[發明專利]一種基于能量優化的認知無線電組播路由方法

有效

• 申請號: 201010171610.X
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101827418A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 周賢偉;杜利平;張羲;王超
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 劉淑芬

1.一種基于能量優化的認知無線電組播路由方法，所述方法步驟如下：

1.1網絡模型的建立

本發明，定義認知無線電網絡包括一些移動節點和路由，拓撲結構為無向 圖G＝(V，E)，V是所有節點集合，E是雙向鏈路集合；假設網絡中任一節點特定 時刻所剩余能量為Ei，在一個基于源節點的組播樹中，每個節點的能量消耗是由 它到子節點的距離決定的；基于源節點的組播樹T中節點i的能量消耗為：

其中，E^T和E^R分別表示發送和接收單位數據包所消耗的能量，d_i是節點i到 它最遠子節點的傳輸距離，α是無線傳播能量損耗常量，通常取為2～4；K是與 天線特征相關的常數；

1.2建立古諾博弈模型

假設認知無線電網絡有一個主用戶和N個與主用戶共享頻譜的次用戶，次 級用戶彼此間相互競爭以共享主用戶提供的頻寬，而主用戶以單位帶寬c(b)的價 格向次用戶收取費用，b為次用戶可用的共享頻寬；假定次用戶使用自適應調制 技術，傳輸速率基于信道質量動態調整，對于QAM，在單輸入單輸出高斯白噪聲 信道情況下BER(bit?error?rate)可以估計為：

BER≈0.2exp(-1.5γ(2k-1))]]>

γ為接收端的信噪比(SNR)，k＞0為所使用的調制技術的頻譜效率；為了保 證傳輸質量，設定為目標值；次用戶的傳輸頻譜效率為：

k_i＝log₂(1+Kγ_i)

其中，K=1.5ln0.2/BERitar;]]>

假設對于次用戶i，已知接收端信噪比γ_i，和分配頻譜b_i，并可以測 得傳輸速率；

在認知無線電環境中，主用戶在獲取頻譜資源授權時，已投入大量的經濟成 本，合理的定價策略可以降低認知用戶間的干擾，提高頻譜效用，當次用戶占用 頻譜帶寬越寬，對其他用戶干擾越大，則次用戶的單位成本越高，因此設定主用 戶向每個次用戶收取的單位帶寬價格為：

c(B)=λbi+y(Σjbj)τ---(1)]]>

其中λ，y，τ均為常數，且λ＞0，y≥0，τ≥1；y可理解為所共享的帶寬總和對 價格的邊際影響，B＝{b₁，...b_N}表示所有次用戶的策略集合；

1.3計算效益函數

假設分配信道之間的保護帶寬是固定的并且很小，任一次用戶i的收益由單 位傳輸速率產生的收益r_i來表示：

u_i(B)＝r_i×k_i×b_i-b_ic(B)(2)

每個次用戶i的邊際利潤函數為：

∂ui(B)∂bi=riki-2λbi-y(Σjbj)τ-ybiτ(Σjbj)τ-1---(3)]]>

B_-i＝{b_j|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的最優頻譜分配大小與其他次用戶的策略有關，因此，通過求解納什 均衡使每個次用戶都達到最優，即

集合表示博弈的納什均衡解當且僅當

假設每個次用戶都已知其他次用戶所分配的頻譜大小，次用戶i對應的函數 為：

∂ui(B)∂bi=0=riki-2λbi-y(Σjbj)τ-ybiτ(Σjbj)τ-i---(5)]]>

1.4求解納什均衡

通過求得納什均衡解，每個次用戶獲得自身的最大利潤，將所分配的頻譜劃 分為若干信道的集合，即為每個次用戶某個時刻的自身可用頻譜集合SOP；

1.5組播樹的建立

1.51組播路由發現

組播樹建立采用類似MAODV的基本流程，multicast樹由一個源節點與若干個 目的節點構成，當且僅當有數據要發送并沒有有效路由時，認知節點按需啟動路 由發現過程，用接收節點驅動模式構造multicast樹，利用MIP算法從multicast 樹中根據最小增量MIC和SOP集信息選擇節點作為其接入節點；

基于認知無線電網絡頻譜分配不均勻，各節點的SOP集合各不相同且動態變 化的特點，在啟動路由發現、轉發與路由回復時，源節點和收到RREQ的節點都要 考慮自身SOP集合信息，同時考慮選擇最小的建立鏈路的能量消耗增值因素進行 選路；

1.52組播路由回復

收到RREQ的節點計算建立鏈路的能量消耗增值P′_ij，將P′_ij和所選的頻段加入 路由回復報文RREP中，向源節點發送RREP以回復加入請求；目的節點根據收到的 RREQ中沿途節點的SOP集合分布情況率先分配頻段，然后將所選頻段封裝在RREP 消息中發往源節點；中間節點從接收到的RREP消息中提取各下游節點已分配的頻 段，連同先前從RREQ報文中提取的上游節點SOP集合分布，就能計算出目前最適 合的工作頻段，同時更新路由表，最后生成新的RREP繼續回送到源節點；這種路 由方式能夠使節點都準確知道下一跳節點的工作頻段，從而快速找到能通過適當 頻段切換建立通信的多跳路徑；

1.53組播樹的維護

組播路由協議必須追蹤和處理組播樹的變化，即當一個成員節點退出組播組 時，協議要進行樹的剪枝；當樹節點間的鏈路中斷時，要及時進行鏈路的修復； 為了節省能量開銷，采用主動應答來監測鏈路狀態，當發現鏈路斷開時才修復或 重新查找路由，從而達到維護組播樹的目的。