认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法
【专利摘要】本发明提供一种认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，在本发明中，每个节点的竞争节点优先级顺序的确定是通过权衡竞争节点的剩余电量、节点与其竞争节点之间的投递率和ETX来实现的。其中，每条链路的投递率和ETX是通过计算网络中所有信道的平均值来获得的。在增大竞争节点集的同时能量的消耗也在增加，考虑到节点能量的有限性，在选择竞争节点集大小时需要在投递率与能量之间作权衡以减少能量开支。为此，本发明提出了一个评价指标EDP（每焦耳能量期望投递率）来权衡上述两者之间的关系。仿真结果进一步证明本发明提出的路由协议在吞吐量和数据包的丢包率上都要比多信道路由协议（MCR）有更好的性能表现。
【专利说明】 认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于认知无线传感网络数据通信的路由协议，属信息【技术领域】。【背景技术】
[0002]多跳的认知无线传感网络(CRSN)因为它的低成本、多领域的应用和高效的频谱利用率在过去的十几年内越来越受到欢迎。然而，由于无线信道的一些特性，采用传统的路由方式所取得的吞吐量并不理想。
[0003]机会路由(Opportunistic Routing)是用来处理无线信道的不可靠性的一项比较好的技术，它与传统的确定性的路由协议不同。在早期的工作当中，文献“Exor:Opportunistic mult1-hop routing for wireless networks (无线网络中的多跳机会路由协议)”，in SIGC0MM，05, Philadelphia, Pennsylvania, Aug.2005 (2005 年 8 月SIGCOMM在宾夕法尼亚的费城).提出了 ExOR机会路由协议，该路由协议是根据网络全局的信息来选择竞争节点集及其竞争集节点的优先级，这种方式能够取得比传统的确定性路由协议更高的端到端吞吐量。文献“Trading structure forrandomness in wirelessopportunistic routing (无线机会路由中数据传输的随机性实现)”，Proceedings of the2007conference on Applications, technologies, architectures, and protocols forcomputer communications, August 27-31，2007，Kyoto, Japan( 2007 年 8 月 27 日到 31 日，计算机通信中的应用，技术，结构，协议的会议，在日本京都)中提出了 MORE机会路由协议，在MORE中不需要额外的协调器来协调路由器并且该方案能够取得更高的吞吐量在无线mesh网中。但是，这些机会路由协议都假设网络中的所有节点都工作于同一个信道。
[0004]文献“Routing in mult1-radio, mult1-hop wireless mesh networks (无线mesh 网络中多天线对跳的路由协议).”In:Proc.0f ACM MobiCom, Philadelphia, PA, March2004 (2004年3月ACM MobiCom在宾夕法尼亚的费城)中提出了一个新的代价函数(WCETT)适用于多信道的自组织网络，并且保证了每次数据传输不同的信道将会被选择。但是WCETT是在每个节点的天线根数等于信道个数的假设下设计得到的。文献“Routingand link-layer protocols for mult1-channelmult1-1nterface Ad Hoc wirelessnetworks.” (Ad hoc无线网络中对于多信道多天线的路由和链路层的协议)In:SIGM0BILEMobile Computing and CommunicationsReview, vol I, January 2006,pp 31 - 43(SIGM0BILE移动计算与通信，第I卷，2006年I月，第31页至43页)提出了一个称为MCR的代价函数用于处理更一般的场景，每个节点的天线根数可以少于信道个数。
[0005]在认知无线网络中，典型的路由协议有文献“Efficient Routing AlgorithmsforMuIt1-ChanneI Dynamic Spectrum Access Networks”(多信道的动态频谱接入网络中有效的路由算法介绍)，2nd IEEE International Symposium on New Frontiers inDynamicSpectrum Access Networks, 2007, PP.288-291(第二节IEEE关于动态频谱介入网络的国际会议，2007年第288至291页)中提出的一种基于单天线多信道多跳的动态频谱接入的路由算法；文献“Joint on-demand routing and spectrumassignment in Cognitive RadioNetworks”(在认知无线网络中联合按需路由和频谱的分配)，2007 IEEE InternationalConference on Communications, Volsl-14, PP.6499-6503(2007 年 IEEE 国际通信会议，卷1-14，第6499至6503页)提出的一种将频谱配置和按需路由(AODV)结合起来的方案。
[0006]由于结构及硬件的多样性，工作环境的复杂性，应用需求的千差万别，目前CRSN尚没有“全能，普适”的路由协议。
【发明内容】
[0007]本发明提出了一种多信道机会路由协议(MC0RP)。传统的机会路由协议都假设网络中的节点工作于同一信道上，因此本路由协议是对传统机会路由协议的改进，并且可以在认知无线网络中使用。为了提高频谱的利用率，我们采用一个公共控制信道来实现控制消息的交换，频谱感知中数据的分享以及协调频谱的接入。在构造节点的竞争节点集时，我们综合考虑了竞争节点的剩余电量，节点与其竞争节点之间的投递率和ETX。本发明中机会路由主要体现在MAC层的建立连接过程，而与传统的机会路由直接传递数据包的方式大不相同。数据包传递过程中每一跳的信道选择相互独立，且是在可用信道列表中随机的选择一个信道来实现对数据包的传递。
[0008]根据本发明提供的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，包括如下步骤:
[0009]第一步:计算网络中各条链路的平均投递率和期望重传次数ETX ；
[0010]第二步:生成网络中各节点的路由条目，其中，路由条目包括下一跳节点的地址、下一跳节点的剩余功率、本节点与下一跳节点之间的投递率与ETX、本节点的下一跳节点与下两跳节点之间的投递率与ETX ；
[0011]第三步:构造每个节点的竞争节点集；对网络中的每一个节点从其路由条目中选取下一跳节点作为竞争节点，根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序，以及根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小；
[0012]第四步:通过第三步确定竞争节点集之后根据频谱感知在可用信道中选择一个数据信道，并在该数据信道上进行数据包的传递。
[0013]优选地，第一步中所述的链路平均投递率和ETX的计算方法如下:
[0014]
【权利要求】
1.一种认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，包括如下步骤: 第一步:计算网络中各条链路的平均投递率和期望重传次数ETX ； 第二步:生成网络中各节点的路由条目，其中，路由条目包括下一跳节点的地址、下一跳节点的剩余功率、本节点与下一跳节点之间的投递率与ETX、本节点的下一跳节点与下两跳节点之间的投递率与ETX ； 第三步:构造每个节点的竞争节点集；对网络中的每一个节点从其路由条目中选取下一跳节点作为竞争节点，根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序，以及根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小； 第四步:通过第三步确定竞争节点集之后根据频谱感知在可用信道中选择一个数据信道，并在该数据信道上进行数据包的传递。
2.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第一步中所述的链路平均投递率和ETX的计算方法如下:
Pij = (PqiTf PT+cUpa,rk (PuffY Pf
ETX1, = (Pan f -4 + ^ (P0,, )N—k (P.t Af
p,jP,! 其中，Pm和Ptjff分别对应表示主用户状态为ON和OFF的概率；pu和ETXu分别表示节点i与节点j之间的平均投递率和期望重传次数；N为网络中信道的数目表示从N个信道中选择k个信道的可选情况数表示所有信道上的主用户状态都为ON时的投递率:
1> '-Pa 其中，P。表示控制信道的投递率表示部分信道的主用户状态为OFF时的投递率:
P 二 I —(I —/\.)Π0—i?Ci) C1 GC.1s\..,,k
Cf 其中，C为该部分信道集合，k为集合大小，Ci表示主用户状态为OFF的一个信道，八表示为该信道的投递率。
3.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第二步中所述的生成节点的路由条目的过程中，网络中各节点监听在公共控制信道上，每个节点在发送数据包之前进行路由请求Request,目的节点接收到Request后回复应答R印Iy ;其中，在接收到Request和R印Iy时，如果包内的目的序列号大于已有的目的序列号或者相同的目的序列号下具有较大的路由权重值，那么进行相应的更新路由或者增加路由；当包内的下一跳节点信息在路由表中已经存在时，那么更新该路由条目；当包内的下一跳信息在路由表中不存在时，那么增加一个对应该下一跳节点的路由条目。
4.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第三步中所述的根据路由条目的权重值来安排相应的优先级顺序中，相应的权重值越大对应的优先级顺序越高，其权重值WEIGHT的设计如下:
WEIGHTi= (1-a ) Pi.ρπ.p21- α (ΕΤΧπ+ΕΤΧ2?)，i e 1，2...，K 其中，WEIGHTi表示路由条目中下一跳节点i的权重值，α是一个在O与I之间的因子，Pi表示路由条目中下一跳节点i的剩余电量，K表示网络中节点个数；ρπ.p2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的投递率，ETXn+ETX2i表示距离拥有该路由条目的本节点两跳的一条路径的ETX ;每条链路的投递率和ETX分别为第一步中计算所得。
5.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第三步中所述的根据权衡能量与投递率之间的关系来确定竞争节点集的大小中，使用一个每焦耳能量期望投递率EDP评价指标来表示单位能量消耗下能取得的投递率，其计算如下:
6.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第四步中所述的数据信道的选择为在可用信道中随机选择一个信道。
7.根据权利要求1所述的认知无线传感网络中多信道机会路由协议的设计方法，其特征是，第四步中所述的节点数据包传递中，机会路由体现在MAC层的交互过程中，具体为: 首先，发送方在公共控制信道上多播一个Request To Send控制包RTS到它的竞争节点集，RTS中包含了发送方的 可用信道列表和它的竞争节点集的优先级顺序；当有竞争节点接受到RTS，那么该竞争节点得到包含在RTS中的可用信道信息，再结合自己的可用信道信息从中随机选择一个信道作为传递数据包的数据信道；其中，发送方在发送完RTS后保留了多时隙的时间来等待竞争节点回复Clear To Send控制包CTS，其中时隙的个数等于竞争节点集的大小；如果竞争节点集中的第一个节点在第一时隙成功地接收到RTS，那么该节点回复CTS并且天线切换到所选择的信道上等待；否则，执行判断步骤:即判断在下一个时隙竞争节点集中相应的下一个节点是否成功接收到RTS，若判断结果是肯定的则安排该成功接收到RTS的节点来回复 CTS，否则继续执行本判断步骤；一个竞争节点只有在所有其他具有更高优先级的竞争节点失败之后才会回复CTS ;当所有的竞争节点都没有成功接收RTS，那么发送方会在允许的次数范围内重新发送RTS ； 另一方面，如果发送方在第一时隙收到了 CTS，那么发送方不必继续等待其他的CTS，发送方接着在公共控制信道多播一个Complete To Receive控制包CTR用来通知它的竞争节点集，使得竞争节点集中的竞争节点知道CTS已经成功接收不必再回复；成功接收CTR的竞争节点丢弃之前准备的CTS并且继续监听在公共控制信道上；CTS和CTR都包含了所选择的信道信息是为了通知发送方节点和中继节点的邻居节点，使得这些邻居节点能够知道数据传递的信道并且更新该信道的网络分配矢量NAV ;其中一个时隙的时间包含了一个CTS和一个CTR的传输时间两个部分； 最后，发送方在所选择的信道上发送数据包到之前在MAC层上连接好的竞争节点；这样的数据传递层层递进直到数据包最终到达目的节点。
【文档编号】H04W84/18GK103781145SQ201210413909
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】潘雄振, 吴呈瑜, 蒋铃鸽, 何晨, 田军 申请人:上海交通大学, 富士通株式会社