[发明专利]一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法

权利要求书

1.一种基于能量优化的认知无线电组播路由方法，所述方法步骤如下：

1.1网络模型的建立

本发明，定义认知无线电网络包括一些移动节点和路由，拓扑结构为无向 图G＝(V，E)，V是所有节点集合，E是双向链路集合；假设网络中任一节点特定 时刻所剩余能量为Ei，在一个基于源节点的组播树中，每个节点的能量消耗是由 它到子节点的距离决定的；基于源节点的组播树T中节点i的能量消耗为：

其中，E^T和E^R分别表示发送和接收单位数据包所消耗的能量，d_i是节点i到 它最远子节点的传输距离，α是无线传播能量损耗常量，通常取为2～4；K是与 天线特征相关的常数；

1.2建立古诺博弈模型

假设认知无线电网络有一个主用户和N个与主用户共享频谱的次用户，次 级用户彼此间相互竞争以共享主用户提供的频宽，而主用户以单位带宽c(b)的价 格向次用户收取费用，b为次用户可用的共享频宽；假定次用户使用自适应调制 技术，传输速率基于信道质量动态调整，对于QAM，在单输入单输出高斯白噪声 信道情况下BER(bit error rate)可以估计为：

BER≈0.2exp(-1.5γ(2k-1))]]>

γ为接收端的信噪比(SNR)，k＞0为所使用的调制技术的频谱效率；为了保 证传输质量，设定为目标值；次用户的传输频谱效率为：

k_i＝log₂(1+Kγ_i)

其中，K=1.5ln0.2/BERitar;]]>

假设对于次用户i，已知接收端信噪比γ_i，和分配频谱b_i，并可以测 得传输速率；

在认知无线电环境中，主用户在获取频谱资源授权时，已投入大量的经济成 本，合理的定价策略可以降低认知用户间的干扰，提高频谱效用，当次用户占用 频谱带宽越宽，对其他用户干扰越大，则次用户的单位成本越高，因此设定主用 户向每个次用户收取的单位带宽价格为：

c(B)=λbi+y(Σjbj)τ---(1)]]>

其中λ，y，τ均为常数，且λ＞0，y≥0，τ≥1；y可理解为所共享的带宽总和对 价格的边际影响，B＝{b₁，...b_N}表示所有次用户的策略集合；

1.3计算效益函数

假设分配信道之间的保护带宽是固定的并且很小，任一次用户i的收益由单 位传输速率产生的收益r_i来表示：

u_i(B)＝r_i×k_i×b_i-b_ic(B)(2)

每个次用户i的边际利润函数为：

∂ui(B)∂bi=riki-2λbi-y(Σjbj)τ-ybiτ(Σjbj)τ-1---(3)]]>

B_-i＝{b_j|j＝1，...，N；j≠i}表示除了次用户i的策略之外的所有策略集合，任 一次用户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 均衡使每个次用户都达到最优，即

集合表示博弈的纳什均衡解当且仅当

假设每个次用户都已知其他次用户所分配的频谱大小，次用户i对应的函数 为：

∂ui(B)∂bi=0=riki-2λbi-y(Σjbj)τ-ybiτ(Σjbj)τ-i---(5)]]>

1.4求解纳什均衡

通过求得纳什均衡解，每个次用户获得自身的最大利润，将所分配的频谱划 分为若干信道的集合，即为每个次用户某个时刻的自身可用频谱集合SOP；

1.5组播树的建立

1.51组播路由发现

组播树建立采用类似MAODV的基本流程，multicast树由一个源节点与若干个 目的节点构成，当且仅当有数据要发送并没有有效路由时，认知节点按需启动路 由发现过程，用接收节点驱动模式构造multicast树，利用MIP算法从multicast 树中根据最小增量MIC和SOP集信息选择节点作为其接入节点；

基于认知无线电网络频谱分配不均匀，各节点的SOP集合各不相同且动态变 化的特点，在启动路由发现、转发与路由回复时，源节点和收到RREQ的节点都要 考虑自身SOP集合信息，同时考虑选择最小的建立链路的能量消耗增值因素进行 选路；

1.52组播路由回复

收到RREQ的节点计算建立链路的能量消耗增值P′_ij，将P′_ij和所选的频段加入 路由回复报文RREP中，向源节点发送RREP以回复加入请求；目的节点根据收到的 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；这种路 由方式能够使节点都准确知道下一跳节点的工作频段，从而快速找到能通过适当 频段切换建立通信的多跳路径；

1.53组播树的维护

组播路由协议必须追踪和处理组播树的变化，即当一个成员节点退出组播组 时，协议要进行树的剪枝；当树节点间的链路中断时，要及时进行链路的修复； 为了节省能量开销，采用主动应答来监测链路状态，当发现链路断开时才修复或 重新查找路由，从而达到维护组播树的目的。