[发明专利]一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法

摘要

本发明属于认知无线电网络领域，尤其涉及CR网络中组播路由协议的设计。本发明主要包括如下步骤：1、定义认知无线电网络组播路由模型；2、分析认知无线电网络时延的特点；3、建立认知无线电网络频谱分配模型：即CR博弈模型及效用函数；4、求出网络中各节点的SoP信息；5、根据要求构造组播路由树：依次包括：路由发现；路由回复；及路由维护。发明给出了认知无线电网络中组播路由方法的构造过程，综合考虑了时延和代价，简单、快速，有效保证了组播树的性能，且优化了频谱利用率，易于在认知无线电网络中实现和应用。

主权项

1.一种基于时延约束的认知无线电组播路由方法，所述方法包括如下步骤：1.1定义认知无线电网络组播路由模型：所述义认知无线电网络组播路由模型可表示为无向图G，该图中的链路有两个参数，可以表示为G＝(V，E)，其中V是图G中的顶点，即认知无线电网络中所有次用户节点的集合，E是图G中任意两节点之间的边，即认知无线电网络中相邻次用户节点之间的链路的集合；对于图G中的每一个节点i，均对应一个SoP(i)，代表了这个节点的频谱信息；对于G中的每一条边(i，j)∈E，均对应两个正实数加权值cost(i，j)、delay(i，j)；cost(i，j)定义了边(i，j)的代价，其值与该边的资源使用情况有关，例如带宽或是能量等；delay(i，j)定义了边(i，j)的信息传送延时，该时延包括切换时延、排队时延和退避时延等；认知网络中的组播路由问题可描述为在图G中寻找一棵包含发送源及所有接收节点的树T＝(V，E)，并满足：约束条件：SoP(i)∩SoP(j)≠Φ其中Δ为时延上限(或称时延约束)，该参量定义了次用户之间通信的传送延时要求；P_T(s，v)为树组播树T中从源节点S到目的节点V的路径，M为接收点的集合；1.2分析认知无线电网络时延的特点：鉴于时延是认知无线电网络中的一个重要参数，因此在建立组播路由模型时以时延和代价来决定候选路由；1.3建立认知无线电网络频谱分配模型：建立以主用户之间为博弈双方且以主用户的收益为效用函数的频谱分配模型：(1)CR博弈模型根据古诺模型，在认知无线电环境中，假设主用户租借给次用户每一个单位带宽的价格为P_i，Pi=a-bΣj=1Nbj]]>其中a为次用户对单位带宽所给出的最高价格，b为主用户租借给次用户一个单位的带宽所导致的价格下跌，即产量对价格的负影响；另外主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成本，假设主用户得到授权的单位频谱带宽的价格为：c(B)=α+β(Σj=1Nbj)τ]]>其中α，β，τ均为常数，且α≥0，β≥0，τ≥1；α可理解为主用户的到单位授权带宽的最低价格，β可理解为主用户多得到一个单位的授权带宽所导致的价格上涨，即需求量对价格的影响；B＝{b₁，...b_N}表示所有主用户的策略集合；(2)效用函数在进行博弈模型分析后，得到主用户i的收益函数：ui(B)=Pi×bi-bic(B)=(a-bΣj=1bbj)bi-(α+β(Σj=1Nbj)τ)bi]]>每个主用户i的边际利润函数为：∂ui(B)∂bi=a-bΣj=1Nbj-α-β(Σj=1Nbj)τ-βbiτ(Σj=1Nbj)τ-i]]>B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}表示除了主用户i的策略之外的所有策略集合，任一主用户i的最优频谱分配大小与其他次用户的策略有关，因此，通过求解纳什均衡使每个主用户都达到最优，即集合表示博弈的纳什均衡解当且仅当假设每个主用户都已知其他主用户所分配的频谱大小，主用户i对应的函数为：∂ui(B)∂bi=0=a-bΣj=1Nbj-α-β(Σj=1Nbj)τ-βbiτ(Σj=1Nbj)τ-i]]>1.4求出网络中各节点的SoP信息：根据频谱分配模型得出纳什均衡解后，可以知道某个次用户从主用户那里得到的最大频谱，循环计算，便可以得出各个次用户分别能得到的最大频谱，这样可以方便得出每个次用户节点的频谱机会集合SoP；1.5根据要求构造组播路由树，具体包括如下步骤：(1)路由发现认知无线电网络中的源节点通过在网络中广播RREQ消息来寻找下一跳节点，RREQ消息中携带有SoP信息和基于每一节点和其他节点之间的时延值和代价值，路径中经过的转发节点将自己的SoP集合加入RREQ中的“SoP集合链表”，用本发明给出的链路选择函数求出的值也要加入到RREQ消息中，收到RREQ的节点比较SoP集合链表中最近集合与自己的SoP集合，同时比较节点间的链路选择函数值，当且仅当各SoP存在交集时，且链路选择函数值较小时才继续转发RREQ，这样能确保RREQ沿着空间和频谱切换上都可行的路径到达目的节点，且路径还满足时延和代价要求；(2)路由回复当一个节点接到一个RREQ请求，它首先记录RREQ控制报文中的路由信息；然后检查是否有到达源节点的有效路由，也就是检查自身节点的链路选择函数值和SoP信息是否符合要求；如果有到源节点的路由，这个节点利用RREP控制包来响应这个RREQ请求，根据收到的RREQ中沿途节点的SoP集合分布情况率先分配频段，然后将所选频段封装在RREP消息中发往源节点；中间节点从接收到的RREP消息中提取各下游节点已分配的频段，连同先前从RREQ报文中提取的上游节点SoP集合分布，就能计算出目前最适合的工作频段，同时更新路由表，最后生成新的RREP继续回送到源节点；(3)路由维护在CR组播路由协议中，节点加入或离开组播组都需要发送一定的控制消息并对组播树进行相应维护；组播树一旦检测到断链，由发生断链的下游节点执行断链修复策略；本地断链修复，是为了维护CR网络经常变化的拓扑，以及尽量减少协议运行过程中用于维护组播拓扑的控制开销；如果无法修复，树就发生了分割，必须使用主节点选举策略为发生分割后的树选举新的主节点；当一个节点想离开组播树时，如果它是叶节点，只需向最近的组播树成员单播发送带有剪切标志的MACT消息脱离组播树，相应的上级节点如果是非组播组成员节点且没有其它的组播组成员作为它的下级，则也同理脱离组播树；如果不是叶节点，则需待下游节点离开后才能离开；协议将由发现中断的下游节点发起路由修复过程。