[发明专利]一种基于频谱感知的机会认知路由的方法

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及一种基于频谱感知的机会认知路由的方 法。

背景技术

认知无线电研究是随着人们认识的不断深化渐次展开的，早期主要集中在研究物理层 (PHY)和媒体访问控制子层(MAC)中，如何进行频谱感知、频谱接入和频谱共享的 探讨上，而由于频谱动态接入带来的节点可用信道随时间和空间变化的特性，使得认知无 线网络路由问题呈现出不同于传统无线网络的特点，路由研究成为认知无线网络研究的一 个重要方面。

与传统无线网络相比较，认知无线自组织网络(Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHNs)能够利用认知无线电动态频谱接入和频谱分集的特性对频谱资源进行机会再利 用以提高网络的容量，满足了目前用户高带宽频谱应用的需求，同时避免了给授权用户带 来有害干扰。但是，由于授权用户再次利用频谱在时间、空间和频谱上的不确定性，当授 权用户突然工作时，认知用户必须及时腾空所占用信道，切换到其它可用信道或中断当前 的数据传输才能够保证不给授权用户带来有害干扰。因此，认知用户在不干扰授权用户正 常使用频谱的同时，又要满足自身对频谱及路由质量的需求面临着许多问题及挑战，特别 是多跳通信CRAHNs。

认知无线Ad hoc网络路由所面临的技术挑战明显不同于传统无线网络路由，它实际 上可归结为两个主要挑战：选择适合的可用频谱(信道)和路由路径，这两个问题相辅相 成，不可分割，频谱的空闲可用性决定着路径的选择，路径的选择同时又影响着可用频谱 的分配，因此，认知无线Ad hoc网络的机会路由协议就变得相当复杂。在认知无线Ad hoc 网络中，除了因主用户活动，可用信道分集和异构信道等因素所产生的动态特性之外，复 杂的无线射频环境也会给路由的建立及维护带来严重影响，比如：阴影衰落和隐藏终端等 问题的存在。

为了充分挖掘认知无线Ad hoc网络的潜能，对认知无线Ad hoc网络路由策略的研究 已经涌现很多学术成果。在一些文献中，提出了频谱感知路由策略，将信道分配与路由建 立相结合以提高网络的性能。在一些文献中根据频谱可用性对路由链路稳定性进行了研 究。在一些文献中主要考虑射频环境感知，即感知主用户隐藏终端和暴露终端问题对路由 稳定性的影响，提出了建立稳定路由表的路由维护策略。而一些文献中采用跨层的思想， 将底层参数的选择融合到路由过程，旨在最小化认知无线网络频谱资源的使用。一些文献 中综合考虑了频谱可用性、频谱感知条件、信道选择优化、链路容量，主用户接收机的保 护等多个重要路由度量，提出了路由建立与维护的机制。有些文献的作者还提出了基于延 迟和能量的频谱感知路由协议，根据路径延迟和各跳认知节点能量来选择一条有效的路 由。在某些文献中，所提路由算法综合考虑路由和信道选择策略，旨在最大化网络吞吐量， 数据包传输速率和提高带宽可用性。另外有些文献研究了路由和信道选择策略以提高路由 的健壮性和最大化端到端吞吐量，该研究基于认知节点对主用户的干扰定义鲁棒性，通过 最小化认知节点对主用户的干扰来提升鲁棒性。在某些文献中，提出了一个跨层路由和动 态频谱分配策略(ROuting and Spectrum Allocation algorithm，ROSA)，此策略考虑了频 谱利用率和频谱空穴及主用户的活动，根据频谱利用率进行频谱分配，将吞吐量、公平度 索引、网络频谱利用率和平均延迟作为路由性能参数。在一些文献中，提出一个关于延迟 敏感度的路由协议，此协议将排队和传输延迟作为路由度量，旨在评估系统端到端的延迟 和包丢失率，虽有考虑PUs的活动，但没考虑频谱条件的动态性。即使研究了机会路由， 考虑了主用户活动模型和频谱感知，将频谱可利用时间和认知节点需求时间作为路由度量 来评估路由吞吐量。也介绍了跨层路由和信道选择联合设计的路由协议，即备份信道和协 作信道切换(Backup Channel and Cooperative Channel Switching，BCCCS)，此协议依据 AODV协议，将资源消耗和路由稳定性作为路由度量来评估系统连通性，虽有考虑频谱 的变化条件，但没有建模PUs活动。另一些文献研究了多射频多信道认知无线电网络中 的频谱感知动态信道选择策略，考虑了频谱感知和PUs活动模型，依据PUs未占用信道、 最小化对PUs干扰、最大化SUs间的连通性和最小化SUs间的干扰来分配信道，以使路 由更稳定，存在时间更长。然而，上述这些成果主要集中于信道的选择与分配，或仅考虑 路由的有限度量，没有较全面考虑频谱感知条件、PUs活动模型、信道的异构性以及射频 环境，上述成果也没有考虑将协同频谱感知技术应用于路由策略中。因此，如何将协同频 谱感知技术拓展到认知路由协议中仍是一个开放课题，特别是针对多信道多跳认知无线 Ad hoc网络还没有较为成熟的方案来提供稳定、高效的路由。