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公布日期
2020-09-18 公布专利
2020-09-15 公布专利
2020-09-11 公布专利
2020-09-08 公布专利
2020-09-04 公布专利
2020-09-01 公布专利
2020-08-28 公布专利
2020-08-25 公布专利
2020-08-21 公布专利
2020-08-18 公布专利
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[发明专利]基于频谱感知的地理机会路由协议在审

基于频谱感知的地理机会路由协议,通过频谱感知发现本地频谱的接入机会,提高路由协议每跳的传输性能,为了适应信道动态性,SUs机会接入本地空闲信道并转发数据包,采用地理位置和信道的使用可用概率从多个候选节点中机会的选择中继节点,协议中每跳中继选择分为频谱感知、路由发现和路由响应三个阶段。本发明有益效果:传输路径较短,信道切换次数较少,端到端时延和能量消耗较小,降低了授权用户即主用户的干扰。

技术领域

本发明涉及无线电通信技术领域,具体地说是基于频谱感知的地理机会路由协议。

背景技术

近几十年以来,无线通信技术得到巨大的发展,从广播、收音机、电视到移动电话,再到现在随处可见的无线通信应用,使得人们对无线频谱资源的需求日益增加。但是大多数频带被分配到一定的服务,而且全球频谱占用率测试表明,授权频段频谱资源利用率却非常低。此时,认知无线电网络(cognitive radio network,CRN)受到了广泛的关注,能有效提高频谱使用效率,满足人们对宽带无线通信的用户需求。在CRN中,认知用户,也称为次用户(secondaryusers,SUs)可以机会式使用主用户(primary users,PUs)空闲的授权频谱。因此,对授权频谱的接入和利用是CRN中研究的核心问题。

为了充分发挥多跳CRN的潜力,支持多媒体应用,认知无线网络路由机制必须考虑到认知环境的动态频谱接入。现有研究工作主要集中在有效的频谱感知和物理层和MAC层的共享机制。但是在多跳CRN中,分布在不同位置的SUs可能在多个信道上对PUs的模式有不同的观点,因此需要SUs之间的互相协作。现有提出的地理路由协议TIGHT,提供三种路由模式,并允许二级用户充分检测授权信道的传输机会而不会影响主要用户(PU)。采用贪婪地里转发模式发送数据包直到遇到PU区,一旦恢复转发后进一步围绕PU区转发。在PU活跃度较低的情况下,协议工作良好。也有人提出一种基于多路径网格的地理路由MGGR协议,该协议将网络视为逻辑3D网格。路由通过网格的方式采用不相交信道将数据分组中继到汇聚节点。还有基于贪婪的地理转发路由协议,选择拥有最大距离增益的候选节点作为下一跳中继节点,以最小化到目的节点的跳数。而SEARCH虽然也采用了地理转发原则,但是并不是纯粹的贪婪前进选择下一跳,而是在特定的区域内选择。以上方法在某种程度下能提高路由的稳定性,但是没有考虑到路由节点业务量大时,中继节点由于超负荷运转造成队列延迟和频繁的信道切换问题。以上协议的路径选择决议都是由目的节点进行的,加重了目的节点的业务量。

为了提高CRN的稳定性,减低端到端的时延,防止目的节点超负荷运转,充分利用信道信息,我们通过定期更新路由,改进SEARCH来适应动态变化频谱接入机会,提出一种基于频谱感知的地理机会路由协议。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于频谱感知的地理机会路由协议,提高认知无线电网络的稳定性,减低端到端的时延,防止目的节点超负荷运转,充分利用信道信息,提高信道接入机会,降低PU活动的影响,增强网络性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:基于频谱感知的地理机会路由协议,包括以下步骤:

步骤1、频谱感知:发送节点SSU在公共控制信道上广播former消息给所要感知数据信道上的相邻节点SUs,相邻节点SUs接收到Former消息后,将所选的数据信道设置为不可访问,降低信道感知期间的同频干扰;发送节点SSU通过扩散频谱感知算法与其邻节点进行检测信息融合,得到最终的判决信息,再与之前的信道状态联合确定主用户PU是否使用该频谱;

步骤2、路由发现:发送节点从最佳转发区域中选择最佳转发节点作为下一跳中继节点,被选择的合格的中继节点继续作为发送节点寻找下一跳中继节点,直到消息到达目的节点;

步骤3、路由响应:目的节点收到第一个RREQ控制包后,就启动路由响应过程,首先启动一个定时器,在定时器结束后,如果没有收到其他RREQ包,就按照第一个RREQ包建立反向路由,把路径所有节点信息以及所选的信道封装到RREP控制包中,并沿此路径发送,RREP控制包包含源节点地址、目的节点地址、整条路径的路由中继ID和信道选择信息;如果多个RREQ包从不同的路径到达目的节点,则需要对这些路由进行筛选,根据每个RREQ包中TimeStamp记录的时间与当前时间计算RREQ包到达目的节点的时延DRREQ,并从小到大依次排序,选择时延最短的作为数据传输路由。

本发明所述步骤1中Former消息在公共控制信道中的传播遵循IEEE802.11MAC中指定的CSMA/CA机制。

本发明所述步骤1中的扩散频谱感知算法包括以下步骤:

(1)网络初始化:发送节点i分别独立地对信号进行L次本地检测得到自身观测的检测量(yi,1yi,2yi,3…yi,L);

(2)扩散更新过程:k时刻发送节点i利用自身观测的检测量(yi,1yi,2yi,3…yi,L)与其邻节点检测量对节点i的扩散作用进行数据融合,得到k时刻节点i的检测量

且其中i≠j;

Ni,k表示节点i在k时刻的临界点集;

因此估计值Mi计算如下:

(3)频谱状态判决:其中λ为判决门限,xi=0表示频谱空闲,发送节点可利用该信道,xi=1则相反。

本发明所述步骤2路由发现的具体过程为:

(1)当信道被感知为空闲,发送节点首先在公共控制信道广播路由请求消息RREQ,通知最佳转发区域的邻节点其有信息要发送,其中RREQ包包含源节点地址、目的节点地址、整条路径的路由ID和信道选择信息;

(2)最佳转发区域中的节点收到RREQ消息后首先判断自己是否是目的节点,如果是目的节点,则结合自身信道列表选择最佳信道,生成RREP;如果不是目的节点,则判断自己是否与上一节点存在公共可用信道,如果存在,则计算中继前进距离并发送中继前进距离给发送节点,如果不存在公共可用信道,则丢弃RREQ包结束并等待下一个RREQ包;

(3)发送节点收到消息后选择最佳转发区域内的有较大中继前进距离的邻节点作为合格的中继节点;

(4)合格的中继节点收到RREQ消息后,添加自己节点ID、位置和信道信息继续转发RREQ消息。

本发明所述步骤2中选择下一跳中继节点的方法为:

(1)发送节点根据自己的位置信息和目的节点的位置信息检测到最佳转发区域的所有符合条件的节点,形成候选节点集;

(2)针对每个候选节点的位置信息,进行中继前进距离排序,选择具有公共信道的满足最大前进距离的节点作为中继节点,中继前进距离的计算公式为:

Dssu-tsu=Dssu-rsu-Dtsu-rsu,其中ssu表示发送节点,tsu表示中继节点,rsu表示目的节点;

(3)被选择的中继节点收到RREQ后,继续作为发送节点寻找下一跳中继节点,直到RREQ消息到达目的节点。

本发明所述步骤2中最佳转发区域的确定方法为:假设SSU为发送节点,RSU为目的节点,在SSU的通信范围内但不在主用户PU的通信范围内的区域为潜在转发区域,则直线SSU-RSU分别向上向下扩展α的扇形区域与潜在转发区域的交集为最佳转发区域,该区域的节点为中继候选节点。

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