基于平均時(shí)延估計(jì)的多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于平均時(shí)延估計(jì)的多跳認(rèn)知 無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線通信設(shè)備的不斷普及，人們對(duì)無(wú)線頻譜資源的需 求持續(xù)增長(zhǎng)?，F(xiàn)有的固定頻譜分配策略已經(jīng)導(dǎo)致頻譜利用率嚴(yán)重不均衡，授權(quán)頻譜信道的 利用率極為低下，而非授權(quán)頻譜信道卻異常擁堵的狀況。為了解決頻譜總體利用率低下的 問題，認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio,以下簡(jiǎn)稱CR)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，已成為高效利用無(wú)線頻 譜資源的關(guān)鍵技術(shù)。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)存在兩類用戶:主用戶(也稱授權(quán)用戶、Primary User) 和次用戶（也稱認(rèn)知用戶、Secondary User)。主用戶使用固定頻譜分配的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系 統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以在保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，允許次用戶以動(dòng)態(tài)接入方式使 用主用戶的空閑頻譜資源。次用戶依靠所裝備的具有CR功能的收發(fā)設(shè)備，能夠主動(dòng)感知、識(shí) 別和使用主用戶當(dāng)前未使用的授權(quán)頻譜信道，并且在主用戶出現(xiàn)時(shí)能夠快速退出正在使用 的頻譜信道而不干擾主用戶。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的這種共享授權(quán)頻譜信道的使用方式極大提 高了頻譜利用率，具有重要的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)次用戶之間往往距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致 無(wú)法直接傳輸數(shù)據(jù)，因此需要經(jīng)過多個(gè)次用戶的依次轉(zhuǎn)發(fā)。這種需要多個(gè)次用戶的相互協(xié) 作，依次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)完成較遠(yuǎn)次用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)稱為多跳認(rèn)知 無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Multi-hop Cognitive Radio Network)。多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)由于其自組織 無(wú)中心的特點(diǎn)和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于軍事通信、緊急服務(wù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境監(jiān) 控等眾多領(lǐng)域和實(shí)際場(chǎng)景。
[0004] 但是，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)由于存在可用頻譜的時(shí)變性、多樣性和差異性，不能直接使 用傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由算法，而從現(xiàn)有的研究成果上看，現(xiàn)有多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由方法 都沒有考慮平均傳輸時(shí)延對(duì)路由的影響，在進(jìn)行路由選擇時(shí)沒有考慮利用所有空閑頻譜傳 輸給定大小的數(shù)據(jù)時(shí)的傳輸成功概率和傳輸所需時(shí)間。因此，在充分考慮平均傳輸時(shí)延對(duì) 路由性能影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種適用于多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的高效路由方法，具有十分 重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述部分問題，本公開提供了一種基于平均時(shí)延估計(jì)的多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò) 路由方法，以提高路由效率，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和提高數(shù)據(jù)投遞率。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開提出了一種基于平均時(shí)延估計(jì)的多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò) 路由方法，所述方法包括下述步驟：
[0007] S100、確定從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的無(wú)環(huán)路徑；
[0008] S200、基于相鄰節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延計(jì)算每條無(wú)環(huán)路徑的平均時(shí)延；
[0009] S300、選擇平均時(shí)延最小的路徑作為路由路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟S300中在數(shù)據(jù)傳輸之前，還包括下述步驟：
[0011] S301、根據(jù)所選的路徑選擇當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎妙l譜信道。
[0012] 優(yōu)選的，所述可用頻譜信道的選擇按照下一跳節(jié)點(diǎn)中成功傳輸數(shù)據(jù)的概率從大到 小的順序依次進(jìn)行選擇。
[0013] 優(yōu)選的，所述S200進(jìn)一步包括下述步驟：
[0014] S201、根據(jù)以下公式計(jì)算路徑上任意相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均時(shí)延I:
[0016] 其中，n是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間公共空閑頻譜的數(shù)目，t是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過任意頻譜傳輸數(shù) 據(jù)時(shí)所用的時(shí)間，Pk是通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共空閑頻譜成功傳輸數(shù)據(jù)的概率;u是所 有公共頻譜的占用狀態(tài)的平均持續(xù)時(shí)間的最小值；
[0017] S202、將該路徑上所有相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均時(shí)延進(jìn)行累加求和運(yùn)算，將求和 的結(jié)果作為該路徑的平均時(shí)延。
[0018] 優(yōu)選的，當(dāng)公共可用頻譜的空閑狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布時(shí)，相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 間的平均時(shí)延的計(jì)算公式中Pk的計(jì)算公式如下：
[0020] 其中，e是自然常數(shù)，D是數(shù)據(jù)包的大小，Rk是通過相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共可 用頻譜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率;4是相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共可用頻譜的空閑狀 態(tài)的持續(xù)時(shí)間所服從的指數(shù)分布的參數(shù)。
[0021] 基于所述方法，設(shè)計(jì)了一種基于平均時(shí)延估計(jì)的多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)， 所述系統(tǒng)包括源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)；
[0022] 所述源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求消息經(jīng)相鄰節(jié)點(diǎn)廣播至目的節(jié)點(diǎn)；
[0023] 所述路由請(qǐng)求消息用以確定其廣播經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的路徑為無(wú)環(huán)路徑，以及用于 確定每條無(wú)環(huán)路徑的平均時(shí)延；
[0024] 所述每條無(wú)環(huán)路徑的平均時(shí)延基于相鄰節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延計(jì)算；
[0025] 所述源節(jié)點(diǎn)選擇平均時(shí)延最小的路徑作為路由路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0026]優(yōu)選的，所述路由請(qǐng)求消息中還存儲(chǔ)發(fā)送路由請(qǐng)求消息的節(jié)點(diǎn)所檢測(cè)到的所有空 閑頻譜的數(shù)據(jù)傳輸率、平均空閑時(shí)長(zhǎng)，以用于確定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎妙l譜信道。
[0027] 優(yōu)選的，所述可用頻譜信道的選擇按照下一跳節(jié)點(diǎn)中成功傳輸數(shù)據(jù)的概率從大到 小的順序依次進(jìn)行選擇。
[0028] 優(yōu)選的，所述計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)路徑的平均時(shí)延的方法包括下述步驟：
[0029] S201、根據(jù)以下公式計(jì)算路徑上任意相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均時(shí)延
[0031] 其中，n是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間公共空閑頻譜的數(shù)目，t是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過任意頻譜傳輸數(shù) 據(jù)時(shí)所用的時(shí)間，Pk是通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共空閑頻譜成功傳輸數(shù)據(jù)的概率;u是所 有公共頻譜的占用狀態(tài)的平均持續(xù)時(shí)間的最小值；
[0032] S202、將該路徑上所有相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均時(shí)延進(jìn)行累加求和運(yùn)算，將求和 的結(jié)果作為該路徑的平均時(shí)延。
[0033] 更優(yōu)的，當(dāng)公共可用頻譜的空閑狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布時(shí)，相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 間的平均時(shí)延的計(jì)算公式中Pk的計(jì)算公式如下：
[0035] 其中，e是自然常數(shù)，D是數(shù)據(jù)包的大小，Rk是通過相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共可 用頻譜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率;4是相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的第k個(gè)公共可用頻譜的空閑狀 態(tài)的持續(xù)時(shí)間所服從的指數(shù)分布的參數(shù)。
[0036] 本公開與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0037] 1)本公開方法及系統(tǒng)首次從估計(jì)端到端的平均時(shí)延的角度對(duì)路徑的各段上相鄰 兩個(gè)次用戶的可用頻譜的空閑時(shí)間特性和傳輸數(shù)據(jù)所需時(shí)間進(jìn)行綜合理論分析，在此基礎(chǔ) 上通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)得出準(zhǔn)確的端到端的平均時(shí)延公式，并用該公式選擇平均時(shí)延最小的 路徑。相比傳統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由方法，本公開方法綜合考慮了次用戶可用頻譜的空 閑時(shí)間特性和傳輸數(shù)據(jù)所需時(shí)間對(duì)路由決策的影響，提高了數(shù)據(jù)投遞率并降低了傳輸延 遲。
[0038] 2)本公開方法及系統(tǒng)在估計(jì)端到端的平均時(shí)延的過程中充分考慮了路徑上所有 相鄰節(jié)點(diǎn)之間的空閑頻譜的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)端到端平均時(shí)延的影響，使得在數(shù)據(jù)傳輸過程中 出現(xiàn)主用戶時(shí)，次用戶可以釋放正在使用的頻譜資源而轉(zhuǎn)向使用其他可用頻譜資源，從而 避免重新路由的風(fēng)險(xiǎn)，提尚了路由效率。
[0039] 3)本公開方法及系統(tǒng)在估計(jì)端到端的平均時(shí)延的過程中采用各段相鄰的兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)間的平均時(shí)延的累加求和運(yùn)算方法，使得所選擇的路徑在總體的角度上端到端的平均傳 輸時(shí)延最小，避免了傳統(tǒng)路由方法往往陷入局部最優(yōu)而整體路由性能較差的缺點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為本公開一個(gè)實(shí)施例中一個(gè)多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景圖；
[0041] 圖2為本公開一個(gè)實(shí)施例中提出的路由方法的流程圖；
[0042] 圖3為本公開一個(gè)實(shí)施例中的路由請(qǐng)求消息格式；
[0043] 圖4為本公開一個(gè)實(shí)施例中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
【具體實(shí)施方式】