专利名称：一种解决认知无线网络耳聋问题的驻留信道选择方法
技术领域：
无线网络信道资源分配、多信道接入本发明属于使用认知无线网络技术的领域，如认知无线电网络、分布式多跳网络、 无线局域网、无线接入等，特别是涉及到认知无线电网络的多信道接入技术。
背景技术：
分布式认知无线电网络由具有感知功能的对等节点构成，每个节点都可以感知到 空闲的信道资源，在不干扰授权用户的前提下，使用空闲的信道资源进行通信，以提高信道 资源的利用率。基于无冲突驻留信道选择的认知无线电网络耳聋问题解决方法就是在所感 知的频谱空穴中，为每个节点选择一个可用信道作为其驻留信道，其它节点可以在任何时 候找到该节点并与之进行控制信息交互，完成用于业务信息传输的业务信道选择。当主用 户出现或节点移动等原因导致邻居关系发生变化，使得本节点与两跳范围内其他节点的驻 留信道相冲突时，通过重启驻留信道选择过程为本节点选择一个新的驻留信道。当节点有 数据要发送时，切换到与之通信的节点所在驻留信道上预约业务信道，并在成功预约业务 信道后通过业务信道发送数据。由于认知无线电网络中可用信道资源的动态性，节点(认知无线电终端)的可用 信道集随时间和空间位置的不同而改变，各节点的可用信道集在同一时刻相异。这种可用 信道集的动态变化(例如频谱空洞发生变化或主用户出现)，带来了传输链路的动态变化， 从而使得在其基础上建立的路由也具有高度的动态性。当节点具有多种无线接口时，情况 将变得更加复杂。由于认知无线电网络中节点可用信道集经常改变导致信道切换，将引发 耳聋问题，即一条路由上的两个相邻节点由于侦听着不同的信道而无法通信。在网络初始 化阶段，耳聋问题导致通信双方要达成一致的通信信道和接口可能需要一个很长的时间过 程，甚至根本无法达成一致。在网络运行期间，耳聋问题引起相邻节点间通信中断，表现为 邻居节点消失，在路由建立过程中和建立后，将引起路由的重构，影响网络性能。认知无线电网络研究相关文献对耳聋问题研究不多，基本思路是采用公共控制信 道。多数文献直接假设网络具有公共控制信道，但对于控制信道的选择没有做进一步的 石if究，典型文献如(Huisheng Ma, Lili Zheng，Xiao Ma, Yongjian Luo. Spectrum Aware Routing forMulti-Hop Cognitive Radio Networks with a Single Transceiver, Proceedings of Third InternationalConference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications， CrownCom2008, Singapore，15_17May，2008) 禾口(J· So and N.H. Vaidya. A Routing Protocol for UtilizingMultiple Channels in Multi-Hop Wireless Networks with a Single Transceiver, in Tech. Rep.，University of Illinois at Urbana-Champaign，October 2004)。耳聋问题的解决难点在于认知无线网络中频谱空穴的动态性和驻留信道选择的 分布式，解决它的关键在于如何在动态的可用信道资源中以相对静态的方式为节点选择驻 留信道，从而为节点的业务传输提供预约业务信道的控制信道，达到网络拓扑的快速收敛 和网络资源的高效利用。本发明实现了网络初始化和维护期间节点通信信道的快速会聚， 能有效改善认知无线网络中频谱可用性动态变化造成的通信中断问题，降低了由于耳聋带来的路由重构所引入的网络开销，有利于提高网络对业务传输服务质量的保证能力。本发 明适用于认知无线电网络、分布式多跳网络、无线局域网以及下一代异构网络等应用场合。
发明内容
本发明的目的在于改善分布式认知无线电网络中可用频谱动态变化造成的通信 中断问题，每个节点基于两跳冲突避免方法在感知的频谱空穴中选择一个可用信道作为其 驻留信道，其它节点可以通过该节点的驻留信道在任何时候找到该节点并与之交互控制信 息，以便预约用于后续通信的业务信道。本发明设计的分布式认知无线电网络系统是由具有通信感知功能的节点组成，每 个节点能够感知到自己周围的可用频谱资源，并在不干扰授权用户的前提下，使用空闲的 信道资源进行业务传输。为描述方便，作如下约定节点i所感知的可选信道集表示为Ci, s，当前可用信道 集合表示为CiYC^表示节点i所选择的驻留信道；节点i 一跳邻居节点所感知的可用信道 集合表示为Ci, h，一跳邻居节点已占用的驻留信道集表示为Cu，两跳邻居节点所感知的可 用信道集合表示为Ci,2h，两跳邻居节点已占用的驻留信道集表示为Ci,&。本发明提供一种解决认知无线网络耳聋问题的驻留信道选择方法，包括两跳邻 居范围内冲突避免驻留信道初始化选择、驻留信道维护切换两个过程。所述的两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择过程的步骤如下步骤1 节点(认知无线电终端)i开机后根据可用频谱空穴探测结果，获得节点 可用信道集合Ci, s;步骤2 如果节点i尚未选择驻留信道，则侦听周围邻居节点广播的驻留信道状态 消息；步骤3 如果节点i在所有空闲信道上均没有收到来自其它节点的驻留信道状态 消息，则在可用信道集Ci,s中任意选择一个信道cjq e Ci,,)作为节点i的驻留信道，即q =。转步骤12 ；步骤4 根据侦听到的来自邻居节点的所有驻留信道状态消息，获得节点i的邻居 节点集合、邻居节点所感知的可用信道集合Ci,h、邻居节点所选择的驻留信道集合Cu、邻居 节点的一跳邻居节点集合、邻居节点的一跳邻居节点所感知的可用信道集合(;,211及所选择 的驻留信道选择构成的集合CiA ；步骤5 判断在节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表中是否已经记录了步骤4 中所获得的信息，如果步骤4中所获得的信息没有完全包含在节点i维护的两跳邻居驻留 信道状态表中，则更新节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表；否则，丢弃收到的驻留信道 状态消息；步骤6 根据当前两跳邻居节点驻留信道状态表所记录的信息，节点i计算当前可 用信道集合 Cu = Ciis-Ci,, η Ci.h-Ci.h η Cii2h ；步骤7 如果Q,。= Φ，转步骤9 ；步骤8 在Ci,。中任意选择一个信道Cr (cr e Ci,。)作为节点i的驻留信道，即Cir =Cr，转步骤12 ；步骤9 =C^ = Cu-Cb η Ciir-Ci,, η Ci,2r，如果 Qc = Φ，转步骤 ο ；在 Qc 中任意选择一个信道q (Cr ^ Ci,,)作为节点i的驻留信道，即 =。转步骤12 ；步骤10 =Ci,。= Ciis-Ci,, η Ci^如果Ci,。= Φ，转步骤11 ；在Ci,,中任意选择一个 信道Cr (Cr e Ci,,)作为节点i的驻留信道，即Cir =。转步骤12 ；步骤11 在Ci, s中任意选择一个信道Cr (Cr e Ci,,)作为节点i的驻留信道，即Cir
Cr ；步骤12 将本节点所在驻留信道及本节点当前所记录的一跳邻居节点驻留信道 状态表，封装为驻留信道状态消息；步骤13 在节点感知的所有空闲信道上发送驻留信道状态消息；步骤14 结束两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择过程。所述的驻留信道维护切换过程的步骤如下步骤1 当节点i在驻留信道上收到其他节点发送的驻留信道状态消息时，根据收 到的驻留信道状态消息，获得相应邻居节点的一跳邻居节点集合及其对应的驻留信道选择 fn息；步骤2 判断在节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表中是否已经记录了步骤1 中所获得的信息，如果步骤1中所获得的信息没有完全包含在本节点维护的两跳邻居驻留 信道状态表中，则更新本节点维护的两跳邻居驻留信道状态表，转步骤3 ；否则，丢弃收到 的驻留信道状态消息，转步骤15 ；步骤3 判断节点i驻留信道q是否被两跳范围内其他邻居节点占用，如果未被 占用，转步骤15;步骤4 根据当前两跳邻居节点驻留信道状态表所记录的信息，节点i计算当前可 用信道集合 Cu = Ciis-Ci,, η Ciih-Ci,s η Cii2h ；步骤5 如果Q,。= Φ，转步骤7 ；步骤6 在Ci,。中任意选择一个信道(q e Ci,。)作为节点i的驻留信道。如果 cir =。转步骤15 ；否则，转步骤12 ；步骤7 =Cu = Ciis-Ciis η Ciir-Ci,, η Ci,2r，如果 Cu = φ，转步骤 9;步骤8 在Ci,。中任意选择一个信道Cr (Cr e Ci,,)作为节点i的驻留信道，如果Cir =C,，转步骤15;否则，转步骤12;步骤9 =Cijc = Cijs-Cijs η Ci,r，如果 Ci, s = Φ，转步骤 11 ；步骤10 在Ci,。中任意选择一个信道Cr (Cr e Ci,,)作为节点i的驻留信道。如果 Cir = Cr，转步骤15 ；否则，转步骤12 ；步骤11 在Ci,s中任意选择一个信道(q e Ci,,)作为节点i的驻留信道。如果 C^ = Cp转步骤15;步骤12 切换到新的驻留信道上，即将节点驻留信道设置为q = Cr ；步骤13 将本节点当前所在驻留信道及本节点当前所记录的一跳邻居节点驻留 信道状态表，封装为驻留信道状态消息；步骤14 如果本节点的一跳邻居节点驻留信道状态表为空，则在节点感知的所有 空闲信道上发送驻留信道状态消息；如果本节点的一跳邻居节点驻留信道状态表不为空， 则通过驻留信道状态表中记录的邻居节点驻留信道向所有邻居节点发送驻留信道状态消 息；
6
步骤15 结束本次维护过程；
图1是本发明两跳无冲突驻留信道选择方法的流程示意2是本发明两跳无冲突驻留信道选择方法的一个图示例
具体实施例方式下面结合附图2说明一个具体的分布式认知无线网络中本专利的实施方法。以具 有7个认知无线电终端进行两跳范围内无冲突驻留信道选择为实例，通过分布式算法使每 个节点均选择到自己的优选驻留信道。图中的7个节点对应网络中随机分布的7个认知无 线电终端，每个终端均通过频谱空穴感知获得节点的可用信道集合，并通过交互获得本节 点在进行驻留信道选择时的当前可用信道集合。节点相互之间的邻居关系以图示椭圆区域 的相邻位置关系表示，每个节点进行驻留信道选择的时间顺序以Tl T9表示。(a)两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择过程Tl 时段节点(i-Ι)获得本节点可用信道集合为C^s = {1，2，4，7，8}，根据驻留信道初始 化选择过程中的步骤3在C^s中任意选择一个可用信道1作为本节点驻留信道，通过驻留 信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道上广播本节点的驻留信道状态 消息；T2 时段节点(i+Ι)获得本节点可用信道集合为Ci+1,s= {1，2，3，4，5，7，8}，在侦听到Tl时 段节点(i_l)的驻留信道状态消息后，根据驻留信道初始化选择过程中的步骤4 步骤6 计算Ci+1,。，得到Ci+1,c — Ci+1, s_Ci+1, s Π Ci+1,h_Ci+1, s Π Ci+1,2h= {1，2，3，4，5，7，8}-{1，2，3，4，5，7，8} Π {1,2,4,7,8}= {3,5}根据驻留信道初始化选择过程中的步骤8在Ci+1,。中任意选择一个可用信道3作 为本节点驻留信道，通过驻留信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道 上广播本节点的驻留信道状态消息；T3 时段节点(i-3)获得本节点可用信道集合为C^s = {3，4，5，7，9}，根据驻留信道初始 化选择过程中的步骤3在C^s中任意选择一个可用信道3作为本节点驻留信道，通过驻留 信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道上广播本节点的驻留信道状态 消息；T4 时段节点(i-4)获得本节点可用信道集合为C^s = {3，4，5，7，8}，根据驻留信道初始 化选择过程中的步骤3在C^s中任意选择一个可用信道3作为本节点驻留信道，通过驻留 信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道上广播本节点的驻留信道状态 消息；
T5 时段节点(i+2)获得本节点可用信道集合为Ci+2,s= {1，2，3，4，8}，在侦听到T3 T4 时段节点(i_3)、节点(i_4)的驻留信道状态消息后，根据驻留信道初始化选择过程中的步 骤4 步骤6计算Ci+2,。，得到Ci+2,c — Ci+2, s_Ci+2, s Π Ci+2,h_Ci+2, s Π Ci+2,2h= {1，2，3，4，8}-{1，2，3，4，8} Π ({3,4,5,7,9} U {3,4,5,7,8})= {1,2}根据驻留信道初始化选择过程中的步骤8在Ci+2,。中任意选择一个可用信道1作 为本节点驻留信道，通过驻留信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道 上广播本节点的驻留信道状态消息；T6 时段节点(i-2)获得本节点可用信道集合为Ci_2,s= {1，2，3，5，6，8}，在侦听到T2时段 节点(i+Ι)的驻留信道状态消息后，根据驻留信道初始化选择过程中的步骤4 步骤6计 算‘2,。，得到CiU = Ci^-CiU η Ci^-CiU η Ci^2j2h= {1，2，3，5，6，8}-{1，2，3，5，6，8} Π ({1,2,4,7,8} U {1,2,3,4,5,7,8})= {6}根据驻留信道初始化选择过程中的步骤8在C",。中选择唯一的可用信道6作为 本节点驻留信道，通过驻留信道初始化选择过程中的步骤12 步骤14在所有可用信道上 广播本节点的驻留信道状态消息；T7 时段节点i获得本节点可用信道集合为Ci,s = {1，2，3，4，5，7，8}，在侦听到Tl T6时 段其他节点的驻留信道状态消息后，根据驻留信道初始化选择过程中的步骤4 步骤6计 算Q,。，得到Ci,c = Ciis-Ci,, η Cu-Ci,s η Cii2h = Φ根据驻留信道初始化选择过程中的步骤9重新计算Q,。，得到Ciic = C^-Ci,, η H η Cii2r= {1，2，3，4，5，7，8}_{1，2，3，4，5，7，8} Π ({1,3,6} U {1,3})= {2,4,5,7,8}根据驻留信道初始化选择过程中的步骤9在Ci,。中任意选择一个可用信道2作为 本节点驻留信道，通过步骤12 步骤14在所有可用信道上广播本节点的驻留信道状态消 息；(b)驻留信道维护切换过程T8 时段节点(i-3)在侦听到T5、T7时段节点(i+2)、节点i的驻留信道状态消息后，根据 驻留信道维护切换过程中的步骤2 步骤4计算(；_3,。，得到C^3jc = Ci_3, S-C^3j3 Π Ci_3,h~Ci_3,s Π C^3j2h= {9}根据驻留信道维护切换过程中的步骤6在Ci_3,。中选择唯一的可用信道9作为本节点驻留信道，通过驻留信道维护切换过程中的步骤12 步骤14在驻留信道1、4上向邻 居节点(i+2)、节点i发送驻留信道状态消息；T9 时段节点(i-4)在侦听到T5、T7时段节点(i+2)、节点i的驻留信道状态消息后，根据 驻留信道维护切换过程中的步骤2 步骤4计算(；_4,。得到 根据驻留信道维护切换过程中的步骤7重新计算(；_4,。得到 = {3，4，5，7，8}_{3，4，5，7，8} Π ({1,3,4} U {1,5})= {7,8}根据驻留信道维护切换过程中的步骤8在Ci_4,。中选择唯一的可用信道7作为本 节点驻留信道，通过驻留信道维护切换过程中的步骤12 步骤14在驻留信道1、4上向邻 居节点(i+2)、节点i发送驻留信道状态消息；通过本发明所述的基于无冲突驻留信道选择的认知无线电网络耳聋问题解决方 法，附图2所示实例中各节点选择的驻留信道结果如下表所示 本发明与现有的耳聋问题解决方法相比有如下优点①现有耳聋问题解决方法在驻留信道的选择上直接假设有一个公共控制信道 (或集合)存在，驻留信道在该公共控制信道中选择。实际上，假设的公共控制信道在多数 认知无线网络应用场景下是不存在的。利用本发明，不受限于网络的具体使用环境，节点通 过实时感知和动态调整选择与网络环境相适应的驻留信道，提高了方法的实用性。②现有耳聋问题解决方法在有限的公共控制信道上选择驻留信道，在一些热点地区或军事应用场合，当该公共信道被占用或被恶意干扰后，现有方法将导致网络组网失败。 利用本发明，通过分布式冲突避免的驻留信道选择，能有效解决上述问题，并提高整个频谱 资源的利用效率，真正改善耳聋问题带来的通信中断、邻居消失等一系列问题。
本发明特别适用于分布式多跳无线网络的频谱资源管理和多信道分配等。
权利要求
一种解决认知无线网络耳聋问题的驻留信道选择方法，包括两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择、驻留信道维护切换两个过程，其特征是所述的两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择过程的步骤如下步骤1节点(认知无线电终端)i开机后根据可用频谱空穴探测结果，获得节点i所感知的可用信道集合Ci，s；步骤2如果节点i尚未选择驻留信道，则侦听周围邻居节点广播的驻留信道状态消息；步骤3如果节点i在所有空闲信道上均没有收到来自其它节点的驻留信道状态消息，则在可用信道集Ci，s中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，s)作为节点i的驻留信道cir，即cir，＝cr，转步骤12；步骤4根据侦听到的来自邻居节点的所有驻留信道状态消息，获得节点i的邻居节点集合、邻居节点所感知的可用信道集合Ci，h、邻居节点所选择的驻留信道集合Ci，r、邻居节点的一跳邻居节点集合、邻居节点的一跳邻居节点所感知的可用信道集合Ci，2h及所选择的驻留信道选择构成的集合Ci，2r；步骤5判断在节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表中是否已经记录了步骤4中所获得的信息，如果步骤4中所获得的信息没有完全包含在节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表中，则更新节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表；否则，丢弃收到的驻留信道状态消息；步骤6根据当前两跳邻居节点驻留信道状态表所记录的信息，节点i计算当前可用信道集合Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，h Ci，s∩Ci，2h，其中Ci，h为节点i的一跳邻居节点所感知的可用信道集合，Ci，2h为节点i的两跳邻居节点所感知的可用信道集合；步骤7如果Ci，c＝Ф，转步骤9；步骤8在节点i的当前可用信道集合Ci，c中任意选择一个信道cr(cr，∈Ci，c)作为节点i的驻留信道cir，即cir，＝cr，转步骤12；步骤9节点i重新计算当前可用信道集合Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，r Ci，s∩Ci，2r，其中Ci，r为节点i的一跳邻居节点已占用的驻留信道集合，Ci，2r为节点i的两跳邻居节点已占用的驻留信道集合；如果Ci，c＝Ф，转步骤10；在节点i的当前可用信道集合Ci，c中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，c)作为节点i的驻留信道，即cir＝cr，转步骤12；步骤10节点i重新计算当前可用信道集合Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，r，如果Ci，c＝Ф，转步骤11；在Ci，c中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，c)作为节点i的驻留信道，即cir＝cr，转步骤12；步骤11在Ci，s中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，s)作为节点i的驻留信道，即cir＝cr；步骤12将本节点所在驻留信道及本节点当前所记录的一跳邻居节点驻留信道状态表，封装为驻留信道状态消息；步骤13在节点感知的所有空闲信道上发送驻留信道状态消息；步骤14结束两跳邻居范围内冲突避免驻留信道初始化选择过程；所述的驻留信道维护切换过程的步骤如下步骤1当节点i在驻留信道上收到其他节点发送的驻留信道状态消息时，根据收到的驻留信道状态消息，获得相应邻居节点的一跳邻居节点集合及其对应的驻留信道选择信息；步骤2判断在节点i维护的两跳邻居驻留信道状态表中是否已经记录了步骤1中所获得的信息，如果步骤1中所获得的信息没有完全包含在本节点维护的两跳邻居驻留信道状态表中，则更新本节点维护的两跳邻居驻留信道状态表，转步骤3；否则，丢弃收到的驻留信道状态消息，转步骤15；步骤3判断节点i驻留信道cir是否被两跳范围内其他邻居节点占用，如果未被占用，转步骤15；步骤4根据当前两跳邻居节点驻留信道状态表所记录的信息，节点i计算当前可用信道集合Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，h Ci，s∩Ci，2h；步骤5如果Cic＝Ф，转步骤7；步骤6在Ci，c中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，c)作为节点i的驻留信道；如果cir＝cr，转步骤15；否则，转步骤12；步骤7Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，r Ci，s∩Ci，2r，如果Ci，c＝Ф，转步骤9；步骤8在Ci，c中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，c)作为节点i的驻留信道，如果cir＝cr，转步骤15；否则，转步骤12；步骤9Ci，c＝Ci，s Ci，s∩Ci，r，如果Ci，c＝Ф，转步骤11；步骤10在Ci，c中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，c)作为节点i的驻留信道；如果cir＝cr，转步骤15；否则，转步骤12；步骤11在Ci，s中任意选择一个信道cr(cr∈Ci，s)作为节点i的驻留信道；如果cir＝cr，转步骤15；步骤12切换到新的驻留信道上，即将节点驻留信道设置为cir＝cr；步骤13将本节点当前所在驻留信道及本节点当前所记录的一跳邻居节点驻留信道状态表，封装为驻留信道状态消息；步骤14如果本节点的一跳邻居节点驻留信道状态表为空，则在节点感知的所有空闲信道上发送驻留信道状态消息；如果本节点的一跳邻居节点驻留信道状态表不为空，则通过驻留信道状态表中记录的邻居节点驻留信道向所有邻居节点发送驻留信道状态消息；步骤15结束本次维护过程。
全文摘要
本发明公开了一种解决认知无线网络耳聋问题的驻留信道选择方法，属于认知无线电网络技术领域，主要包括每个节点根据所感知的频谱空穴和侦听到的邻居节点驻留信道选择信息，采用分布式方法选择一个与两跳范围内邻居节点驻留信道不冲突的可用信道作为其驻留信道，以便与其它节点进行控制信息交互和业务信道协商；当主用户出现或节点移动等原因导致两跳范围内节点之间驻留信道相冲突时，通过重启驻留信道选择过程选择一个新的驻留信道。本发明能有效改善认知无线网络中频谱可用性动态变化造成的通信中断和耳聋问题导致的路由重构。本发明适用于认知无线电网络、分布式多跳网络、无线局域网以及下一代异构网络等应用场合。
文档编号H04W48/16GK101895893SQ20101019913
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者张海呈, 李瑞睿, 葛利嘉, 赵波, 郑相全, 青山良 申请人:中国人民解放军重庆通信学院