[发明专利]认知无线电系统中一种基于频谱效用的协同路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于基于认知无线电技术的自组织网络中认知用户寻找路由的实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

传统的无线通信系统采用的是静态频谱分配策略，即授权用户对其分配的频谱有独占性，其他用户不能使用。虽然这种频谱分配方式有利于保证系统的服务质量，但是由于通信业务在地域、时域、频域上的不均衡性，使频谱资源没有得充分的利用。FCC大量研究报告表明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权的频段占用拥挤，而有些授权频带则经常是空闲状态。由于无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺，因此急需一种全新的的、优化使用频谱资源的无线通信技术。而动态频谱接入（Dynamic SpectrumAccess,DSA）技术是解决目前频谱低效利用的有效技术。

认知无线电（CR：Cognitive Radio）认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrumallocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。在认知无线电系统中认知用户有两种工作方式：频谱交叉（Overlay）方式和频谱重叠（Underlay）方式。当认知用户工作方式是频谱交叉（Overlay）方式时，即认知用户可以通过检测频谱资源寻找频谱空洞，从而接入到该空洞，但当主用户出现在该频段上时，认知用户应当立刻给主用户腾出频段。认知用户与主用户使用的频段互不重叠。当认知用户工作方式是频谱重叠（Underlay）方式时，即只要认知用户对主用户的干扰低于一定门限值时，认知用户就可以接入到已经授权给主用户的频段。在Underlay方式的认知无线电系统中，认知用户总可以通过调整发射功率使干扰小于门限值，从而可以接入到授权给主用户的频段。

认知无线电技术在许多领域都可以得到利用，尤其是在分布式AdHoc网络中将会得到广泛应用。对于基于认知无线电的Ad Hoc网络，因为其开放式频谱和动态频谱接入的特性，传统的路由协议已无法满足此类网络对动态路由的需求，因此需要设计新的路由算法。

AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，网络中的节点均由移动主机构成。其主要特点有：独立组网，在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络；动态拓扑，这是由网络中的节点可以随时移动，以及可以随时加入或离开网络所决定的；无线通信带宽有限，由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多，除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值；多跳路由，当节点需要同覆盖范围之外的节点进行通信时，就需要借助其他节点的转接来完成；安全性差，由于每个节点可以作为终端或转接节点，因此更加容易收到入侵或窃听等恶意破坏行为。在有线网络无法使用时，使用AdHoc网络快速组建起的自组织网能提供通信和信息的接入，从而保证了该环境下的通信，Ad Hoc网络广泛地应用于军事通信、应急通信等领域。

在多信道的无线多跳网络中，有效地使用多信道，允许多个传输同时发生，不仅可以提高网络的吞吐量，还可以减少传输数据过程中为竞争信道而增加的等待时延，降低网络拥塞和冲突碰撞。由于Ad Hoc网络中现有的路由协议基本都是基于最短距离路由，在单信道网络中可以有效的选择路由，但是由于没有考虑网络中可用信道的多样性，因此这类协议在多信道无线网络的性能就无法得到保障。

在多信道AdHoc认知网络中，可以结合认知无线电中的学习和决策算法，让每个网络节点都具有学习能力，根据网络的当前状况，动态地选择合适的信道和路由，进一步提高网络性能。在Ad Hoc网络中引入CR技术对路由协议也带来了一些影响，传统的路由指标如跳数、拥塞等作为路由选择的依据已不够充分，所以需要引入新的路由指标，如信道切换次数、信道切换频率等。另外，一般的多跳Ad Hoc网络在发送分组时需要预先确定通信路由，采用CR技术后，因来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断地更改路由，因此Ad Hoc认知网络中，路由技术非常关键的技术。

发明内容