Kleinrock独立性近似原理，得到网络时延特性服从M/M/1的排队系统；
(5b)中继节点转发RREQ信息时，统计当前节点MAC层的缓存中数据包的个数N，提取节点的状态信息中的系统平均到达率λ，由little定理得到每个用户的平均时延
(5c)计算每个节点的接入时延
Pc表示参与竞争的节点发生碰撞的概率，W0表示最小竞争窗口数，Num表示竞争节点个数；
(5d)根据MAC层的缓存中数据包的个数N和节点的接入时延Dbackoff，计算每个用户的平均服务时间
其中dpacket为每个数据包大小，C为信道传输速度；
(5e)根据每个用户的平均时延T和平均服务时间
，得到每个用户的平均等待时间
在转发RREQ信息时，中继节点延迟平均等待时间W后转发此RREQ信息。
全文摘要
本发明公开了一种具有自适应能力的认知网络路由方法，主要解决现有认知网络路由方法缺乏对网络服务质量QoS保证的问题。其步骤为源节点采用广播的泛洪方式发送RREQ信息；中继节点在转发RREQ信息时，提取网络节点状态，对网络中节点的等待时延进行估算，转发RREQ信息时加入等待时延；目的节点收到RREQ信息后，依照先到先回原则发送RREP信息，建立路由；在建立路由后，目的节点重复发送相同RREP信息到源节点，更新网络状态信息，检测路由质量，决定是否增加或减少此路由的生存期。本发明具有数据传输时延短，丢包率小，路由效率高和网络负荷能力大的优点，可用于认知无线网络。
文档编号H04W40/04GK101715225SQ200910219099
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者盛敏, 徐扬, 史琰, 张琰, 李建东, 李红艳, 吕晨 申请人:西安电子科技大学