0 引言

    目前，頻譜資源稀缺問題越來越被受到重視。認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)^[1]的提出使得頻譜資源可以通過動態(tài)的分配而得到更充分利用。動態(tài)頻譜接入所帶來的頻譜在時間和空間上的間斷性，使得認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的路由呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點，在研究方法上更是需要在以往路由設(shè)計思路上做出適應(yīng)性的改變。

    針對認(rèn)知環(huán)境下的路由問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些算法。文獻(xiàn)[2]提出的SSRP算法從頻譜異構(gòu)性和節(jié)點移動方面考慮，引入網(wǎng)絡(luò)連通性和最弱鏈路持續(xù)時間，由于最弱鏈路持續(xù)時間需要計算節(jié)點移動方向、速度等，對節(jié)點定位功能有較高的要求。文獻(xiàn)[3]重點研究了節(jié)點移動對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，并引入馬爾科夫狀態(tài)預(yù)測，在選擇路徑前預(yù)判節(jié)點的相對位置，削弱節(jié)點移動對路由的破壞，此算法在信道切換方面考慮不足，沒有充分利用頻譜資源。文獻(xiàn)[4]依據(jù)DSR路由協(xié)議，提出了聯(lián)合路由和信道分配算法，在路由回復(fù)階段進(jìn)行信道分配，簡化了算法，但信道分配的實時性不夠強(qiáng)。

    為了更好地適應(yīng)動態(tài)頻譜環(huán)境，提高路由穩(wěn)定性，本文提出了實時信道分配的路由協(xié)議。該協(xié)議在數(shù)據(jù)的傳輸階段引入了IN MESSAGE數(shù)據(jù)包，IN MESSAGE數(shù)據(jù)包在相鄰節(jié)點間傳遞，為路由節(jié)點傳遞周邊頻譜環(huán)境的動態(tài)變化。這樣，路由的中間節(jié)點可以通過實時的信道分配避免與授權(quán)用戶的沖突，減少路由錯誤的發(fā)生。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    假設(shè)在一個認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中有N個認(rèn)知用戶（SU）和M個授權(quán)用戶（PU）。每個授權(quán)用戶占用一個授權(quán)信道，記授權(quán)信道的帶寬分別為W₁，W₂，…，W_M，授權(quán)用戶按照自身業(yè)務(wù)需求使用其授權(quán)信道。為了不對授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸造成影響，認(rèn)知用戶n只能選擇性地接入機(jī)會頻譜SOP。所謂的機(jī)會頻譜是指認(rèn)知用戶n處在授權(quán)用戶m的傳輸范圍外，因而可接入的信道c_m或者認(rèn)知用戶n處在授權(quán)用戶m的傳輸范圍內(nèi)，但授權(quán)用戶m當(dāng)前沒有傳輸數(shù)據(jù)而空閑出來的信道c_m，多數(shù)情況下，認(rèn)知用戶可接入的SOP信道不止一個。

1.2 路由的度量

    網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶對信道的使用服從ON-OFF模型^[5]，α_m為授權(quán)用戶m對信道c_m的占用率：

    只有當(dāng)信道c_m對節(jié)點n和n+1同時可用時，它們之間才能相互通信，所以信道c_m對鏈路(n，n+1)的可用概率為：

    假設(shè)從源節(jié)點到目的節(jié)點的某路由共有H跳，n=0代表源節(jié)點，n=H代表目的節(jié)點，本文記U為路由的度量值：

    該路由度量綜合考慮了信道帶寬、路由跳數(shù)以及信道的可用性。對不同的路徑而言，U值越小，路由的綜合性能越好。假設(shè)從源節(jié)點到目的節(jié)點有K條路徑可選，則目標(biāo)路由選擇條件為：

1.3 路由過程中的信道分配

    認(rèn)知無線電路由屬于多信道環(huán)境的路由，路由的過程不僅要進(jìn)行路徑選擇，而且要對每個鏈路進(jìn)行信道分配。為了避免對授權(quán)用戶造成影響，同時提高認(rèn)知用戶間路由的穩(wěn)定性，當(dāng)某鏈路擁有多個可用信道時，信道選擇的方法是選取具有最大可用概率的信道：

    P_(n，n+1)為信道分配后鏈路(n，n+1)的穩(wěn)定性概率，鏈路的穩(wěn)定性關(guān)系到整條路由的可用性。如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于授權(quán)用戶的出現(xiàn)，導(dǎo)致信道不可用，認(rèn)知用戶就必須停止發(fā)送，進(jìn)行等待，或者重新建立路由，這樣就會增加時延，并增大系統(tǒng)開銷，所以需要盡量保證每條鏈路具有較高的穩(wěn)定性。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜的動態(tài)性，固定的信道分配方式缺乏靈活性和實時性，所以本文提出了實時的信道分配路由協(xié)議。

2 實時信道分配路由協(xié)議

2.1 數(shù)據(jù)包格式

    RT-CAR協(xié)議中主要有RREQ、RREP以及IN MESSAGE　3種數(shù)據(jù)包。

    圖1為RREQ數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)。

    RREP數(shù)據(jù)包和IN MESSAGE數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

    圖3中PU-Freq.表示某時刻檢測到授權(quán)用戶使用的授權(quán)信道，α_m指該授權(quán)用戶的活動概率。

2.2 路由建立

    (1)源節(jié)點S將自身的PAL信息寫入RREQ數(shù)據(jù)包內(nèi)，同時將U值設(shè)置為0，然后向周圍節(jié)點廣播該RREQ包。

    (2)節(jié)點處理RREQ的算法：

    根據(jù)式(3)~式(5)計算源節(jié)點到本節(jié)點的度量U值。

If 本節(jié)點是目的節(jié)點

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值，記錄該路由，開啟定時器

  Else 

    If  U小于記錄值

        更新記錄值U，記錄該路由

    Else 丟棄該RREQ

  End

End

If 本節(jié)點不是目的節(jié)點

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值，更新RREQ，繼續(xù)廣播該RREQ

  Else 

    If  U小于記錄值。

        1.更新記錄值U，更新RREQ

        2.繼續(xù)廣播該RREQ

    Else

        丟棄該RREQ

  End

End

    其中對RREQ的更新包括更新數(shù)據(jù)包中的PAL、TTL、R-Table以及U值。

    (3)當(dāng)目的節(jié)點設(shè)定的定時器到時之后，目的節(jié)點不再接收RREQ，而將生成RREP數(shù)據(jù)包，將其收到的具有最優(yōu)度量值的路徑寫入RREP數(shù)據(jù)包的R-Table當(dāng)中，并將自身的PAL列表寫入數(shù)據(jù)包，然后沿反向單播至源節(jié)點。在RREP的傳播過程中，路由中間節(jié)點收到RREP時，將記錄數(shù)據(jù)包中的來自下一跳節(jié)點的PAL列表信息，同時將自身的PAL列表更新到RREP中。

    (4)源節(jié)點收到來自目的節(jié)點的RREP消息后，建立起路由然后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

    圖4是數(shù)據(jù)傳輸階段中間節(jié)點的流程圖。在此階段中間節(jié)點主要有兩個任務(wù)：一是維護(hù)PAL列表，包括自身的PAL列表和其下一跳節(jié)點的PAL列表；二是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

    向源節(jié)點回復(fù)RREP消息時，路由中間節(jié)點記錄了自身的上一跳節(jié)點和下一跳節(jié)點的節(jié)點ID，以及其下一跳節(jié)點的PAL列表信息。在數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點根據(jù)自身記錄的PAL列表信息用式(7)進(jìn)行信道的分配，選擇當(dāng)前最穩(wěn)定的信道作為傳輸信道。數(shù)據(jù)傳輸過程中，若某節(jié)點感知到某授權(quán)用戶的出現(xiàn)，則更新自身的PAL列表信息，并發(fā)送IN MESSAGE至其上一跳節(jié)點。而當(dāng)某個節(jié)點接收到其下一跳節(jié)點的IN MESSAGE時，就根據(jù)IN MESSAGE的內(nèi)容更新其對下一跳節(jié)點PAL列表信息的記錄。為保證時效性，節(jié)點所維護(hù)的PAL列表信息每隔一段時間τ就自動更新一次，若節(jié)點在這段時間內(nèi)沒有檢測到授權(quán)用戶m的活動，就將PAL列表中的PA_m置為1，直到節(jié)點再次檢測到m的出現(xiàn)時，PA_m值被更新為1-α_m。

    當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送至節(jié)點n時，節(jié)點n首先確定其上一跳節(jié)點發(fā)送時所用的信道c_m，如果此時檢測到授權(quán)用戶m的出現(xiàn)，則向上一跳節(jié)點發(fā)送RRER消息，使其停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果未檢測到m的活動，則節(jié)點接收該數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳節(jié)點。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時節(jié)點n根據(jù)自身所維護(hù)的PAL列表信息，利用式(7)選擇信道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于PAL列表隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化不斷被更新，所以信道的選擇也是隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而不同的，這種信道的分配方式更具時效性，這在一定程度上避免了因網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)性而導(dǎo)致的路由失效。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

    采用OPNET軟件對本文提出的協(xié)議進(jìn)行仿真驗證，具體仿真參數(shù)如表1所示。

    為了對比，本文對3種協(xié)議進(jìn)行了仿真，包括DSR動態(tài)源路由協(xié)議^[7]，PUB-JRCA基于授權(quán)用戶行為的路由和信道分配協(xié)議^[4]和本文提出的RT-CAR實時信道分配路由協(xié)議。

3.2 分組投遞率

    分組投遞率指目的節(jié)點接收到的分組數(shù)和源節(jié)點發(fā)送的分組數(shù)之比，反映了數(shù)據(jù)分組投遞成功的概率。授權(quán)用戶的活動造成路由失效是數(shù)據(jù)包丟失的主要原因，圖5和圖6分別反映了授權(quán)用戶活動概率和分組到達(dá)時間間隔對分組投遞率的影響。圖5中PU1、 PU3對應(yīng)的活動概率分別為0.1和0.2，平均分組到達(dá)時間間隔為0.5 s。圖6中PU1、PU2、PU3的活動概率分別是0.1、0.2、0.3，平均分組到達(dá)時間間隔從0.01 s遞增至0.1 s。

    從圖5中可以看出，分組投遞率隨著PU2活動概率的增加而減小，這是因為授權(quán)用戶2的頻繁活動降低了路由的穩(wěn)定性，同時使得信道c2對認(rèn)知用戶而言變得不可用。路由穩(wěn)定性的降低以及信道資源的減少導(dǎo)致了分組投遞率的降低。從圖6可以看出隨著平均分組到達(dá)時間間隔的增大，分組投遞率趨于穩(wěn)定。而從3種協(xié)議的對比來看，無論在不同的授權(quán)用戶活動概率下，還是在不同的分組到達(dá)時間間隔下，PUB-JRCA與RT-CAR協(xié)議都明顯優(yōu)于DSR，這是由于DSR路由協(xié)議建立路由時沒有考慮授權(quán)用戶活動對路由穩(wěn)定性的影響而造成的。而從RT-CAR和PUB-JRCA的對比來看，由于RT-CAR協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段加入了實時的信道分配，路由過程中信道的選擇不只依賴于路由建立時的決策，信道的分配更具適應(yīng)性，因此在分組投遞率的表現(xiàn)上RT-CAR協(xié)議更優(yōu)一些。

3.3 路由重建次數(shù)

    路由的錯誤次數(shù)指源節(jié)點收到的RRER數(shù)據(jù)包的數(shù)量。路由錯誤的次數(shù)越多，需要重建路由的次數(shù)就越多，引起的丟包率也就越大。圖7和圖8反映了3種協(xié)議平均每小時內(nèi)路由重建次數(shù)的對比。可以看出隨著分組到達(dá)時間間隔的增大，路由的重建次數(shù)趨于穩(wěn)定，而隨著PU2活動概率的增大，路由的重建次數(shù)也在增大。從對比來看RT-CAR協(xié)議的路由重建次數(shù)最少，這是因為在數(shù)據(jù)傳輸階段實時的信道分配避免了一部分路由錯誤的發(fā)生，從而減少了路由重建的次數(shù)，提升了路由的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

    本文提出的實時信道分配路由協(xié)議，考慮到了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動態(tài)性對路由的影響。通過在路由建立之后引入IN MESSAGE數(shù)據(jù)包，在鄰居節(jié)點間傳遞認(rèn)知用戶頻譜環(huán)境的變化情況，改變了只在路由建立階段進(jìn)行信道分配的路由模式，將信道分配過程引入到數(shù)據(jù)傳送階段，這使得信道的分配更具實時性。從協(xié)議性能分析來看，RT-CAR協(xié)議在實質(zhì)上減小了系統(tǒng)開銷，同時增加了鏈路的持續(xù)時間。實驗結(jié)果表明，RT-CAR協(xié)議的分組投遞率更高，路由出現(xiàn)錯誤的次數(shù)也更少，更加適合頻譜環(huán)境多變的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。

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