專利名稱：一種認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有效利用了網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點實時感知的可用頻譜，通過動態(tài)頻譜分配建 立從數(shù)據(jù)源節(jié)點至匯聚節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化，應用于 認知無線電傳感器網(wǎng)絡(CRSN，Cognitive Radio Sensor Network)中信息的傳輸。
背景技術(shù)：
認知無線電(CR，Cognitive Radio)是近幾年興起的無線通信概念與技術(shù)，它能 夠感知目前通信環(huán)境中所有的頻譜使用機會。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN，Wireless Sensor Network)是近年來信息領(lǐng)域的另一研究熱點，它以其低功耗、低成本、分布式和自組織等特 點帶來了信息感知的一場變革。將認知無線電帶來的優(yōu)越性，如改善頻譜利用率、提高通信 質(zhì)量等，與資源受限情況下多跳WSN相結(jié)合，能夠有效利用頻譜，具有廣闊的應用前景。因 此，很自然地會將認知無線電技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡相結(jié)合，從而產(chǎn)生出一種新型的傳感 器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即認知無線電傳感器網(wǎng)絡(CRSN，Cognitive Radio Sensor Network)。由于CRSN使用的頻譜資源是通過檢測的方式獲得的，故CRSN本質(zhì)上具有頻譜動 態(tài)變化特性。同時，作為無線傳感器網(wǎng)絡，必須關(guān)注網(wǎng)絡生命期的最大化，這主要反映在能 量均衡和能量消耗最小化等方面。傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡和傳統(tǒng)WSN中的路由協(xié)議不能很好地 適應CRSN的上述特性，而已有的研究中，有的是討論在CR環(huán)境下路由協(xié)議設計應該注意的 問題，但并未給出相應的解決方法，有的僅僅是針對CRN或者WSN給出路由算法，但并不完 全適合CRSN環(huán)境，因此設計能夠反映CRSN特點并適合于在CESN中工作的路由協(xié)議顯得非 常迫切。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在CRSN中提供一種一種認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息 傳輸方法，該方法能夠獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化。技術(shù)方案本發(fā)明是一種認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，它包括五個過程 周期頻譜感知過程，廣播或轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程，可用頻譜和通信功率協(xié)商過程，路由建立過 程和路由維護過程。本發(fā)明的聯(lián)合路由協(xié)議和信息傳輸方法將分布式頻譜分配和路由選擇相結(jié)合。首 先，當源節(jié)點需要向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播路由請求(RREQ，Routing Request)，其鄰 居節(jié)點在收到該請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商；然后，在有多條鏈路可 用時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至 匯聚節(jié)點；最后，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由建立請求，各節(jié)點根據(jù)存儲的 代價，分布式地確定具有最小轉(zhuǎn)發(fā)代價的路徑，以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化。該 方法包括如下5個過程并按所述順序進行1)周期頻譜感知過程網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點周期性地進行頻譜感知，該感知過程 可以是獨立進行的，也可以是協(xié)作完成的，
2)廣播或轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程當源節(jié)點需要向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播RREQ， 其鄰居節(jié)點在收到 該請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，在有多條鏈路可用 時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至匯 聚節(jié)點，3)可用頻譜和通信功率協(xié)商過程該過程以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期為目 標，并通過線性加權(quán)形成代價函數(shù)，節(jié)點收到鄰居節(jié)點RREQ后，以最小化兩點間鏈路使用 代價為目標，與該鄰居節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，4)路由建立過程當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)請求，各節(jié)點 根據(jù)儲存的代價，以最小化步驟幻中所述代價函數(shù)為目標，分布式地確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，5)路由維護過程采用路由錯誤分組和確認分組進行路由維護，當路由因為網(wǎng)絡 拓撲的改變而不能使用時，斷鏈處的節(jié)點以自己為數(shù)據(jù)源節(jié)點，重新廣播路由請求，協(xié)商可 用頻譜和通信功率直至匯聚節(jié)點以轉(zhuǎn)發(fā)剩余數(shù)據(jù)。所述的轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程兩個方面一方面，當且僅當該鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的 距離大于自身到匯聚節(jié)點的距離時，節(jié)點才接受該路由請求，否則丟棄請求；另一方面，若 協(xié)商表明兩個節(jié)點之間沒有可用的頻譜，即在已知該時刻鏈路不可達的情況下，節(jié)點不轉(zhuǎn) 發(fā)路由請求。路由請求轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖2所示。通信頻譜和通信功率協(xié)商方法以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期為目標，給出了多 目標優(yōu)化函數(shù)，以線性加權(quán)和法將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)，通過化簡變形該單目標 函數(shù)得出轉(zhuǎn)發(fā)路徑代價函數(shù)。各節(jié)點對以最小化兩點間鏈路使用代價為目標，進行可用頻 譜和通信功率的協(xié)商。所述的路由發(fā)現(xiàn)過程中，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由建立請求， 各節(jié)點根據(jù)所儲存的代價，利用圖論中的分布式Dijkstra算法，分布式地找尋具有最小路 徑代價函數(shù)的路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)，該路徑即為所述多目標優(yōu)化函數(shù)的一個有效解。有益效果本發(fā)明提出了聯(lián)合路由協(xié)議和動態(tài)頻譜分配的CRSN信息傳輸方法。優(yōu) 點是將認知無線電與傳感器網(wǎng)絡相結(jié)合，利用機會頻譜接入減少由于傳感器節(jié)點非常密集 而帶來的碰撞和競爭時延，網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點分布式地進行動態(tài)頻譜分配和路由選擇過 程，以獲得網(wǎng)絡吞吐量的最大化和生命周期的最大化。


圖1是方法的總體流程。圖2是路由請求轉(zhuǎn)發(fā)流程。圖3是通信頻譜和通信功率協(xié)商流程。圖4是分布式路由選擇流程。
具體實施例方式本發(fā)明的信息傳輸方法將分布式頻譜分配和路由選擇相結(jié)合。首先，當源節(jié)點需 要向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播路由請求(RREQ，R0uting Request)，其鄰居節(jié)點在收到該 請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商；然后，在有多條鏈路可用時，源節(jié)點計算 各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至匯聚節(jié)點；最后，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由建立請求，各節(jié)點根據(jù)存儲的代價，分布式地確 定具有最小轉(zhuǎn)發(fā)代價的路徑，以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化。該方法包括如下5 個過程并按所述順序進行1)周期頻譜感知過程網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點周期性地進行頻譜感知，該感知過程 可以是獨立進行的，也可以是協(xié)作完成的，2)廣播或轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程當源節(jié)點需要向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播RREQ， 其鄰居節(jié)點在收到該請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，在有多條鏈路可用 時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至匯 聚節(jié)點，3)可用頻譜和通信功率協(xié)商過程該過程以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期為目 標，并通過線性加權(quán)形成代價函數(shù)，節(jié)點收到鄰居節(jié)點RREQ后，以最小化兩點間鏈路使用 代價為目標，與該鄰居節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，4)路由建立過程當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)請求，各節(jié)點 根據(jù)儲存的代價，以最小化步驟幻中所述代價函數(shù)為目標，分布式地確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，5)路由維護過程采用路由錯誤分組和確認分組進行路由維護，當路由因為網(wǎng)絡 拓撲的改變而不能使用時，斷鏈處的節(jié)點以自己為數(shù)據(jù)源節(jié)點，重新廣播路由請求，協(xié)商可 用頻譜和通信功率直至匯聚節(jié)點以轉(zhuǎn)發(fā)剩余數(shù)據(jù)。節(jié)點的發(fā)射功率受兩方面約束一方面是感知用戶可提供的最大發(fā)射功率，這主 要是由感知用戶硬件條件決定的；另一方面是網(wǎng)絡中其他用戶的活動性，節(jié)點一來要克服 自身受到的干擾和噪聲以保證正常通信，二來要降低發(fā)射功率以保證不過分影響周圍用戶 的正常通信。由此，每個節(jié)點的發(fā)射功率都存在一個上確界和一個下確界，若某時刻下確界 小于上確界，則節(jié)點在該時刻感知到一個頻譜空洞。由于頻譜的動態(tài)變化特性以及各節(jié)點實時感知到的可用頻譜的差異性，需要動態(tài) 的進行頻譜分配和路由選擇。根據(jù)最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的目標，提出了一種聯(lián)合 路由協(xié)議和動態(tài)頻譜分配的CRSN信息傳輸方法。該方法以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期 為目標，給出了多目標優(yōu)化函數(shù)，以線性加權(quán)和法將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)，通過化 簡變形該單目標函數(shù)得出轉(zhuǎn)發(fā)路徑代價函數(shù)。網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點在收到路由請求RREQ 后，以最小化兩點間鏈路使用代價為目標，分布式地進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，在此 基礎上以獲取具有最小代價轉(zhuǎn)發(fā)路徑為目標，進行路由選擇過程。動態(tài)頻譜分配可用有效 地利用頻譜接入機會，在此基礎上進行路由選擇以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化。結(jié)合附圖，對本發(fā)明方案設計作進一步的具體分析和描述。(1)網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的數(shù)學表達路徑P的吞吐量為該路徑上單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量，等價于該路徑的實際平均 數(shù)據(jù)發(fā)送速率，在待傳數(shù)據(jù)量給定的情況下，最大化網(wǎng)絡吞吐量等價于最小化路徑時延。路 徑時延Tp包括傳輸時延ttean、處理時延tpM。和排隊時延tline，設數(shù)據(jù)分組傳輸，各分組的路 徑時延為
權(quán)利要求
1.一種認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，其特征在于該方法是一種基于聯(lián)合路由 協(xié)議和動態(tài)頻譜分配的認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，首先，當源節(jié)點需要向匯聚 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播路由請求，其鄰居節(jié)點在收到該請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通 信功率的協(xié)商；然后，在有多條鏈路可用時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈 路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至匯聚節(jié)點；最后，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的路由請求 后，發(fā)起路由建立請求，各節(jié)點根據(jù)存儲的代價，分布式地確定具有最小轉(zhuǎn)發(fā)代價的路徑， 以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化；該方法具體包括如下過程1).周期頻譜感知過程網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點周期性地進行頻譜感知，該感知過程是 獨立進行的，或是協(xié)作完成的，2).廣播或轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程當源節(jié)點需要向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時將廣播路由請 求，其鄰居節(jié)點在收到該請求后與該節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，在有多條鏈路 可用時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路中的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直 至匯聚節(jié)點，3)可用頻譜和通信功率協(xié)商過程該過程以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期為目標，并 通過線性加權(quán)形成代價函數(shù)，節(jié)點收到鄰居節(jié)點路由請求后，以最小化兩點間鏈路使用代 價為目標，與該鄰居節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商，4)路由建立過程當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的路由請求后，發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)請求，各節(jié)點根 據(jù)儲存的代價，以最小化步驟3)中所述代價函數(shù)為目標，分布式地確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，5)路由維護過程采用路由錯誤分組和確認分組進行路由維護，當路由因為網(wǎng)絡拓撲 的改變而不能使用時，斷鏈處的節(jié)點以自己為數(shù)據(jù)源節(jié)點，重新廣播路由請求，協(xié)商可用頻 譜和通信功率直至匯聚節(jié)點以轉(zhuǎn)發(fā)剩余數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，其特征在于所述的廣播 或轉(zhuǎn)發(fā)路由請求過程中，當該鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離大于自身到匯聚節(jié)點的距離時， 節(jié)點才接受該路由請求，否則丟棄請求；若協(xié)商表明兩個節(jié)點之間沒有可用的頻譜，即在已 知該時刻鏈路不可達的情況下，節(jié)點不轉(zhuǎn)發(fā)路由請求。
3.如權(quán)利要求1所述的認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，其特征在于可用頻譜和 通信功率動態(tài)協(xié)商方法中，該方法以最大化網(wǎng)絡吞吐量和生命周期為目標，給出了多目標 優(yōu)化函數(shù)，以線性加權(quán)和法將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)，通過化簡變形該單目標函數(shù) 得出轉(zhuǎn)發(fā)路徑代價函數(shù)，各節(jié)點對以最小化兩點間鏈路使用代價為目標，進行可用頻譜和 通信功率的協(xié)商。
4.如權(quán)利要求1所述的認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法，其特征在于所述的路由 建立過程中，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的路由請求后，發(fā)起路由建立請求，各節(jié)點根據(jù)所儲存 的代價，利用圖論中的分布式Dijkstra算法，分布式地找尋具有最小路徑代價函數(shù)的路徑 進行轉(zhuǎn)發(fā)，該路徑即為所述多目標優(yōu)化函數(shù)的一個有效解。
全文摘要
聯(lián)合路由協(xié)議和動態(tài)頻譜分配的認知無線電傳感器網(wǎng)絡信息傳輸方法包括5個過程。網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點周期地感知頻譜以實時地獲得可用頻譜信息。當源節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點時，它廣播路由請求以通知相鄰節(jié)點進行可用頻譜和通信功率的協(xié)商。其鄰居節(jié)點在收到該請求后與該節(jié)點進行通信頻譜和通信功率的協(xié)商，以最小化兩點間鏈路的使用代價。在有多條鏈路可用時，源節(jié)點計算各鏈路的使用代價并儲存，可用鏈路的諸節(jié)點依次轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至匯聚節(jié)點。最后，當匯聚節(jié)點收到源節(jié)點的RREQ后，發(fā)起路由建立請求，各節(jié)點根據(jù)儲存的代價，分布式地確定具有最小轉(zhuǎn)發(fā)代價的路徑，以獲得網(wǎng)絡吞吐量和生命周期的最大化。
文檔編號H04W28/18GK102083101SQ20111002636
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者夏瑋瑋, 宋鐵成, 李俊超, 沈連豐, 胡靜, 鄧曙光 申請人:東南大學