認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法

劉婧，任品毅，薛少麗，張超

（西安交通大學(xué) 電子與信息學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，無線頻譜資源日益稀缺。然而，實(shí)際測量數(shù)據(jù)顯示在大部分時間和某些地區(qū)里無線頻譜未被充分利用[1]。為了提高現(xiàn)有頻譜的利用率，Mitola博士1999年提出了認(rèn)知無線電(CR, cognitive radio)技術(shù)[2],它使得非授權(quán)用戶能夠感知并接入當(dāng)前空閑頻段。

近年來，世界各國的頻譜管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織以及研究機(jī)構(gòu)紛紛展開了對認(rèn)知無線電技術(shù)的研究。影響最大的是2003年美國國防部高等研究計劃署的下一代通信計劃(XG)，他致力于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)[1]。XG網(wǎng)絡(luò)也叫認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(CRN)，能夠使多個用戶接入空閑信道傳輸數(shù)據(jù)[3]。目前，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的研究大都集中在物理層[4～6]和MAC層[7,8]的功能上，如頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。但對于更高層如路由層仍未有完善的研究，因?yàn)檎J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜在時間和空間上存在間斷性，使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計面臨很大的挑戰(zhàn)[9,10]。

文獻(xiàn)[11,12]提出了一種在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議和多信道分配算法并設(shè)計了一種適用于多跳通信的跨層協(xié)議架構(gòu)。文獻(xiàn)[13]針對多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種在基于單個收發(fā)機(jī)的頻譜感知按需路由協(xié)議。文獻(xiàn)[14] 針對多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)提出了一種利用Dijkstra算法的最小傳輸時延的路由算法。文獻(xiàn)[15]設(shè)計了類似于DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的OSDRP協(xié)議，它解決了動態(tài)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中滿足服務(wù)要求的端到端路由。文獻(xiàn)[16]針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了Gymkhana路由方案，該方案利用網(wǎng)絡(luò)圖的Laplacian矩陣估計認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中不同路徑的連通性。

在多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，由于頻譜資源的動態(tài)性，相鄰節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)楣ぷ髟诓煌诺郎隙鵁o法通信，正在通信的節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)橹饔脩舻某霈F(xiàn)而中斷鏈接[1,3]。因此，針對主用戶行為引起各節(jié)點(diǎn)之間的可用信道集動態(tài)變化的特點(diǎn)，本文提出了一種在具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法（PUB-JRCA algorithm）。該算法用呼叫模型[17,18]對主用戶行為進(jìn)行建模，并用模型中主用戶占用授權(quán)頻帶的活動概率定義次級用戶使用該授權(quán)頻帶的穩(wěn)定性，尋找受主用戶行為影響最小的路由并在路由回復(fù)過程中完成信道分配。理論分析證明了主用戶的活動概率能反映路徑中鏈路平均持續(xù)時間，且PUB-JRCA算法的路由選擇階段計算復(fù)雜度與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比。仿真結(jié)果表明，PUB-JRCA算法在主用戶行為多變和多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中提高了分組投遞率，降低了平均分組時延。

2 系統(tǒng)模型

假設(shè)在一個具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)[19]中，有N個次級用戶和M個主用戶。這M個主用戶有M個授權(quán)信道(c1, c2,…,cm,…,cM)。每個次級用戶配備有一個傳統(tǒng)半雙工收發(fā)機(jī)（工作在公共控制信道，如802.11無線網(wǎng)卡）和2個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目烧{(diào)收發(fā)機(jī)。2個可調(diào)收發(fā)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同時使用不同信道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而忽略頻譜切換時延并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。為了避免共道干擾，同一條路徑上的相鄰鏈路使用不同的信道。同時在本文中假設(shè)每個次級用戶能精確檢測到頻譜機(jī)會[4]。

文獻(xiàn)[17, 18]的研究結(jié)果表明，呼叫模型能很好地反應(yīng)主用戶行為規(guī)律。在這個模型中，主用戶m的傳輸過程服從Poisson分布（獨(dú)立同分布的），它的活動持續(xù)時間均為指數(shù)分布。假設(shè)狀態(tài)“1”表示主用戶p工作在它的授權(quán)信道上，稱為主用戶忙狀態(tài)。相反，狀態(tài)“0”表示主用戶空閑，稱為主用戶閑狀態(tài)。設(shè)α(m)是主用戶m在狀態(tài)“1”的平均持續(xù)時間，β(m)是主用戶m在狀態(tài)“0”的平均持續(xù)時間。α(m)和β(m)都服從指數(shù)分布[13,14]。從該主用戶行為模型中，可以估計出主用戶m出現(xiàn)的后驗(yàn)概率為[6]

圖1 具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)

在這個網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)ni與節(jié)點(diǎn)nj在彼此的傳輸范圍R內(nèi)并且至少存在一條可用公共信道c，那么存在一條鏈路e=(ni, nj)∈Ε。令Cni表示次級用戶ni的頻譜機(jī)會(SOP, spectrum opportunity)，Cnj表示次級用戶nj的頻譜機(jī)會。其信道交集Ce=Cni∩Cnj隨著主用戶行為發(fā)生變化。所以節(jié)點(diǎn)ni或者節(jié)點(diǎn)nj接入信道cp的穩(wěn)定因子為或者，那么信道cm對于鏈路e基于主用戶行為的穩(wěn)定因子為

那么，鏈路e基于主用戶行為的穩(wěn)定因子SIni,nj為

定義 設(shè)圖G=(V,E)，對G的每一條邊(vi,vj)，相應(yīng)地有一個數(shù)l(vi,vj)稱為邊(vi,vj)的權(quán)。G連同它邊上的權(quán)稱為賦權(quán)圖[20]。

通常情況下，具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)建模為有向連通圖G(N,E)，其中N表示頂點(diǎn)集，E表示邊緣集[19]。G(N,E)中的頂點(diǎn)n∈N對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的次級用戶，E對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中相鄰兩點(diǎn)間的鏈路。若網(wǎng)絡(luò)中的兩節(jié)點(diǎn)之間能夠傳輸數(shù)據(jù)，那么在圖G(N,E)中該兩點(diǎn)是連通的。由上述定義，令SIni,nj為圖G的頂點(diǎn)ni與nj的邊的權(quán)，那么G連同在它邊上的權(quán)稱為賦權(quán)圖。該賦權(quán)圖G中給定一個頂點(diǎn)s（稱為始點(diǎn)）及頂點(diǎn)d（稱為終點(diǎn)），所謂路由問題就是在(s, d)道路集合K中尋找合適的道路k。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中要求避免受主用戶行為影響大的節(jié)點(diǎn)和對路由跳數(shù)的要求，本文提出的算法要尋找值最大的道路。

3 PUB-JRCA算法

鏈路質(zhì)量、相鄰鏈路的共道干擾以及主用戶行為等是保證路徑穩(wěn)定性的重要因素。假設(shè)鏈路質(zhì)量理想化，通過每個次級用戶的多接口收發(fā)機(jī)消除共道干擾，那么鏈路穩(wěn)定性很大程度上受主用戶行為的影響，因此主用戶行為對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的路由算法設(shè)計有重要的影響。本算法針對主用戶行為特點(diǎn)設(shè)計了一種基于主用戶行為的路由和信道聯(lián)合分配算法，增加認(rèn)知路由的平均持續(xù)時間期望，提高分組投遞率和平均分組時延。

3.1 基于主用戶行為的路由算法

在多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，一條多跳路徑中間的各條鏈路同時連通才能保證該路徑的正常通信。那么，利用類似于DSR的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制[21]，從一定時間內(nèi)收集到的路由請求中選擇不易受主用戶影響的路由。基于主用戶行為的路由策略過程如下：源節(jié)點(diǎn)S如果有數(shù)據(jù)傳輸請求，它首先在網(wǎng)絡(luò)中的公共控制信道(CCC)上廣播路由請求分組(RREQ)，尋找到目的節(jié)點(diǎn)D的K個可能路徑（令 K表示在給定時間內(nèi)尋找的可達(dá)路徑的數(shù)量）。目的節(jié)點(diǎn)D收到K個RREQ后，選擇受主用戶行為影響最小的路徑。RREQ的結(jié)構(gòu)包括如下（如圖2所示）。

1) 分組類型(Type)，源節(jié)點(diǎn)ID(Sid)，目的節(jié)點(diǎn)ID(Did)，包存活跳數(shù)(TTL)；

2) 路由表(RTable)：包含路徑k中的所有節(jié)點(diǎn)的ID，即。

3) 公共頻譜機(jī)會集合(C-SOP）：前跳節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的可用信道集合。如果SOP為空集，那么本節(jié)點(diǎn)將丟棄該RREQ。

4) 信道記錄(CRecord)：記錄本節(jié)點(diǎn)的可用信道集。

圖2 RREQ結(jié)構(gòu)圖

中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，檢查該節(jié)點(diǎn)的ID是否RREQ中目的節(jié)點(diǎn)ID相同，如果相同，則開啟該節(jié)點(diǎn)的定時器，等待一段時間，收集RREQ；如果不相同，那么檢查RREQ中的相關(guān)信息并判別：TTL大于零；RTable不包含該中間節(jié)點(diǎn)的ID；C-SOP與CRecord存在交集，3個條件均滿足時將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息寫入RREQ中。例如：將本中間節(jié)點(diǎn)的ID寫入RTable中；更新公共頻譜機(jī)會集合C-SOP以及前向路徑的穩(wěn)定因子SI。處理RREQ后，中間節(jié)點(diǎn)將 RREQ廣播至下一跳節(jié)點(diǎn)。直到第一個RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，開啟目的節(jié)點(diǎn)處的定時器，等待一段時間，收集K個RREQ。

PUB-JRCA算法從收集到的K個可達(dá)路徑中選擇穩(wěn)定因子最大的路徑，選擇條件為

依據(jù)上述處理流程，PUB-JRCA算法可找到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間具有最大穩(wěn)定因子的路由。

3.2 基于主用戶行為的信道分配

找到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間具有最大穩(wěn)定因子的路由后，目的節(jié)點(diǎn)知道路徑上所有節(jié)點(diǎn)的可用信道信息，然后為每條鏈路分配能減少共道干擾和保證信道質(zhì)量的信道。

目的節(jié)點(diǎn)首先分析本節(jié)點(diǎn)與所選定路徑中的前一跳節(jié)點(diǎn)的可用信道集合交集，依據(jù)交集中可用信道的數(shù)量分為2種情況。

情況 1 可用信道集合交集中僅存在一條可用信道，那么分配該信道作為基本信道Cbasic。

情況 2 可用信道集合交集中存在多于一條的信道，那么依照以下方法選擇基本信道Cbasic。

假定數(shù)據(jù)傳輸信道是瑞利平坦衰落信道，接收節(jié)點(diǎn)的功率為

其中，N0是高斯噪聲的功率（在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，目的節(jié)點(diǎn)采用發(fā)射導(dǎo)頻估計信道的信干噪比）。于是前向節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間通過不同信道連通的鏈路權(quán)值為

假定每個節(jié)點(diǎn)的傳輸功率相等，那么將式(9)簡化為

隨后，目的節(jié)點(diǎn)在公開控制信道上沿著所選路徑的反向路徑發(fā)送包含路徑信息以及基本信道的路由回復(fù)分組(RREP)。中間節(jié)點(diǎn)收到RREP分組后，選擇中間節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)端節(jié)點(diǎn)的信道記錄中與基本信道Cbasic不同的信道集合，記為CR′，這樣可以減少相鄰鏈路之間的共道干擾。因?yàn)槊總€次級用戶有2個可調(diào)收發(fā)機(jī)，可以給相鄰鏈路分配2個不同信道，而不產(chǎn)生信道切換時延。在新的信道集合CR′中，中間節(jié)點(diǎn)選擇具有最高 W 的信道作為通信信道，然后將該信道寫入RREP中，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP，直到RREP到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。

3.3 路由維護(hù)

在多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，鏈路失敗分為以下2種情況。

1) 由于主用戶的出現(xiàn)導(dǎo)致2個次級用戶之間的可用信道發(fā)生改變或者消失，從而導(dǎo)致鏈路失敗。

2) 由于節(jié)點(diǎn)移動，離開原相鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，導(dǎo)致鏈路失敗。

當(dāng)僅由于第1種情況導(dǎo)致2個次級用戶的分配的通信信道Cbasic失效時，次級用戶檢查它們之間的公共可用信道集合 C-SOP，按照 3.2節(jié)的信道分配算法分配一條通信信道，而不是立即重啟一個新的路由發(fā)現(xiàn)過程。這個處理步驟使得次級用戶很快地適應(yīng)主用戶行為的動態(tài)變化，增加分組投遞率。假如公共可用信道集合C-SOP為空集，則認(rèn)為兩點(diǎn)之間的鏈路已經(jīng)失敗，中間節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生路由錯誤分組(RRER)并沿著路由表源節(jié)點(diǎn)端路由傳送 RRER。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)第 2種情況時，中間節(jié)點(diǎn)無法與鄰居節(jié)點(diǎn)通信，那么它認(rèn)為該鏈路失敗，然后產(chǎn)生路由錯誤數(shù)據(jù)分組(RRER)并沿著路由表的源節(jié)點(diǎn)端路徑傳送RRER。源節(jié)點(diǎn)收到RRER之后，刪除到目的節(jié)點(diǎn)D的路由并重新啟動路由發(fā)現(xiàn)程序。該過程類似于DSR協(xié)議中的路由維護(hù)。

3.4 PUB-JRCA算法總結(jié)

PUB-JRCA算法中，源節(jié)點(diǎn)在公共控制信道上發(fā)送路由請求，目的節(jié)點(diǎn)收到第一個RREQ后，繼續(xù)收集一段時間內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的 RREQ，利用每個RREQ中攜帶的各鏈路的穩(wěn)定因子信息，根據(jù) 3.1節(jié)的基于主用戶行為的路由策略選擇受主用戶行為影響最小的路由。然后目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生RREP，在公共控制信道上沿著所選路由的方向發(fā)送RREP并且執(zhí)行信道分配策略。為了減少相鄰鏈路之間的共道干擾，中間節(jié)點(diǎn)選擇與其后向鏈路信道不同的信道作為其前向鏈路的信道。因?yàn)槊總€認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有2個可調(diào)收發(fā)機(jī)，這種方案能避免信道切換時延。信道分配中考慮了信道質(zhì)量和主用戶對信道的影響。W值越大，越能保證信道的穩(wěn)定性。直到源節(jié)點(diǎn)收到 RREP，該源節(jié)點(diǎn)已經(jīng)找到與目的節(jié)點(diǎn)之間的受主用戶行為影響最小的路由及相應(yīng)信道。

總之，按照圖3的處理流程，PUB-JRCA算法綜合考慮了受主用戶行為影響、共道干擾以及次級用戶間干擾等因素，首先進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，然后在路由回復(fù)過程中完成信道分配，最后當(dāng)出現(xiàn)鏈路失敗時進(jìn)行路由維護(hù)，這減少了由于主用戶出現(xiàn)引起的分組行丟失，這樣，PUB-JRCA算法完成了多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的路由和信道聯(lián)合分配以及路由維護(hù)。

圖3 PUB-JRCA算法

4 性能分析

4.1 鏈路平均持續(xù)時間分析

基于呼叫的模型中有2個重要的隨機(jī)變量，主用戶兩次呼叫達(dá)到時間間隙和主用戶每次呼叫持續(xù)時間均服從獨(dú)立指數(shù)分布。將主用戶活動簡化為兩狀態(tài)生滅過程，生概率為a1，滅概率為a0。當(dāng)主用戶狀態(tài)為滅時，次級用戶能夠使用該授權(quán)信道。這樣，次級用戶初始時刻選擇的可用信道的所屬主用戶必須處于“滅”狀態(tài)。在一個單位時隙Δt過后，主用戶轉(zhuǎn)換為“生”狀態(tài)的概率為a1。如果主用戶狀態(tài)由“滅”轉(zhuǎn)為“生”，那么位于該主用戶覆蓋區(qū)域內(nèi)的次級用戶將不能使用該授權(quán)信道。因此，公共可用信道中cm的平均持續(xù)時間期望為

其中，n表示單位時隙個數(shù)，根據(jù)

那么平均持續(xù)時間期望E(cm)(T)可寫為

顯然，平均持續(xù)時間期望 E(cm)(T)與主用戶活動概率成反比。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，信道的平均持續(xù)時間期望直接反映了次級用戶能夠使用該信道的穩(wěn)定性。如果2個相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在一條甚至更多的公共可用信道，那么只要有一條信道能持續(xù)可用則能保證兩點(diǎn)間鏈路的穩(wěn)定性。因此，信道穩(wěn)定性與成反比，利用式(5)估計鏈路穩(wěn)定性是合理的。同理，路徑的穩(wěn)定和主用戶活動概率也成反比，所有用式(6)能尋找到受主用戶影響最小的路由。

4.2 復(fù)雜度分析

為了估計PUB-JRCA算法的復(fù)雜度，假設(shè)在多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，有N個節(jié)點(diǎn)，最多有M個可用信道。在路由算法的過程中，源節(jié)點(diǎn)廣播RREQ，中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的 RREQ，直到目的節(jié)點(diǎn)收到多個RREQ。這個過程的路由開銷為O(N2)。然后，目的節(jié)點(diǎn)選擇最穩(wěn)定的路徑和信道。這個過程的復(fù)雜度最大為 O(NM)。因此，整個過程的復(fù)雜度為O(N2+NM)，這和 Gymkhana路由方案[17]相類似。PUB-JRCA算法在不同條件下的復(fù)雜度如表1所示。

表1 PUB-JRCA算法在不同條件下的復(fù)雜度

PUB-JRCA算法中的路由選擇階段計算式為式(6)，那么該階段的計算復(fù)雜度為 O(N)。然而，在Gymkhana路由方案中，目的節(jié)點(diǎn)計算源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有候選路徑的 Laplacian矩陣的第二小特征值。其Laplacian矩陣為(Hk+1)M(Hk+1)M矩陣（Hk為第k條路徑的總跳數(shù)，M為網(wǎng)絡(luò)中可用信道數(shù)）。所以Gymkhana路由方案中目的節(jié)點(diǎn)的路由選擇階段的復(fù)雜度為O(N3)。這使得路由選擇階段的計算量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而指數(shù)增加。因?yàn)樵赑UB-JRCA算法網(wǎng)絡(luò)中，每個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)裝有2個可調(diào)收發(fā)機(jī)，雖然增加了設(shè)備成本，但是它能在降低路由選擇階段復(fù)雜度的情況下保證路由的穩(wěn)定性。

5 仿真結(jié)果

采用 NS2[23]環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的性能仿真。仿真場景中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请S機(jī)生成的。N個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m×1 000m的區(qū)域內(nèi)，M條授權(quán)信道，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)（類似于802.11）的最大傳輸范圍為 300m。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，假設(shè)傳輸信道為瑞利平坦衰落信道，其瑞利分布的均值服從參數(shù)為1的指數(shù)分布，其他次級用戶對參照節(jié)點(diǎn)的干擾服從均值為0dB、方差為8dB的對數(shù)正態(tài)分布，高斯噪聲功率為-90dBm[24]。建模主用戶行為為呼叫模型，其每個不同主用戶的活動概率處于0～0.9之間。仿真初始化時，每個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的可用頻譜為所有授權(quán)頻譜的一部分。在一個單位時間里，一個節(jié)點(diǎn)可以傳輸100個數(shù)據(jù)分組，其可用頻譜確定。在下一個單位時間里，主用戶m狀態(tài)變?yōu)椤?”的概率為，使得該主用戶覆蓋范圍內(nèi)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的可用頻譜發(fā)生改變。

5.1 分組投遞率

在具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，分組投遞率是發(fā)送分組數(shù)量與接收分組數(shù)量的比值，能反映由于路由失敗引起的分組丟失率。在多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的出現(xiàn)是導(dǎo)致路由失敗的主要因素。因此，主用戶(PU, primary user)的活動概率會影響網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率。仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲须S機(jī)分布25個認(rèn)知用戶，3個主用戶，PU1、PU2、PU3， PU1和PU3的活動概率為= 0 .4和= 0 .1并保持不變而PU2的活動概率從0.1到0.9變化。每個認(rèn)知用戶的初始化可用信道為{c1,c2,c3}。如圖4所示，不同協(xié)議之間的分組投遞率的差異非常明顯。特別當(dāng)大于0.4時，PUB-JRCA算法的分組投遞率較DSR提高了7%。因?yàn)镈SR協(xié)議中沒有考慮主用戶的活動性。圖4顯示3種協(xié)議的分組投遞率隨著PU2的活動概率的增加而減少。但是，Gymkhana路由方案和 PUB-JRCA算法的分組投遞率均勝過 DSR協(xié)議。因?yàn)镻U2活動概率的增加導(dǎo)致PU2處于狀態(tài)“1”的平均持續(xù)時間增加，那么處于PU2傳輸范圍內(nèi)的次級用戶使用該授權(quán)信道的概率減小。

圖4 主用戶2的不同活動概率下的分組投遞率

在PUB-JRCA算法中，中間節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)端鏈路和目的節(jié)點(diǎn)端鏈路選擇不同信道，能減小相鄰鏈路之間的干擾，即共道干擾。在信道分配中考慮不同信道的信干噪比與活動概率，保證信道的質(zhì)量。因此，PUB-JRCA算法總是選擇受主用戶影響較小的節(jié)點(diǎn)和質(zhì)量好的信道保證路由穩(wěn)定。

5.2 平均分組時延

在針對平均分組時延(average packet delay)的仿真中，僅考慮路由建立延時而忽略信道傳輸延時。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個主用戶，所有主用戶有相同的活動概率，次級用戶數(shù)從 25個逐漸增加到200個。其平均分組時延結(jié)果如圖5所示，DSR協(xié)議的平均分組時延比Gymkhana路由方案和PUB-JRCA算法的平均分組時延小，因?yàn)镈SR協(xié)議中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請求RREQ后，目的節(jié)點(diǎn)不需要開啟定時器等待一段特定時間，因?yàn)槟康墓?jié)點(diǎn)只回復(fù)收到的第一個RREQ，從而減少了平均分組時延。但是 PUB-JRCA算法中的平均分組時延比 Gymkhana路由方案的平均分組時延小。隨著網(wǎng)絡(luò)中次級用戶數(shù)的增加， PUB-JRCA算法和Gymkhana路由方案的平均分組時延均逐漸增加，但是前者平均分組時延的增加幅度比后者平均分組時延的增加幅度小，當(dāng)次級用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時，PUB-JRCA算法的平均分組時延比Gymkhana路由方案低將近1.8個單位時間。因?yàn)?PUB-JRCA算法中目的節(jié)點(diǎn)處的路由選擇階段的計算復(fù)雜度比Gymkhana路由方案的計算復(fù)雜度低，網(wǎng)絡(luò)中次級用戶數(shù)增加直接影響路由選擇階段時延，從而影響網(wǎng)絡(luò)中的平均分組時延。

因此，在具有多信道的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，PUBJRCA算法在平均分組時延方面優(yōu)于Gymkhana路由方案，尤其當(dāng)次級用戶數(shù)越大時，網(wǎng)絡(luò)中平均分組時延性能越優(yōu)越。而PUB-JRCA算法為獲得比DSR協(xié)議更高的分組投遞率，犧牲了網(wǎng)絡(luò)平均分組時延。由此可知，PUB-JRCA算法更適合多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。

圖5 不同次級用戶數(shù)下的平均分組時延

6 結(jié)束語

本文提出了一種適應(yīng)于多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法。針對主用戶行為導(dǎo)致頻譜的動態(tài)特性，基于 DSR的基本思想，對其進(jìn)行了擴(kuò)展，提出一種新的基于主用戶行為的路徑權(quán)值算法，并將信道分配過程添加到路由回復(fù)階段完成。理論分析表明，基于主用戶行為的路徑權(quán)值與鏈路的平均持續(xù)時間期望成反比，可以權(quán)衡鏈路平均持續(xù)時間，另外分析了算法的路徑選擇階段的計算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，該算法在主用戶行為多變和多節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中能提升分組投遞率，降低平均分組時延。

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