專利名稱：一種基于能量?jī)?yōu)化的認(rèn)知無線電組播路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電CR領(lǐng)域，尤其涉及CR網(wǎng)絡(luò)中的組播路由協(xié)議。
背景技術(shù)：
隨著無線通信的迅速發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有頻譜利用率低的現(xiàn)狀，使得能夠?qū)Σ豢稍偕?的頻譜資源實(shí)現(xiàn)再利用的頻譜共享技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。認(rèn)知無線電(cognitive radio, CR)作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠感知外界環(huán)境，使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中 學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜。認(rèn)知無線電 技術(shù)的提出，為實(shí)現(xiàn)高效的頻譜利用率，同時(shí)保證可靠的通信性能，提供了一種新思路。博 弈論(gametheory)又稱對(duì)策論，它作為分析不同個(gè)體之間交互作用的數(shù)學(xué)理論模型，在認(rèn) 知無線電等相關(guān)理論研究中得到了較多應(yīng)用?；诓┺恼摰恼J(rèn)知無線電頻譜分配問題，是 目前認(rèn)知無線電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在文獻(xiàn)《Adaptive Channel Allocation Spectrum Etiquette for Cognitive RadioNetworks》中，N. Nie和C. Comaniciu提出了一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)頻 譜分配規(guī)則，設(shè)計(jì)了一個(gè)博弈理論結(jié)構(gòu)來分析認(rèn)知無線電的分布式自適應(yīng)信道分配。在 文獻(xiàn)〈〈Collaboration and fairness in opportunistic spectrum access))中 Peng 禾口 Zheng等人相繼提出的標(biāo)簽機(jī)制，可區(qū)分用戶的優(yōu)先級(jí)；在文獻(xiàn)《Distributed spectrum allocation vialocal bargaining))中Cao等人采用公平的業(yè)務(wù)保證機(jī)制提出了本地討價(jià) 還價(jià)(localbargaining)算法，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，基于合作的方法為了共享相 鄰用戶頻繁交換的協(xié)作信息，需要公共的協(xié)調(diào)協(xié)議和通信鏈路，必然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性 和額外開銷、這對(duì)于帶寬受限的通信系統(tǒng)并不適用。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中所使用的頻譜資源是相對(duì)固定的，而在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中由于所 使用的頻譜資源是通過檢測(cè)的方式獲得的，因此認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上就具有頻譜動(dòng)態(tài) 性、頻譜差異性以及頻譜多樣性，使用動(dòng)態(tài)的頻譜資源使得路由協(xié)議的設(shè)計(jì)遇到新的挑戰(zhàn) 和問題。這些特點(diǎn)在以往的網(wǎng)絡(luò)中是沒有的，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議并未考慮到這些因 素，需要設(shè)計(jì)能夠反映認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及適應(yīng)于在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中工作的路由算法 和協(xié)議。因此有必要針對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究適合于在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中工作的 路由協(xié)議。組播(Multicast)是一種一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的致力于面向群組計(jì)算的 通信傳播方式，最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省帶寬，并且能顯著減少分組傳送開銷，為了有效地利用 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的有限資源，組播在無線網(wǎng)絡(luò)中扮演著越來越重要的角色。對(duì)于認(rèn)知無線 電網(wǎng)絡(luò)帶寬資源緊張、系統(tǒng)資源有限的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等無線網(wǎng)絡(luò)的組播路由協(xié)議已經(jīng)有了許多相關(guān)的研究，而如何實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無 線電網(wǎng)絡(luò)中的組播路由協(xié)議是目前需要進(jìn)一步討論研究的開放性問題。鑒于以上考慮，本發(fā)明提供了一種基于能量?jī)?yōu)化的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)組播路由算 法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于能量?jī)?yōu)化的組播路由算法，通過根據(jù)經(jīng)典古諾 靜態(tài)模型，建立認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配的模型，以達(dá)到高效的頻譜分配率。同時(shí)考慮能量?jī)?yōu) 化，根據(jù)最小增量MIC和按需驅(qū)動(dòng)的思想，利用路由選擇與頻譜分配跨層設(shè)計(jì)的方式解決 動(dòng)態(tài)頻譜選擇的問題，設(shè)計(jì)出適應(yīng)于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜多樣性、動(dòng)態(tài)性、差異性特點(diǎn)的組 播路由算法。一、建立認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)包括一些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無向圖G = (V，E)，其中V 是分布在二維平面內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)集合，E是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的雙向鏈路集合。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的發(fā)送功率；每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送過程中是不移動(dòng)的；每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用全向輻射天線；每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)都配有一個(gè)傳統(tǒng)無線通信接口形成統(tǒng)一的共享控制信道，傳遞協(xié)議 報(bào)文；認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)獲知該節(jié)點(diǎn)SOP (Spectrum Opportunity)集合信息；工作在相同頻段的沖突節(jié)點(diǎn)按照IEEE802. 11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行退避；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能通過一些距離估計(jì)方法獲得自己的位置坐標(biāo)以及網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn) 的位置坐標(biāo)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)特定時(shí)刻所剩余能量為E”在一個(gè)基于源節(jié)點(diǎn)的組播樹中， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗是由它到子節(jié)點(diǎn)的距離決定的?；谠垂?jié)點(diǎn)的組播樹T中節(jié)點(diǎn)i的能 量消耗為
‘E'+kd^ /為源節(jié)點(diǎn) P(T, 0 ER + kdf + Et 其他情況 ER /為葉子節(jié)點(diǎn)其中，Et和Ek分別表示發(fā)送和接收單位數(shù)據(jù)包所消耗的能量，屯是節(jié)點(diǎn)i到它最 遠(yuǎn)子節(jié)點(diǎn)的傳輸距離，a是無線傳播能量損耗常量，通常取為纊4。K是與天線特征相關(guān)的 常數(shù)。本發(fā)明中對(duì)于multicast樹T其總成本定義為eGS《D = ，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)
ieV
中節(jié)約能量的路由問題可以定義為在無向圖G= (V，E)中找到一個(gè)multicast樹T，使網(wǎng) 絡(luò)總能量消耗最小，即滿足min(Z^>‘))’同時(shí)考慮互相通信的節(jié)點(diǎn)的SOP集合之間是否存
ieV
在交集，即如只門仍/^ * 0。二、基于能量?jī)?yōu)化的組播路由算法由于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的可用頻率動(dòng)態(tài)變化，因此在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的組播路由算 法時(shí)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)分配的特點(diǎn)，需要同時(shí)考慮路由選擇與頻譜分配的問題。由于 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)是伺機(jī)接入授權(quán)頻段，工作頻段隨主用戶工作情況變化，其關(guān)注的是頻譜機(jī)會(huì) (SpectrumOpportunity, SOP)，即在特定的時(shí)間、特定的區(qū)域、特定的使用規(guī)則約束下的一個(gè)頻段，因此網(wǎng)絡(luò)選路和選擇頻譜需要結(jié)合考慮。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在于其頻譜的動(dòng)態(tài)性、差異性和多樣性，網(wǎng)絡(luò) 中每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠主動(dòng)、動(dòng)態(tài)地感知目前未被占用的頻譜“空白區(qū)域”，形成“頻譜機(jī)會(huì)集 合”S0P，并從中選取合適的頻段工作，從而有效地降低沖突、干擾，提高通信效率。頻譜分配 的主要目的是通過一個(gè)自適應(yīng)策略有效、高效以及可實(shí)施地利用頻譜。頻譜分配問題的博 弈論模型的一般形式為<formula>formula see original document page 6</formula>(1)其中，N表示參與者集合，Si和Ui分別表示策略集合和效用函數(shù)集合。無線網(wǎng)絡(luò) 中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過電池提供能量，節(jié)點(diǎn)的能量有限，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的合理設(shè)計(jì)可以極大地 降低能量消耗，選擇能量節(jié)約的組播樹算法對(duì)于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和提高能量效率起著重 要作用。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于能量?jī)?yōu)化的組播路由算法步驟如下1)建立古諾博弈模型假設(shè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)主用戶和N個(gè)與主用戶共享頻譜的次用戶，次級(jí)用戶 彼此間相互競(jìng)爭(zhēng)以共享主用戶提供的頻寬，而主用戶以單位帶寬c(b)的價(jià)格向次用戶收 取費(fèi)用，b為次用戶可用的共享頻寬。假定次用戶使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，傳輸速率基于信道 質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)于QAM，在單輸入單輸出高斯白噪聲信道情況下BER(bit error rate)可 以估計(jì)為<formula>formula see original document page 6</formula>(2)y為接收端的信噪比(SNR)，k > 0為所使用的調(diào)制技術(shù)的頻譜效率。為了保證 傳輸質(zhì)量，設(shè)定 為目標(biāo)值。次用戶的傳輸頻譜效率為<formula>formula see original document page 6</formula>(3)其中<formula>formula see original document page 6</formula>假設(shè)對(duì)于次用戶i，已知接收端信噪比 和分配頻譜b”并可以測(cè)得傳輸速率。本發(fā)明利用寡頭市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下的古諾模型建立頻譜分配模型，參與者為共享頻譜的 次用戶N，每個(gè)次用戶i所分配的頻譜大小h ^ 0為每個(gè)參與者的策略，支付函數(shù)即為次用 戶的收益。寡頭市場(chǎng)的商品即為頻譜。所有次用戶根據(jù)所需求的頻譜大小彼此競(jìng)爭(zhēng)，各自 的利潤(rùn)可以通過主用戶收取的費(fèi)用和利用分配頻譜獲得的收益來計(jì)算，所有的次用戶都希 望通過競(jìng)爭(zhēng)獲取最高的利益。建立這個(gè)頻譜分配模型的目的就是通過利用均衡使得次用戶 收益最大，從而提高頻譜利用率。在認(rèn)知無線電環(huán)境中，主用戶在獲取頻譜資源授權(quán)時(shí)，已投入大量的經(jīng)濟(jì)成本，合 理的定價(jià)策略可以降低認(rèn)知用戶間的干擾，提高頻譜效用，主用戶向每個(gè)次用戶收取的單 位帶寬價(jià)格為<formula>formula see original document page 6</formula>
其中y，X均為常數(shù)，且y>0，x彡1。x (b》可理解為單位帶寬的最低價(jià)格，單 位帶寬價(jià)格是共享帶寬總和的函數(shù)，y可理解為所共享的帶寬總和對(duì)價(jià)格的邊際影響，B = {b” . . . bN}表示所有次用戶的策略集合。當(dāng)次用戶占用頻譜帶寬越寬，對(duì)其他用戶干擾越
大，則次用戶的單位成本越高[17]。所以設(shè)x(bi) = Xb”其中\(zhòng) >0，單位帶寬的價(jià)格為<formula>formula see original document page 7</formula>2)計(jì)算效益函數(shù)假設(shè)分配信道之間的保護(hù)帶寬是固定的并且很小，任一次用戶i的收益由單位傳 輸速率產(chǎn)生的收益^來表示Ui(B) = riXkiXbi-bic(B)(6)每個(gè)次用戶i的邊際利潤(rùn)函數(shù)為<formula>formula see original document page 7</formula>B_i = {bjl j = 1, ... , N ；j乒i}表示除了次用戶i的策略之外的所有策略集合， 任一次用戶i的最優(yōu)頻譜分配大小與其他次用戶的策略有關(guān)，因此，通過求解納什均衡使 每個(gè)次用戶都達(dá)到最優(yōu)。即
<formula>formula see original document page 7</formula>(8)集合礦=權(quán),..力U表示博弈的納什均衡解當(dāng)且僅當(dāng)y =mAB'J,Vi。假設(shè)每個(gè)次
用戶都已知其他次用戶所分配的頻譜大小，次用戶i對(duì)應(yīng)的函數(shù)為<formula>formula see original document page 7</formula>3)求解納什均衡通過求得納什均衡解，每個(gè)次用戶獲得自身的最大利潤(rùn)，將所分配的頻譜劃分為 若干信道的集合，即為每個(gè)次用戶某個(gè)時(shí)刻的可用頻譜集合SOP。在選擇路由時(shí)需要考慮通 信的雙方有公共的傳輸信道，通過交換SOP集合信息判斷是否存在交集，從而選擇特定的 信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。4)組播路由發(fā)現(xiàn)組播樹建立采用類似MA0DV的基本流程，每個(gè)組播組都有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)維護(hù) 和更新本組的序列號(hào)，并定期用Group Hello包廣播序列號(hào)。multicast樹由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)與 若干個(gè)目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，當(dāng)且僅當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的并沒有有效路由時(shí)，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)按需啟動(dòng)路 由發(fā)現(xiàn)過程，用接收節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)模式構(gòu)造multicast樹，利用MIP算法從multicast樹中選擇 節(jié)點(diǎn)作為其接入節(jié)點(diǎn)?；谡J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配不均勻，各節(jié)點(diǎn)的SOP集合各不相同且動(dòng)態(tài)變化的 特點(diǎn)，在啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)必須將自身的S0P集合信息封裝在RREQ中廣播出去；轉(zhuǎn) 發(fā)時(shí)節(jié)點(diǎn)也將自己的S0P集合加入RREQ中的S0P集合鏈表，收到RREQ的節(jié)點(diǎn)比較S0P集 合鏈表中最近集合與自己的S0P集合，當(dāng)且僅當(dāng)存在交集時(shí)才繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。這樣能確保RREQ沿著空間和頻譜切換上都可行的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。5)組播路由回復(fù)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)計(jì)算建立鏈路的能量消耗增值<，將g和所選的頻段加入路由回 復(fù)報(bào)文RREP中，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP以回復(fù)加入請(qǐng)求。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的RREQ中沿途節(jié) 點(diǎn)的SOP集合分布情況率先分配頻段，然后將所選頻段封裝在RREP消息中發(fā)往源節(jié)點(diǎn)。中 間節(jié)點(diǎn)從接收到的RREP消息中提取各下游節(jié)點(diǎn)已分配的頻段，連同先前從RREQ報(bào)文中提 取的上游節(jié)點(diǎn)SOP集合分布，就能計(jì)算出目前最適合的工作頻段，同時(shí)更新路由表，最后生 成新的RREP繼續(xù)回送到源節(jié)點(diǎn)。這種路由方式能夠使節(jié)點(diǎn)都準(zhǔn)確知道下一跳節(jié)點(diǎn)的工作 頻段，從而快速找到能通過適當(dāng)頻段切換建立通信的多跳路徑。6)組播樹的維護(hù)組播路由協(xié)議必須追蹤和處理組播樹的變化，即當(dāng)一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)退出組播組時(shí)， 協(xié)議要進(jìn)行樹的剪枝；當(dāng)樹節(jié)點(diǎn)間的鏈路中斷時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行鏈路的修復(fù)。為了節(jié)省能量開 銷，采用主動(dòng)應(yīng)答來監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏈路斷開時(shí)才修復(fù)或重新查找路由，從而達(dá)到維 護(hù)multicast樹的目的。組播成員自己決定是否退出這個(gè)組播組，任何節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)在任何時(shí)刻解除和周 圍節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，如果是非葉節(jié)點(diǎn)退出組播組，改變自己的成員狀態(tài)，但保持為組播樹的中間 節(jié)點(diǎn)；如果是葉節(jié)點(diǎn)離開組播組，首先單播發(fā)送一個(gè)MACT消息到上游節(jié)點(diǎn)，并刪除自己路 由表中對(duì)應(yīng)的路由項(xiàng)，接收到MACT的上游節(jié)點(diǎn)將退出組播樹的下游節(jié)點(diǎn)從路由表中刪除， 節(jié)點(diǎn)的剪除造成了組播樹的改變，因此上游節(jié)點(diǎn)繼續(xù)相同的處理過程，直至到達(dá)一個(gè)成員 節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)非葉節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及能量的消耗，造成組播樹局部重新構(gòu)建，從而導(dǎo)致非最優(yōu)組 播樹出現(xiàn)，因此每隔一段時(shí)間要由源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過程，以連接到組播樹上。根據(jù)以上步驟建立基于能量?jī)?yōu)化的組播樹，最終實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的組播路 由方法。


圖1基于能量?jī)?yōu)化的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)組播路由具體實(shí)現(xiàn)流程。圖2組播樹構(gòu)造算法。
具體實(shí)施例方式下面以一個(gè)實(shí)例來介紹所述方法的具體實(shí)施過程。通過一個(gè)例子說明multicast樹構(gòu)造算法的執(zhí)行情況。Multicast樹由源節(jié)點(diǎn)S 與目的節(jié)點(diǎn){(^，(^，(^，山，d5，d6，d7}構(gòu)成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i為待加入節(jié)點(diǎn)，設(shè)可用頻譜分為5個(gè) 信道，記為A，B, C，D，E，每個(gè)節(jié)點(diǎn)括號(hào)里的信息表示可用信道的集合，如圖2(a)所示。節(jié)點(diǎn)i廣播包含可用信道集合的RREQ報(bào)文，在與鄰接點(diǎn)可用信道集合上接收到由 d2，d3，d4，d6發(fā)送的RREP報(bào)文。通過計(jì)算比較RREP信息中multicast樹節(jié)點(diǎn)d2，d3，d4，d6 的《值，得到& < P4, < K < P'm，選擇節(jié)點(diǎn)d2作為i的接入節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i通過提取RREP信息 中節(jié)點(diǎn)d2的SOP集合信息，其中，S0Pd2 = {A，B} SOP! = {A，C}，取可用信道S0Pd2 n SOP!= A。如圖2(b)所示。路由協(xié)議達(dá)到如下指標(biāo)
1.路由具有良好的完備性。建立、維護(hù)、算法有機(jī)結(jié)合在一起；2.算法時(shí)間復(fù)雜度不超過0(n2)；3.路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)延遲小、收斂快、開銷低且安全性高。
權(quán)利要求
一種基于能量?jī)?yōu)化的認(rèn)知無線電組播路由方法，所述方法步驟如下1.1網(wǎng)絡(luò)模型的建立本發(fā)明，定義認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)包括一些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無向圖G＝(V，E)，V是所有節(jié)點(diǎn)集合，E是雙向鏈路集合；假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)特定時(shí)刻所剩余能量為Ei，在一個(gè)基于源節(jié)點(diǎn)的組播樹中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗是由它到子節(jié)點(diǎn)的距離決定的；基于源節(jié)點(diǎn)的組播樹T中節(jié)點(diǎn)i的能量消耗為其中，ET和ER分別表示發(fā)送和接收單位數(shù)據(jù)包所消耗的能量，di是節(jié)點(diǎn)i到它最遠(yuǎn)子節(jié)點(diǎn)的傳輸距離，α是無線傳播能量損耗常量，通常取為2~4；K是與天線特征相關(guān)的常數(shù)；1.2建立古諾博弈模型在認(rèn)知無線電環(huán)境中，主用戶在獲取頻譜資源授權(quán)時(shí)，已投入大量的經(jīng)濟(jì)成本，合理的定價(jià)策略可以降低認(rèn)知用戶間的干擾，提高頻譜效用，當(dāng)次用戶占用頻譜帶寬越寬，對(duì)其他用戶干擾越大，則次用戶的單位成本越高，因此設(shè)定主用戶向每個(gè)次用戶收取的單位帶寬價(jià)格為 <mrow><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>&lambda;b</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>y</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>&tau;</mi></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中λ，y，τ均為常數(shù)，且λ＞0，y≥0，τ≥1；y可理解為所共享的帶寬總和對(duì)價(jià)格的邊際影響，B＝{b1，...bN}表示所有次用戶的策略集合；1.3計(jì)算效益函數(shù)假設(shè)分配信道之間的保護(hù)帶寬是固定的并且很小，任一次用戶i的收益由單位傳輸速率產(chǎn)生的收益ri來表示ui(B)＝ri×ki×bi-bic(B)(2)每個(gè)次用戶i的邊際利潤(rùn)函數(shù)為 <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi> </mrow> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>b</mi></mrow><mi>i</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>&lambda;b</mi> </mrow> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mi>y</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>&tau;</mi></msup><mo>-</mo><msub> <mi>yb</mi> <mi>i</mi></msub><mi>&tau;</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mi>&tau;</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>B-i＝{bj|j＝1，...，N；j≠i}表示除了次用戶i的策略之外的所有策略集合，任一次用戶i的最優(yōu)頻譜分配大小與其他次用戶的策略有關(guān)，因此，通過求解納什均衡使每個(gè)次用戶都達(dá)到最優(yōu)，即集合表示博弈的納什均衡解當(dāng)且僅當(dāng)假設(shè)每個(gè)次用戶都已知其他次用戶所分配的頻譜大小，次用戶i對(duì)應(yīng)的函數(shù)為 <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi> </mrow> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>b</mi></mrow><mi>i</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>&lambda;b</mi> </mrow> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mi>y</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>&tau;</mi></msup><mo>-</mo><msub> <mi>yb</mi> <mi>i</mi></msub><mi>&tau;</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mi>&tau;</mi><mo>-</mo><mi>i</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>1.4求解納什均衡通過求得納什均衡解，每個(gè)次用戶獲得自身的最大利潤(rùn)，將所分配的頻譜劃分為若干信道的集合，即為每個(gè)次用戶某個(gè)時(shí)刻的自身可用頻譜集合SOP；1.5組播樹的建立1.51組播路由發(fā)現(xiàn)組播樹建立采用類似MAODV的基本流程，multicast樹由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，當(dāng)且僅當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的并沒有有效路由時(shí)，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)按需啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，用接收節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)模式構(gòu)造multicast樹，利用MIP算法從multicast樹中根據(jù)MIC和SOP集信息選擇節(jié)點(diǎn)作為其接入節(jié)點(diǎn)；基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配不均勻，各節(jié)點(diǎn)的SOP集合各不相同且動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，在啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)發(fā)與路由回復(fù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)和收到RREQ的節(jié)點(diǎn)都要考慮自身SOP集合信息，同時(shí)考慮選擇最小的建立鏈路的能量消耗增值因素進(jìn)行選路；1.52組播路由回復(fù)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)計(jì)算建立鏈路的能量消耗增值將和所選的頻段加入路由回復(fù)報(bào)文RREP中，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP以回復(fù)加入請(qǐng)求；目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的RREQ中沿途節(jié)點(diǎn)的SOP集合分布情況率先分配頻段，然后將所選頻段封裝在RREP消息中發(fā)往源節(jié)點(diǎn)；中間節(jié)點(diǎn)從接收到的RREP消息中提取各下游節(jié)點(diǎn)已分配的頻段，連同先前從RREQ報(bào)文中提取的上游節(jié)點(diǎn)SOP集合分布，就能計(jì)算出目前最適合的工作頻段，同時(shí)更新路由表，最后生成新的RREP繼續(xù)回送到源節(jié)點(diǎn)；這種路由方式能夠使節(jié)點(diǎn)都準(zhǔn)確知道下一跳節(jié)點(diǎn)的工作頻段，從而快速找到能通過適當(dāng)頻段切換建立通信的多跳路徑；1.53組播樹的維護(hù)組播路由協(xié)議必須追蹤和處理組播樹的變化，即當(dāng)一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)退出組播組時(shí)，協(xié)議要進(jìn)行樹的剪枝；當(dāng)樹節(jié)點(diǎn)間的鏈路中斷時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行鏈路的修復(fù)；為了節(jié)省能量開銷，采用主動(dòng)應(yīng)答來監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏈路斷開時(shí)才修復(fù)或重新查找路由，從而達(dá)到維護(hù)multicast樹的目的。FSA00000111788800011.tif,FSA00000111788800021.tif,FSA00000111788800022.tif,FSA00000111788800023.tif,FSA00000111788800024.tif,FSA00000111788800026.tif,FSA00000111788800027.tif
全文摘要
本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電CR領(lǐng)域，尤其涉及CR網(wǎng)絡(luò)中的組播路由協(xié)議。本發(fā)明一種基于能量?jī)?yōu)化的認(rèn)知無線電組播路由方法，所述方法步驟如下網(wǎng)絡(luò)模型的建立；建立古諾博弈模型；計(jì)算效益函數(shù)；求解納什均衡；組播樹的建立。本發(fā)明給出認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于能量?jī)?yōu)化的組播路由算法，通過根據(jù)經(jīng)典古諾靜態(tài)模型，建立認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配的模型，以達(dá)到高效的頻譜分配率。同時(shí)考慮能量?jī)?yōu)化，根據(jù)最小增量MIC和按需驅(qū)動(dòng)的思想，利用路由選擇與頻譜分配跨層設(shè)計(jì)的方式解決動(dòng)態(tài)頻譜選擇的問題，設(shè)計(jì)出適應(yīng)于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜多樣性、動(dòng)態(tài)性、差異性特點(diǎn)的組播路由算法。
文檔編號(hào)H04W40/10GK101827418SQ201010171610
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者周賢偉, 張羲, 杜利平, 王超 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)