認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由尺度和算法設(shè)計*

趙 超 ，徐少毅 ，談?wù)褫x

（1.北京交通大學(xué)寬帶無線移動通信研究所 北京 100044；2.綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室 西安 710126）

1 引言

隨著無線通信業(yè)務(wù)和用戶需求的快速增長，可用無線頻譜資源日益緊張。頻譜授權(quán)是一種將頻譜資源分配給不同通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法。然而，聯(lián)邦通信委員會（federal communications commission，F(xiàn)CC）[1]的調(diào)查指出，目前全球頻譜資源利用情況極不平衡，一些非授權(quán)頻段的頻譜占用了大量頻譜資源，而大多數(shù)授權(quán)頻段的頻譜利用率為15%～85%。

CR（cognitive radio，認知無線電）[2，3]作為一種新興的智能無線技術(shù)，使得SU（secondary user，次用戶）通過檢測PU（primary user，主用戶）處于空閑狀態(tài)的頻譜，在不影響授權(quán)用戶工作的前提下智能地選擇和利用這些空閑頻譜，從而極大地改善了現(xiàn)有低效的頻譜資源利用率。目前，對CRN（cognitive radio network，認知無線電網(wǎng)絡(luò)）的研究主要集中在頻譜感知和頻譜管理方面，認知無線電網(wǎng)絡(luò)的路由算法設(shè)計仍是一個有待深入研究的問題。傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)使用的是固定頻譜，路由設(shè)計時主要考慮的是節(jié)點移動所帶來的網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化，其路由算法的研究已經(jīng)比較普遍。而在認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于每個SU所使用的頻譜之間的多樣性、時變性和差異性，傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由尺度已經(jīng)不再適用。

路由尺度的定義和選擇很大程度上應(yīng)該考慮主用戶的信道使用模型，同時，為使次用戶數(shù)據(jù)可靠傳輸，次用戶之間的相互干擾也應(yīng)該予以考慮?；谝陨蟽牲c，本文提出兩類路由尺度。

（1）最大化平均吞吐量和信干噪比：AT（average throughput，平均吞吐量），SINR（signal interference noise rate，信干噪比），AES（average throughputexpectation of the available timesignal interference noise rate，平均吞吐量，次用戶可用時間的期望和信干噪比的權(quán)衡）。

（2）最小化時延和干擾：LD（link delay，鏈路時延），INSR（interference noise signal rate，干擾噪聲信號比），LRI（link delay eciprocal of expectationinterference noise signal rate，鏈路時延，次用戶使用時間期望的倒數(shù)和干擾噪聲信號比的權(quán)衡）。

本文首先探討了主用戶的信道使用模型和假設(shè)，然后定義了兩類路由尺度，最后應(yīng)用不同的算法對兩類路由尺度進行了仿真并分析。

2 模型和假設(shè)

在認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，PU在授權(quán)頻段上進行通信，SU以一種機會式接入的方式使用授權(quán)用戶的頻段，即某段時間內(nèi)，SU可以使用主用戶不使用的頻段。網(wǎng)絡(luò)中的SU通過多跳的方式進行通信，每個SU都具有頻譜檢測能力，可以檢測出主用戶在某段時間內(nèi)不使用的所有頻段，以供自己選擇接入。假設(shè)主用戶各個信道之間相互獨立，且為ON/OFF隨機過程，如圖1所示。

在主用戶信道使用模型中，當信道處于關(guān)狀態(tài)時，SU可以使用該信道。{Nn,n≥1}表示處于開狀態(tài)（ON-State）的隨機變量序列，{Fn,n≥1}表示處于關(guān)狀態(tài)（OFF-State）的隨機變量序列，則這兩個隨機變量序列是兩個計數(shù)過程。假設(shè)這兩個隨機變量序列獨立且分別服從強度為n(t)i和f(t)i的泊松過程，非齊次的泊松過程（參數(shù)與時間有關(guān)）可以轉(zhuǎn)化為齊次泊松過程進行分析，因此在一段時間（0，t]內(nèi)，這兩個隨機變量服從ni和fi的齊次泊松分布。每段ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)持續(xù)的時間分別為ξn和ζn，分別服從參數(shù)為λi和 μi的指數(shù)分布。那么在一段時間（0，t]中，對頻段 i,主用戶使用的時間求和為：

次用戶可以使用的時間求和為：

這兩個都為復(fù)合泊松過程，對于次用戶而言，信道i的利用率為：

3 認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的兩類路由尺度

3.1 第一類路由尺度

（1）在認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，SU稱為認知節(jié)點，認知節(jié)點之間通過自組織方式進行通信。設(shè)認知網(wǎng)絡(luò)中可用的主用戶信道數(shù)為N，若兩個認知節(jié)點可以通信，稱其存在鏈路。源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路徑包含P條鏈路，對于應(yīng)用信道i,i∈N的鏈路k，其鏈路吞吐量為：

其中，Wi為i信道的帶寬，dk為k鏈路的長度。pk為發(fā)送節(jié)點的功率，N0為高斯噪聲功率譜密度，n為路徑損耗因子。

由于該信道為主用戶的授權(quán)頻段，對于次用戶而言，該鏈路的吞吐量為：

其中，Ui為信道利用率。

圖1 主用戶信道使用模型

一條路徑包含P條鏈路，所以這條路徑的平均吞吐量為：

（2）為使認知節(jié)點的數(shù)據(jù)可靠傳輸，考慮其他認知節(jié)點對它的干擾，即信干噪比。定義k鏈路的發(fā)送節(jié)點為k，接收節(jié)點為k+1，其接收功率為：

其中，L為系統(tǒng)損耗參數(shù)，Gk為k節(jié)點天線增益，hk為k節(jié)點天線高度。由于在分布式認知網(wǎng)絡(luò)中每一個認知節(jié)點都處在平等的地位，即每一個認知節(jié)點都有相同的發(fā)射功率、發(fā)射距離、干擾距離等參數(shù)，所以式（7）可以簡化為：

當不在同一路徑上且又在干擾距離之內(nèi)的兩個節(jié)點使用同一個信道時，就會相互干擾。對于應(yīng)用信道i的k+1節(jié)點，假設(shè)干擾節(jié)點為j，則j節(jié)點對k+1節(jié)點的干擾功率為：

其中，dj,k+1為j節(jié)點到k+1節(jié)點的距離。

根據(jù)參考文獻[4]中的概念，在一段時間(0，t]內(nèi)，對于使用信道i的k+1節(jié)點，其干擾源的個數(shù)M服從λji的泊松分布，即：

所以總干擾功率為：

定義k鏈路的信干噪比為：

經(jīng)過k鏈路，定義單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_概率為：

當SINRk≥10時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=1；

當SINRk<1時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=0；

當1≤SINRk<10時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=SINRk/10?？傻寐窂絇的正確概率為：

要想單元數(shù)據(jù)在目的節(jié)點無差錯接收，定義傳輸次數(shù)為1/Pc。

由于路徑質(zhì)量最終由最差鏈路決定，因此定義信干噪比為：

（3）對于任意一條鏈路k，無論其使用哪個信道，其信道使用時間的期望為1/μi，參考文獻[5]中已經(jīng)證明期望值越大則關(guān)狀態(tài)到開狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換越慢，定義EAT（expectation of the available time，可用時間的期望）為：

最后考慮上面幾個參數(shù)之間的權(quán)衡，定義：

其中，α和β均為權(quán)重因子，且有0≤α≤1，0≤β≤1。

3.2 第二類路由尺度

（1）第二類路由尺度由第一類路由尺度衍生出來，對于應(yīng)用信道i,i∈N的鏈路k,定義：

（2）同理定義：

（3）定義 ROE（reciprocal of expectation，期望的倒數(shù)）：

考慮以上3種參數(shù)權(quán)衡，給出綜合路由尺度：

4 仿真與結(jié)果分析

仿真參數(shù)的設(shè)定：在10 m×10 m的區(qū)域中，隨機分布10個認知節(jié)點，源節(jié)點坐標為(0，0)，目的節(jié)點坐標為(10，10)。每個節(jié)點的發(fā)射距離為6 m，干擾距離為12 m。發(fā)射功率p=1 mW，N0=2×10-13W/Hz，主用戶信道帶寬 W=15 MHz。主用戶信道模型的參數(shù)分布見表1。

表1 主用戶信道模型的參數(shù)分布

4.1 第一類路由尺度的仿真結(jié)果與分析

仿真步驟：

步驟一：在10 m×10 m的區(qū)域中，隨機分布8個認知節(jié)點，以7跳為限，隨機選出3條源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑。

步驟二：分別以 MH （minimum hop，最小跳）、AT、SINR、AES為路由尺度，從 3條路徑中分別選出使AT、SINR、AES達到最大，MH最小的“最優(yōu)”路徑。

步驟三：分別計算選出路徑的平均吞吐量、時延、正確概率和重傳次數(shù)。

我們將這個實驗重復(fù)30次，最后取各次的平均值得到仿真結(jié)果。

圖2、圖3和圖4分別表示應(yīng)用不同路由尺度選出路徑的端到端性能。在圖2中，因為AT路由尺度考慮鏈路吞吐量選路，其吞吐量最大。而MH以最小跳為尺度并沒有考慮鏈路的狀況，其吞吐量最小。AES考慮了各種因素的權(quán)衡，其吞吐量也很大。圖3表示的端到端性能為歸一化的時延，AT路由尺度選出平均吞吐量最大的路徑，其時延最小。MH選出跳數(shù)最小的路徑，時延也小。AES因為考慮各種因素的權(quán)衡，時延在兩者之間。SINR并沒有考慮任何時延的因素所以時延最大。圖4表示一個數(shù)據(jù)單元接收的正確概率，SINR路由尺度考慮信干噪比，由它選出的路徑單元數(shù)據(jù)在目的節(jié)點接收的正確概率最大，MH和AT均沒有考慮任何信噪的關(guān)系，正確率很小。綜合幾個仿真結(jié)果可以看出，由于AES考慮到各種因素的權(quán)衡，其端到端的性能都相對較好。

圖2 根據(jù)不同路由尺度選出路徑的平均吞吐量（α=0.5，β=0.4）

圖3 根據(jù)不同路由尺度選出路徑的歸一化的時延（α=0.5，β=0.4

圖4 根據(jù)不同路由尺度選出路徑單元數(shù)據(jù)的正確概率（α=0.5，β=0.4）

圖5 根據(jù)不同路由尺度選出路徑的平均吞吐量（α=0.5，β=0.4）

4.2 第二類路由尺度的仿真結(jié)果與分析

在這個仿真中，將MH、LD、INSR、LRI這幾個路由尺度分別作為各條鏈路的權(quán)重，基于Warshall-Floyd算法選路，選出“最短路”，即選中路徑的權(quán)重最小。

我們將這個實驗重復(fù)50次，最后取各次的平均值得到仿真結(jié)果。

圖5、圖6和圖7分別表示應(yīng)用不同路由尺度選出路徑的端到端性能。在圖5、圖6中，因為LD路由尺度考慮鏈路時延選路，其端到端時延最小，平均吞吐量最大。而MH以最小跳為尺度并沒有考慮鏈路的狀況，其吞吐量最小。LRI考慮了各種因素的權(quán)衡，時延較小吞吐量較大。INSR路由尺度并沒有考慮任何時延的因素所以時延最大。圖7表示一個數(shù)據(jù)單元接收的正確概率，INSR路由尺度考慮到鏈路的干擾情況，由它選出的路徑單元數(shù)據(jù)在目的節(jié)點接收的正確概率最大，MH和LD均沒有考慮任何信噪的關(guān)系，正確率很小。綜合這幾個仿真結(jié)果可以看出，由于LRI考慮到各種因素的權(quán)衡，其端到端的性能都相對較好。）

圖6 根據(jù)不同路由尺度選出路徑的歸一化的時延（α=0.5，β=0.4）

圖7 根據(jù)不同路由尺度選出路徑單元數(shù)據(jù)的正確概率（α=0.5，β=0.4）

5 結(jié)束語

認知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有其獨特的特點，路由尺度應(yīng)該考慮主用戶的使用模型。為保證認知用戶的數(shù)據(jù)可靠性，還應(yīng)考慮認知用戶之間相互干擾的情況，為此我們定義了兩類路由尺度。仿真結(jié)果表明這兩類路由參數(shù)都能夠準確反映各自的端到端性能，并且優(yōu)于通過最小跳選路的路由性能。

1 FCC.Establishment of an interference temperature metric to quantify and manage interference and to expand available unlicensed operation in certain fixed,mobile and satellite frequency bands.ET Docket No.03-237，F(xiàn)CC 03-289

2 Mitola J.Cognitive radio：an integrated agent architecture for software defined radio.Royal Institute of Technology，2000

3 Haykin S. Cognitive radio： brain-empowered wireless communications.Selected Area in communications，2005，2(23)：201～220

4 Chu Fengseng，Chen Kwangcheng.Radio resource allocation in OFDMA cognitive radio systems.In：Personal Indoor and Mobile Radio Communications，Greece，Athens，September 2007

5 Thomas K，Roido A，Aloutsos M， et al.Transport layer identification of P2P traffic.In：Proceedings of the 2004 ACM SIGCOMM Internet Measurement Conference，Taormina，Italy，October 2004