[发明专利]认知无线传感器网络QoS保障机会路由方法

权利要求书

1.一种基于定向天线的认知无线传感器网络QoS保障机会路由方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)：通过分析定向天线调节对认知无线网络环境中节点接入授权频谱、路由节点选择的影响，建立包括天线模型与网络模型的系统模型；

步骤(2)：在步骤(1)的基础上，建立定向天线调节与认知机会路由设计的联合优化数学模型，将联合优化问题进一步分解为扇区和信道选择，以及候选转发节点列表创建这两个阶段，并建立对应的优化模型；

步骤(3)：采用步骤(2)建立的候选转发节点列表进行路由选择；

步骤(1)中建立所述天线模型具体包括：

其中，P_r表示节点的接收功率，P_t表示进行信号传输的固定功率，G_t、G_r分别表示发射机和接收机的天线增益，l表示两节点之间的距离，α为路径损耗指数，ω为均值为零和标准偏差为σ的对数正态随机变量；

对于波束宽度为θ的定向天线，其发射或接收信号的增益G＝2π/θ，0≤θ≤2π，当采用定向发射、全向接收时，即G_t＝G，G_r＝1时，信号的传输距离r为公式(2)所示，相应地，信号覆盖面积S为公式(3)所示：

其中，Δ代表两节点之间的功率衰减，Δ＝P_t/P_r，Δ_t表示给定的功率衰减阈值，当α、ω、Δ_t一定时，波束宽度θ越小，天线增益G越大，传输距离越远，信号覆盖面积越小；

步骤(1)中建立所述网络模型具体为：

将每一个数据信道中主用户的占用时间假设为服从指数分布的ON/OFF随机过程：设ON状态表示信道被主用户占用，OFF状态表示信道空闲，用均值分别为z_m和u_m的指数型变量来描述信道m处于ON、OFF状态的持续时间，m∈M，M代表一组数据信道，则信道m占用或空闲的概率表示为：

将主用户活动模型扩展到每一个扇区，用表示节点v_i在方向为波束宽度为θ的天

其中，表示节点v_i在方向为波束宽度为θ的天线扇区上检测到信道m可用的概率，m∈M，M代表一组数据信道，m^*表示所选的本地最佳数据信道，表示最佳数据信道所对应天线扇区的方向，γ表示v_i与目的节点s之间的夹角，Q_i表示信道可用性的门限，利用不等式(21)初步排除信道可用性较低的一些信道和天线扇区的组合，然后利用公式(22)来确定用于数据传输的天线扇区，并且选择该扇区上可用性最高的数据信道；

②、采用启发式算法来创建候选转发列表，优先选择高优先级的邻居节点，一旦满足QoS要求，则无需选择更多的候选节点，其中用于候选转发节点列表创建的数学模型如下：

Subject to：

所述启发式算法采用一种递归搜索的方法来创建具体为：

在搜索开始之前，不包含任何节点，每次从邻居节点中选出一个节点v_j，将其与中的节点一起添加到临时节点集合F中，并按照的大小降序排列，a_ij＝d(v_i,s)-d(v_j,s)，a_ij表示节点v_i到每一个候选节点v_j的前进距离，表示节点v_i、v_j之间的链路在信道m上的投递率，如果F的期望可靠性和延迟满足QoS要求，则从这些满足需求的邻居节点中找出使得期望能耗到达最小的节点v_t，并将其添加到候选转发列表中；否则，将中优先级最高的节点v₁放入候选转发列表中，然后从剩余的邻居节点重复上述遍历过程，直到没有剩余的可选节点或者直到找到满足QoS需求的节点列表为止。

2.根据权利要求1所述的基于定向天线的认知无线传感器网络QoS保障机会路由方法，其特征在于，还包括步骤(4)：通过Matlab仿真实验对路由性能进行评估分析。