專利名稱：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)自組網(wǎng)絡(luò)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及建立路由的方法，可用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。

背景技術(shù)：
認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Network)的定義為無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對目前網(wǎng)絡(luò)情況具備一個認(rèn)知過程，基于這個過程產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)行為。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以對網(wǎng)絡(luò)的變化進(jìn)行學(xué)習(xí)，并對將來的行為作出預(yù)測，同時考慮端到端得目標(biāo)需求。
一種現(xiàn)有技術(shù)中的適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由機(jī)制是由Minsoo Lee等人提出的基于Q學(xué)習(xí)(Q-learning)技術(shù)的改進(jìn)AODV(Ad hoc on-demand distance vector)自組網(wǎng)路由算法。該算法將Q學(xué)習(xí)技術(shù)和按需路由結(jié)合在一起，采用與AODV按需距離向量類似的按需路由機(jī)制，將路由建立分為路由請求和路由響應(yīng)兩個階段。在路由請求階段，源節(jié)點廣播到目的節(jié)點的路由請求消息RREQ(Router Request)，并以泛洪方式廣播到目的節(jié)點；目的節(jié)點收到RREQ后，選擇此RREQ的傳播路徑為源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，啟動路由響應(yīng)過程，按照累積時延最小的原則，建立路由響應(yīng)消息RREP(Router Response)并傳回給源節(jié)點；如果源節(jié)點收到RREP，表示路由建立成功，回報R(Rewards)為獎勵性回報，Q學(xué)習(xí)中的Q值增加幅度較大，路由生存時間延長；反之，如果源節(jié)點沒有RREP，表示路由建立失敗，回報R(Rewards)為懲罰性回報；Q學(xué)習(xí)中的Q值增加幅度很小，路由生存時間減小。
上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題 基于Q學(xué)習(xí)技術(shù)的改進(jìn)AODV自組網(wǎng)路由算法僅僅實現(xiàn)了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由算法的一部分功能，僅局限于用判斷路由是否建立成功來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而缺少對自身網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各種性能的感知，并且其算法對網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性有很大的局限性，缺乏對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)保證的考慮。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的問題，提出一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)自組網(wǎng)絡(luò)路由方法，以實現(xiàn)對自身網(wǎng)絡(luò)各種性能的感知和對網(wǎng)絡(luò)具有更大的自適應(yīng)性，提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法包括如下步驟 A.源節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信息步驟 網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點采用廣播的泛洪方式發(fā)送RREQ信息，目的節(jié)點收到RREQ信息后依照先到先回的原則，建立并發(fā)送RREP信息答復(fù)源節(jié)點，源節(jié)點收到RREP信息后，路由初次建立，目的節(jié)點在此路由生存期內(nèi)重復(fù)發(fā)送相同RREP信息到源節(jié)點； B.中繼節(jié)點改變路由生存期步驟 網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的RREP信息，在轉(zhuǎn)發(fā)RREP信息時，更新本節(jié)點的狀態(tài)信息，檢測路由狀態(tài)，改變路由的生存期； C.中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息步驟 網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點在路由條目過期后，再次發(fā)送RREQ信息到目的節(jié)點尋路，中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ信息時，進(jìn)行如下操作 (C1)統(tǒng)計當(dāng)前節(jié)點MAC層的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)并估計其傳輸時延，根據(jù)本節(jié)點的狀態(tài)信息中的節(jié)點丟包率L以及今后一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包到達(dá)率λ，利用little定理推算出此節(jié)點的平均等待時延W； (C2)根據(jù)得到的平均等待時延W，延遲W時間后轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息，調(diào)整路由路徑的選擇。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1)由于目的節(jié)點在已有的路由上向源節(jié)點重復(fù)發(fā)送相同RREP信息，使得此路由上的中繼節(jié)點可以不斷的通過RREP信息更新自己的節(jié)點狀態(tài)信息，使網(wǎng)絡(luò)能快速獲得最新的節(jié)點狀態(tài)信息； 2)由于通過采用Q學(xué)習(xí)方法，使網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，自適應(yīng)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的路由生存期長短，使得質(zhì)量好的路由條目獲得更長的生存期，質(zhì)量差的路由條目生存時間減少，有利于網(wǎng)絡(luò)重新尋找質(zhì)量更好的路由，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能； 3)中繼節(jié)點能夠估計出節(jié)點的平均等待時間，并在延遲平均等待時間后轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息，使得選擇路由時可避免經(jīng)過傳輸能力接近飽和的節(jié)點，平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的負(fù)載； 綜上所述，本發(fā)明的路由方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化動態(tài)的調(diào)整路由選擇和路由生存時間，縮短了網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的發(fā)送時延，提高了路由的效率和網(wǎng)絡(luò)的最大負(fù)荷能力。



圖1是本發(fā)明建立路由的流程圖； 圖2是本發(fā)明的Q值更新流程圖； 圖3是本發(fā)明的節(jié)點時延分析圖。

具體實施例方式 參照圖1，本發(fā)明的路由建立包括如下步驟 步驟1，源節(jié)點發(fā)送RREQ信息尋路，目的節(jié)點發(fā)送RREP信息答復(fù)源節(jié)點。
(1a)網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點采用廣播的泛洪方式發(fā)送RREQ信息，目的節(jié)點收到RREQ信息后依照先到先回的原則，建立并發(fā)送RREP信息答復(fù)源節(jié)點，RREP信息的發(fā)送路徑是根據(jù)所收到的RREQ信息經(jīng)過的路徑原路返回； (2a)源節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的RREP信息后，完成路由的初次建立，目的節(jié)點在此路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)包，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； (2a)路由的建立完成后，在其路由的生存期內(nèi)，目的節(jié)點每隔一定時間重復(fù)發(fā)送相同RREP信息到源節(jié)點。
步驟2，網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點更新節(jié)點狀態(tài)信息并改變路由生存期。
在路由建立已經(jīng)完成此后，中繼節(jié)點接收目的節(jié)點發(fā)送的RREP信息，轉(zhuǎn)發(fā)RREP信息時，收集中繼節(jié)點的狀態(tài)信息，檢測路由狀態(tài)，決定是否增加或減少此路由的生存期，其具體步驟參照圖2如下 (2a)中繼節(jié)點提取RREP信息中的上游鄰節(jié)點發(fā)送的RREP個數(shù)Numsend，同時統(tǒng)計自己總共接收的RREP個數(shù)Numreceive，根據(jù)立即丟包率

估計中繼節(jié)點的丟包率Lf＝αLf-1+(1-α)Lf，0＜α＜1，將Lf存入節(jié)點的狀態(tài)信息中； (2b)中繼節(jié)點提取RREP信息中的上游鄰節(jié)點發(fā)送的RREP信息的時間，同時提取自己接收到RREP信息的時間，以此估計中繼節(jié)點的一跳時延W，將W存入節(jié)點的狀態(tài)信息中，并在RREP信息中放入自己的發(fā)送RREP信息時間； (2c)根據(jù)得到的估計丟包率Lf和估計一條時延W，利用Q學(xué)習(xí)方法，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)G＝(1-Lf)W+Lf(Tr+G)，立即回報函數(shù)

推出立即回報函數(shù)

Tr是丟包后等待重傳的時間； (2d)設(shè)定第l次更新時的立即回報值為Rl，得到第l次的回報值為Rl＝αRl-1+(1-α)Rl，0＜α＜1，Rl-1是第l-1次更新得到的回報值； (2e)利用第l次更新時的立即回報值Rl與第l-1次更新得到的回報值Rl-1相比較，更新Q值，如果Rl-1＜Rl，Ql＝α*Rl+(1-α)Ql-1；如果Rl-1≥Rl，

0＜α＜1，Ql-1是第l-1次更新的得到的Q值，n為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)，當(dāng)Q值達(dá)到一定高門限值后，說明此路徑的質(zhì)量較好，能夠以較短的時延傳輸大量數(shù)據(jù)包并且維持較低的丟包率，延長此路經(jīng)的生存期；反之，Q值達(dá)到一定低門限值后，說明此條路徑質(zhì)量不好，傳輸時延較大且丟包率較高，減少此路徑的生存期，以便于源節(jié)點能更快的重新發(fā)送RREQ信息尋路，尋找更好的路徑。
步驟3，中繼節(jié)點估算節(jié)點的平均等待時延，決定轉(zhuǎn)發(fā)時延。
參照圖3，網(wǎng)絡(luò)中的時延通常分為處理時延、排隊時延、傳輸時延和傳播時延；處理時延是指分組到達(dá)一個節(jié)點的輸入端與該分組到達(dá)該節(jié)點的輸出端之間的時延；排隊時延是指分組進(jìn)入傳輸隊列到該分組實際進(jìn)入傳輸?shù)臅r延；傳輸時延是指發(fā)送節(jié)點在傳輸鏈路上開始發(fā)送第一個比特至發(fā)完該分組的最后一個比特所需時間；傳播時延是指發(fā)送節(jié)點在傳輸鏈路上發(fā)送第一個比特時刻至該比特到達(dá)接收節(jié)點的時延。實際中由于計算機(jī)處理能力的大幅提高，處理時延和傳播時延十分微小，可以忽略，所以只考慮節(jié)點的排隊時延和傳輸時延。
網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點在收到RREQ信息并提取和統(tǒng)計所需節(jié)點狀態(tài)信息后，根據(jù)little定理，估計節(jié)點的平均等待時延W，估算步驟如下 (2a)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中上層數(shù)據(jù)包的到達(dá)過程服從無記憶的泊松過程，發(fā)包間隔服從指數(shù)分布，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點承載一個或者多個經(jīng)過自己的業(yè)務(wù)，由根據(jù)Kleinrock獨立性近似原理，得到網(wǎng)絡(luò)時延特性服從M/M/1的排隊系統(tǒng)； (2b)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時已經(jīng)統(tǒng)計了當(dāng)前節(jié)點的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)N，提取節(jié)點的狀態(tài)信息中的系統(tǒng)平均到達(dá)率λ，由little定理可知平均時延
(2c)每個節(jié)點的接入時延為

Rc表示參與競爭的節(jié)點發(fā)生碰撞的概率，W0表示最小競爭窗口數(shù)，Num表示競爭節(jié)點個數(shù)； (2d)根據(jù)得到的MAC層的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)N和節(jié)點的接入時延Dbackoff，算出每個用戶的平均服務(wù)時間為

Tr是丟包后等待重傳的時間，dpacket為每個數(shù)據(jù)包大小，C為信道傳輸速度； (2e)據(jù)每個用戶的平均時延T和平均服務(wù)時間

得到每個用戶的平均等待時間

在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時，中繼節(jié)點延遲平均等待時間W后轉(zhuǎn)發(fā)此RREQ信息，由此可使選路時避免經(jīng)過負(fù)載過大的中繼節(jié)點，選擇更加優(yōu)質(zhì)的路由路徑，提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量以及路由效率。
術(shù)語解釋 AODVAd hoc on-demand distance vector，自組網(wǎng)按需距離向量； RREQRouter Request，路由請求信息； RREPRouter Reply，路由答復(fù)信息； RRewards，回報； QOSQuality Of Service，服務(wù)質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)自組網(wǎng)絡(luò)路由方法，包括
A.源節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信息步驟
網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點采用廣播的泛洪方式發(fā)送RREQ信息，目的節(jié)點收到RREQ信息后依照先到先回的原則，建立并發(fā)送RREP信息答復(fù)源節(jié)點，源節(jié)點收到RREP信息后，路由初次建立，目的節(jié)點在此路由生存期內(nèi)重復(fù)發(fā)送相同RREP信息到源節(jié)點；
B.中繼節(jié)點改變路由生存期步驟
網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的RREP信息，在轉(zhuǎn)發(fā)RREP信息時，更新本節(jié)點的狀態(tài)信息，檢測路由狀態(tài)，改變路由的生存期；
C.中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息步驟
網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點在路由條目過期后，再次發(fā)送RREQ信息到目的節(jié)點尋路，中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ信息時，進(jìn)行如下操作
(C1)統(tǒng)計當(dāng)前節(jié)點MAC層的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)并估計其傳輸時延，根據(jù)本節(jié)點的狀態(tài)信息中的節(jié)點丟包率L以及今后一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包到達(dá)率λ，利用little定理推算出此節(jié)點的平均等待時延W；
(C2)根據(jù)得到的平均等待時延W，延遲W時間后轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息，調(diào)整路由路徑的選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟B所述的中繼節(jié)點更新本節(jié)點的狀態(tài)信息，檢測路由狀態(tài)，改變路由的生存期，按如下步驟進(jìn)行
(B1)提取RREP信息中的上游鄰節(jié)點發(fā)送的RREP信息個數(shù)Numsend，同時統(tǒng)計自己總共接收的RREP信息個數(shù)Numreceive，估計中繼節(jié)點的丟包率Lf，將Lf存入節(jié)點的狀態(tài)信息中，并在RREP信息中放入自己的已發(fā)送RREP信息的個數(shù)；
(B2)提取RREP信息中的上游鄰節(jié)點發(fā)送RREP信息的時間，同時提取自己接收到RREP信息的時間，以此估計中繼節(jié)點的一跳時延W，將W存入節(jié)點的狀態(tài)信息中，并在RREP信息中放入自己的發(fā)送RREP信息時間；
(B3)統(tǒng)計當(dāng)本節(jié)點的路由條目數(shù)，由此得到當(dāng)前的數(shù)據(jù)包到達(dá)率λ，將λ存入節(jié)點的狀態(tài)信息中；
(B4)利用節(jié)點狀態(tài)信息中的現(xiàn)存數(shù)據(jù)，根據(jù)Q學(xué)習(xí)方法由目標(biāo)函數(shù)G＝(1-Lf)W+Lf(Tr+G)，算出立即回報值
Tr為給定的丟包后等待重傳時間，
(B5)依據(jù)立即回報值R的變化，更新Q值，當(dāng)Q值大于設(shè)定的高門限值時，增加此路經(jīng)的生存期，當(dāng)Q值小于設(shè)定的低門限值時，減少此路徑的路由生存期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟(B1)所述的估計中繼節(jié)點的丟包率Lf，是進(jìn)行如下操作
首先，算出立即丟包率
Numreceive為節(jié)點統(tǒng)計自己總共接收的RREP個數(shù)，Numsend為提取RREP信息中的上游鄰節(jié)點發(fā)送的RREP個數(shù)，
其次，根據(jù)立即丟包率Lf，估計中繼節(jié)點的丟包率為Lf＝αLf-1+(1-α)Lf，0＜α＜1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟(B5)依據(jù)立即回報值R，更新Q值，是按照如下步驟進(jìn)行
(4a)設(shè)定第l次更新時的立即回報值為Rl，得到第l次的回報值為Rl＝αRl-1+(1-α)Rl，0＜α＜1，Rl-1是第l-1次更新得到的回報值；
(4b)用第l次更新時的立即回報值Rl與第l-1次更新得到的回報值Rl-1相比較，更新Q值，如果Rl-1＜Rl，Ql＝α*Rl+(1-α)Ql-1；如果Rl-1≥Rl，
0＜α＜1，Ql-1是第l-1次更新的得到的Q值，n為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法，其中步驟(C1)所述的利用little定理推算出此節(jié)點的平均等待時延，按照如下步驟進(jìn)行
(5a)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)上層數(shù)據(jù)包的到達(dá)過程服從無記憶的泊松過程，發(fā)包間隔服從指數(shù)分布，根據(jù)Kleinrock獨立性近似原理，得到網(wǎng)絡(luò)時延特性服從M/M/1的排隊系統(tǒng)；
(5b)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時，統(tǒng)計當(dāng)前節(jié)點MAC層的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)N，提取節(jié)點的狀態(tài)信息中的系統(tǒng)平均到達(dá)率λ，由little定理得到每個用戶的平均時延
(5c)計算每個節(jié)點的接入時延
Pc表示參與競爭的節(jié)點發(fā)生碰撞的概率，W0表示最小競爭窗口數(shù)，Num表示競爭節(jié)點個數(shù)；
(5d)根據(jù)MAC層的緩存中數(shù)據(jù)包的個數(shù)N和節(jié)點的接入時延Dbackoff，計算每個用戶的平均服務(wù)時間
其中dpacket為每個數(shù)據(jù)包大小，C為信道傳輸速度；
(5e)根據(jù)每個用戶的平均時延T和平均服務(wù)時間
，得到每個用戶的平均等待時間
在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時，中繼節(jié)點延遲平均等待時間W后轉(zhuǎn)發(fā)此RREQ信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有自適應(yīng)能力的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法，主要解決現(xiàn)有認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由方法缺乏對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS保證的問題。其步驟為源節(jié)點采用廣播的泛洪方式發(fā)送RREQ信息；中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時，提取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的等待時延進(jìn)行估算，轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息時加入等待時延；目的節(jié)點收到RREQ信息后，依照先到先回原則發(fā)送RREP信息，建立路由；在建立路由后，目的節(jié)點重復(fù)發(fā)送相同RREP信息到源節(jié)點，更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，檢測路由質(zhì)量，決定是否增加或減少此路由的生存期。本發(fā)明具有數(shù)據(jù)傳輸時延短，丟包率小，路由效率高和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷能力大的優(yōu)點，可用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04W40/04GK101715225SQ200910219099
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者盛敏, 徐揚, 史琰, 張琰, 李建東, 李紅艷, 呂晨 申請人:西安電子科技大學(xué)