[發明專利]一種基于跨層設計的分布式認知無線電網絡路由方法

無效

• 申請號: 200810241018.5
• 申請日: 2008-12-24
• 公開（公告）號: CN101437273A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: 周賢偉;王建萍;劉濤;林琳;王超;楊裕亮
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/16;H04B17/00
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明涉及一種在分布式認知無線電網絡中節點之間的路由選擇，特別是提供了一種基于跨層設計的認知無線電網絡路由方法。

背景技術

分布式認知無線電網絡由具有頻譜感知功能的對等節點構成，每個節點可以感知空閑頻譜，在不干擾授權用戶的前提下，充分利用感知到的空閑頻譜進行通信，以提高頻譜利用率。路由方法是用來建立節點之間的信息傳輸路徑，選擇需要轉發信息的中間節點。認知無線電網絡具有的頻譜動態性決定了其路由需要進行跨層設計。

由于認知無線電網絡中可用頻譜的動態性，現有的無線網絡路由協議均無法直接應用到該網絡中。目前，已經提出了幾種基于認知無線電網絡的跨層設計路由方法，其中較為典型的是文獻“A?Novel?Layered?Graph?Model?for?Topology?Formation?and?Routing?in?DynamicSpectrum?Access?Networks”公開的基于分層圖模型的動態頻譜接入網絡的路由方法，以及文獻“Route?and?Spectrum?Selection?in?Dynamic?Spectrum?Network”公開的基于沖突圖模型的路由選擇和頻譜分配方法。

基于分層圖模型的動態頻譜接入網絡路由方法的創新性在于分層圖的構造。在這個模型中，每一層對應于網絡中的一個信道。假設共有N個可用信道，則分層圖就有N層。圖的頂點對應于網絡中的節點和子節點，例如，節點A和它的子節點A₁，A₂，…，A_N，其中A_i在第i層，節點A不在任一層上。圖中連接節點與其子節點的邊稱為接入邊。水平邊連接同層上的兩個不同的子節點，它刻畫了兩個節點之間潛在的鄰居關系和可用的公共信道。垂直邊連接同一個節點的不同子節點，它不但刻畫了節點的空閑接口數對分層圖拓撲的影響，也暗示了這些節點能夠在不同的信道上接收和發送信息來避免鄰跳干擾。在對圖上的邊進行賦權之后，我們就可以進行路由選擇和接口分配了。總之，這是一個很有趣的跨層設計方法，分層圖的構造保證了在兩個子節點之間存在一條垂直邊當且僅當在接口數的限制下，該節點可以在不同的信道上進行信息的接收和發送。然而，這個模型過于復雜，不太適合認知無線電網絡頻繁重構的拓撲，并且，它并沒有對路由指標做具體的優化。

基于沖突圖模型的動態頻譜接入網絡路由方法研究了跨層設計的優勢以及折中。沖突圖的頂點對應于網絡中的單跳鏈路，如果兩個單跳鏈路不同時處于活動狀態，則在它們對應的兩個頂點之間連一條邊。在此沖突圖的基礎上，無沖突的時間和信道調度問題被轉化為一系列最大獨立集問題。文獻僅只在理論上研究了沖突避免問題，但是其較高的時間復雜度并不適合實際應用。

跨層設計的難點是信息的整合，解決它的關鍵在于如何將動態的信息以相對靜態的方式表現出來。認知無線電網絡中可用信道的時間可變性使得構造新的拓撲模型和設計時間復雜度低的算法成為必要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于跨層設計的認知無線電網絡路由方法，同時實現路由選擇和信道分配，并對跳數以及鄰跳干擾進行優化。

本發明涉及到的認知無線電網絡系統是由具有頻譜感知功能的節點組成，每個節點可以感知頻譜空穴，并在不干擾授權用戶的前提下，使用空穴中的空閑頻譜進行通信。

為了突出本發明提出的路由方法，在此不深入探討頻譜感知過程，假設頻譜感知結果，也即每個節點當前的可用信道信息已經獲得。在一個認知無線電網絡中，節點配備的是雙工的無線電收發裝置。首先針對當前的可用頻譜情況對網絡拓撲建立一個著色多重圖模型；然后對需要通信的節點對采用跨層設計算法進行路由選擇和信道分配；最后對著色多重圖和節點的接口數進行更新。其方法如下：

(a)著色多重圖模型的建立：給每個信道一個唯一的顏色標識，如果兩個節點彼此在對方的發射范圍之內，當前又有公共的可用信道，則它們互為潛在的鄰居節點。構造著色多重圖就是在每對潛在的鄰居節點之間連邊，并用它們的公共信道對應的顏色來對邊著色。這樣就得到了反映網絡拓撲和當前可用信道的著色多重圖G＝(V，E)，其中V表示頂點集，對應于網絡中的節點集，E表示邊集，對應于網絡中的鏈路集。定義權函數w：E(G)→R⁺以及顏色標號函數k：E(G)→{Ch1，Ch2，…，ChN}。其中權函數是定義在圖G的邊集上的函數，值域為正實數集，也即，權函數將圖G上的每一條邊對應于一個正實數。顏色標號函數也是定義在邊集上的函數，值域為信道集，也即，顏色標號函數將圖G上的每一條邊與一種顏色對應。