[发明专利]认知无线传感器网络QoS保障机会路由方法

说明书

本发明公开了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，属于定向天线与认知无线传感器网络路由结合的领域。本发明所述方法包括如下步骤：首先，分析定向天线调节对频谱接入和路由选择的影响；其次，对天线系统、网络模型进行建模，并在此基础上提出天线扇区、传输信道和路由选择的联合优化问题。接着，提出一种近似方案与启发式算法，以选择用于数据传输的天线扇区和信道、创建候选转发节点列表。最后，进行仿真实验与结果分析。本发明能够很好地适应可用频谱动态变化的认知无线网络环境，并提供高可靠性、低能耗、低延时的QoS保障。

技术领域

本发明涉及一种认知无线传感器网络QoS保障机会路由机制，属于定向天线与认知无线传感器网络路由结合的领域。

背景技术

现有的无线传感器网络大都工作在无需授权的ISM频段，但是随着新一代无线设备的普及，这些公用的未授权频段变得日益拥挤。为缓解上述问题，能够实现动态频谱接入的CRSN(Cognitive Radio Sensor Networks，认知无线传感器网络)应运而生。在CRSN中，只要不干扰PU(Primary User，主用户)通信，传感器节点便可以机会地占用这些空闲的授权频谱(信道)。一旦PU信号返回，节点需立即撤离该频段，并寻找新的频谱接入机会。在这种可用频谱受限的环境中，节点之间数据传输的稳定性难以得到保证，如何进行网络层设计来满足上层应用的QoS需求，受到越来越多的关注。

认知无线传感器网络路由机制的设计通常需要将传输信道的选择与转发节点的选择联合起来考虑，以减小可用信道动态变化对传输性能的不利影响。但是，目前这方面的研究工作大多基于：(1)机会式频谱接入，即当PU不活动时伺机接入授权信道，从时间域上对频谱资源进行复用；(2)全向传输，即节点均匀地向各个方向发射信号，容易给PU造成较大的干扰，从而降低认知网络中节点的连接性。基于以上两点，可以考虑将定向天线技术应用到路由设计中，将能量集中在某个特定方向上进行辐射。一方面，有利于减少其他方向上对PU的干扰，从空间域上进一步增加认知传感器节点接入授权信道的机会。另一方面，有利于扩大信号的传输距离、减少端到端的转发跳数，从而降低数据传输的总延时和总能耗。

机会路由是指利用多个潜在的候选节点进行机会式地数据包转发，可以进一步提高无线链路的可靠性。然而，在利用定向天线来提高授权频谱接入机会的同时，也会给机会路由设计带来不小的挑战：(1)由于波束宽度的限制，当定向天线指向不同方向时，节点将得到不同的邻居节点集；(2)定向天线的波束宽度越窄，信号的传输距离越大，越有利于减小端到端的转发跳数。但尽管如此，波束宽度越窄，意味着信号覆盖面积越小，不利于获取高传输性能的转发节点；(3)由于主用户地理位置的差异，不同方向上检测到的可用信道也会不同。

下面简单介绍已有的认知路由和定向天线应用的方法：

Liu等人提出分布式的机会认知路由OCR协议，根据局部信道使用信息和地理位置信息，每一个中间转发节点独立地选择其下一跳，以快速适应动态变化的无线链路。Pan等人提出CRSN多信道机会路由，在建立候选节点竞争集时，权衡了能耗与投递率之间的矛盾，旨在通过消耗较少的能量来获取尽可能高的投递率。但是，上述这些路由机制考虑的都是全向传输，不能直接应用于基于定向天线的CRSN。

针对将定向天线应用于传统无线网络路由中的问题，Fang等人提出定向任意路径路由DART协议，分别在波束宽度固定和波束宽度可变的两种环境下，考虑定向路由选择的问题。Feng等人提出的DSMA将定向天线与任意路径路由进行结合，并探讨了天线方向调度与传输速率的联合选择问题。然而，由于认知无线电网络自身的特性和传感器节点能量的限制，传统无线网络路由设计的方法不能完全适用于CRSN环境。