一種基于主動避讓的認知無線網(wǎng)絡路由維護方案*

趙雄鷹，史邇冬，汪一鳴

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州215021）

認知無線電CR(Cognitive Radio)的概念由Joseph Mitola于1999年首先提出[1-3]，并在其博士論文中對此進行了進一步的闡述[4]。認知無線電作為一種新型的頻譜共享技術，通過智能感知并機會式利用授權頻段中的頻譜空洞 (即已分配給授權用戶但未被其占用的空閑頻譜)，實現(xiàn)不可再生頻譜資源的再次利用，為有效解決當今無線網(wǎng)絡中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開辟了新的途徑，是解決通信發(fā)展瓶頸問題的關鍵技術。路由研究是認知無線網(wǎng)絡研究的一個重要方面。由于頻譜動態(tài)接入帶來的節(jié)點可用信道隨時間和空間變化的特性，使得認知無線網(wǎng)絡路由問題呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的特質，在研究方法上也有重要的區(qū)別。現(xiàn)有路由協(xié)議如DSR、AODV等在認知無線電網(wǎng)絡中失去原有的性能。所以需要設計能夠反映認知無線網(wǎng)絡特點及適用于在認知無線網(wǎng)絡中工作的路由算法和協(xié)議。

目前關于認知無線網(wǎng)絡中的路由協(xié)議研究成果主要可以分成兩類：一類主要集中在路由拓撲算法和協(xié)議的設計上，一般也同時提出了路由的優(yōu)化方案；另一類主要集中在路由優(yōu)化方案的設計和實現(xiàn)上，對于路由算法和協(xié)議本身考慮得并不多。參考文獻[5]考慮了從源節(jié)點到目的節(jié)點路徑上信道切換次數(shù)和信道可使用概率，從最小延時和使用可用概率最高的信道兩個方面建立路由。參考文獻[6]描述了一種非控制信道依賴型按需路由協(xié)議MSCRP(Multi-hop Single-transceiver CRN Rout-ing Protocol)。參考文獻[7]綜合考慮了鏈路分配、信道干擾、節(jié)點無線電接口限制和多徑路由流量限制,運用混合整數(shù)線性規(guī)劃MILP(Mixed Integer Linear Programming)方法優(yōu)化了路由算法。參考文獻[8]在考慮了同步開銷，定義了路由開銷函數(shù)，對路由算法進行了優(yōu)化。以上協(xié)議都是在路由建立上進行設計和優(yōu)化。然而隨著可用信道的動態(tài)變化，路由將不可避免地面臨建立和撤銷的情況。這將帶來本條路由工作信道的頻繁切換，不利于路由上數(shù)據(jù)持續(xù)流暢地傳輸。所以，本文從路由上數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)流暢性方面提出了一種改進的路由協(xié)議方法。

1 路由維護方案設計

如圖1所示，假設已知一條認知用戶路由SUS、SU1、SU2、SU3、…、SUR，其中 SU 為認知用 戶節(jié) 點，PU 為 主 用戶節(jié)點，V為主用戶的運動速度，雙線箭頭為主用戶的運動方向。虛線圓是認知用戶節(jié)點的發(fā)射功率覆蓋范圍，實線圓是主用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍。點M、N為SU2的相鄰兩節(jié)點SU1、SU3圓形覆蓋范圍的兩個交點。假設當前可用頻率有 F1、F2、F3…，其中 F1為 PU的授權頻率。假設在認知用戶路由中，SU2當前使用的頻率為PU的授權頻率F1，那么在轉發(fā)數(shù)據(jù)前，SU2需要對頻率F1進行檢測，若此時PU開始使用 F1，SU2將檢測到 PU的存在。如果SU2繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)在傳送過程中可能與PU發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，所以SU2需要回避，原認知用戶路由面臨著失效與重建。為了減小認知用戶路由失效重建的頻率，維持認知用戶路由上數(shù)據(jù)高效地傳輸，本文提出了一種新的回避方法。即SU2在檢測到PU在使用授權頻率F1后，通過一定的方法收集相關參數(shù)以計算PU的運動速度、運動方向、射頻覆蓋范圍等信息。經(jīng)計算，若通過認知節(jié)點SU2的避讓，PU在短時間內(nèi)不會離開SU2的干擾范圍，則SU2將重新尋找工作頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。若PU在短時間內(nèi)將離開SU2的干擾范圍，SU2節(jié)點就可以進行地理位置的移動(如圖1中虛線箭頭所示)，與主用戶之間保持一定的距離，同時計算退避時間，暫停數(shù)據(jù)轉發(fā)。為提高運行的可靠性，退避時間結束后，SU2節(jié)點需要再一次對PU是否存在進行檢測，只有當檢測到PU已經(jīng)離開，SU2節(jié)點才能繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)。

當測得主用戶的運動信息和發(fā)射半徑信息之后可以進一步判斷認知用戶能否避讓和退避時間。先不考慮暴露終端和隱藏終端的問題，認知用戶的避讓距離應為主用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍與認知用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍之交集?？紤]到認知用戶先是檢測到主用戶的存在再對主用戶進行定位，所以主用戶第一次出現(xiàn)的地點與認知用戶的距離小于主用戶的發(fā)射功率覆蓋半徑。

如圖1所示，當主用戶PU靠近時，PU與SU2的距離只能越來越小，數(shù)據(jù)碰撞概率會越來越高。由于認知用戶SU2的避讓范圍不能超出其相鄰兩節(jié)點（SU1，SU3）發(fā)射功率覆蓋范圍的重疊區(qū)域（圖中陰影部分），所以在主用戶PU靠近的過程中，SU2不能完全避讓。當主用戶遠離時，認知用戶可以根據(jù)主用戶實際的運動方向在圖中陰影部分實施避讓。若主用戶的運動速度非常快，認知用戶SU2也可以原地退避一段時間后繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，以上兩種情況下原認知用戶路由都不需要改變。

2 路由維護方案實現(xiàn)過程

認知路由中當前具有轉發(fā)任務的節(jié)點稱為轉發(fā)點。本次改進的路由維護方案為認知用戶增加了測試功能。在轉發(fā)點轉發(fā)數(shù)據(jù)之前，該轉發(fā)點需要對主用戶存在與否進行檢測，若檢測結果顯示主用戶未使用其授權頻率，轉發(fā)點可以使用當前工作頻率繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)。若檢測結果顯示主用戶正在使用其授權頻率，轉發(fā)點需要進一步測試主用戶相關參數(shù)，再對收集的參數(shù)進行處理得到主用戶運動速度、運動方向和發(fā)射功率覆蓋范圍，以此判斷主用戶在短時間內(nèi)能不能離開干擾范圍，轉發(fā)點能不能避讓等。轉發(fā)點將協(xié)同鄰居節(jié)點完成對主用戶信息的檢測，工作過程如圖2所示，具體方法如下：

(1)假設當前認知路由使用頻率為F1；

(2)轉發(fā)點：

①當接收到測試主用戶信息的命令之后，先啟動循環(huán)檢測功能尋找到當前可用頻率，假設是頻率F2；

②按順序分別在 F1、F2、F3…Fn上第一次廣播， 通知鄰居節(jié)點將接收頻率調整到F2；

③在F2上進行第二次廣播，通知鄰居節(jié)點對F1頻率的信號強度進行測試；

④等待鄰居節(jié)點回應；

⑤收集多個鄰居節(jié)點發(fā)回的數(shù)據(jù)包，比較信號強度參數(shù)，從中選擇信號強度參數(shù)大的2～6組數(shù)據(jù)對主用戶進行定位計算；

(3)鄰居節(jié)點：

①當接收到轉發(fā)點廣播的頻率調整到F2的命令后，將自己的工作頻率改成F2，等待接收下一個命令；

②接收到對F1頻率進行測試的命令后，將自己的接收頻率調整到F1，對主用戶的信號強度進行檢測，同時記錄檢測時刻；

③若沒有檢測到主用戶的信號，則回到初始狀態(tài)；若檢測到主用戶的信號，則將主用戶的信號強度、測得信號的時間以及本節(jié)點地理位置加載到數(shù)據(jù)包上；

④將工作頻率調整到F2，隨機退避一段時間，若檢測到F2仍然沖突，則繼續(xù)退避；若F2空閑就將數(shù)據(jù)包發(fā)送給轉發(fā)點；

⑤進入等待應答的狀態(tài)；

⑥收到應答后，本節(jié)點回到初始狀態(tài)。

在對主用戶的信息收集與處理之后，轉發(fā)點需要判斷能否通過主動避讓避免與主用戶之間的干擾，其判斷步驟如下：

(1)在可移動范圍內(nèi)（圖1中陰影部分），依據(jù)主用戶的運動速度和運動方向、轉發(fā)點的運動速度以及兩者的干擾半徑，轉發(fā)點確定一個新的位置；

(2)若該新位置在可避讓范圍內(nèi)且轉發(fā)點移動到該新位置后，與主用戶之間將不再產(chǎn)生干擾，計算移動所需要的時間T。若該新位置在可避讓范圍的邊緣且轉發(fā)點移動到該新位置后，需再等待一段時間才與主用戶之間不再產(chǎn)生干擾，則計算移動與等待的總時間T；

(3)將 T與預先設定的等待閾值（如 1～2 min）和變頻閾值（如 8～10 min）進行比較,若 T小于等待閾值，則轉發(fā)點等待相應的時間實現(xiàn)避讓；若T大于等待閾值而小于變頻閾值，則轉發(fā)點移動到步驟(1)確定的新位置實現(xiàn)避讓；若 T遠大于變頻閾值（如 10 min），則轉發(fā)點放棄當前頻率。

3 仿真及結果分析

為了研究路由維護方案的可行性，利用網(wǎng)絡仿真軟件，以事件驅動模擬實際場景進行方案驗證[9]。就認知無線網(wǎng)絡的場景進行設定，不失一般性，考慮主網(wǎng)絡和認知網(wǎng)絡都是節(jié)點可移動的Ad Hoc網(wǎng)絡，認知網(wǎng)絡存在僅有一個轉發(fā)節(jié)點的一條路由，如圖3所示，其中start、1、dest分別為認知用戶路由的源節(jié)點、轉發(fā)點和目的節(jié)點，其網(wǎng)絡地址分別設為（1，2，3）。 dis為主用戶，其余的節(jié)點為認知網(wǎng)絡中的其他鄰居節(jié)點。黑色線條為預設的主用戶運動軌跡，主用戶將以預先設定的速度沿著黑色線條勻速運動。假設各認知節(jié)點自身的位置是已知的。

圖3中三條黑色線段的參數(shù)如表1所示，表中X、Y為某條線段的起點或終點的橫縱坐標，“第一段”對應的上面兩個參數(shù)為這條線段起點的橫縱坐標，下面兩個參數(shù)為終點的橫縱坐標，以上兩點確定了圖中主用戶運動路徑的第一段。“第一段”最后一個參數(shù)為主用戶在這段路徑上運動的速度。表中“第二段”和“第三段”后面對應的是第二段和第三段路徑的參數(shù)。

表1 路徑參數(shù)

仿真結果如圖4～圖6所示，以圖中矩形框中轉發(fā)點為研究對象，轉發(fā)點的原始坐標為(0.397，0.561)。當主用戶dis靠近但與轉發(fā)點之間沒有產(chǎn)生干擾時，轉發(fā)點仍不斷傳送數(shù)據(jù)，如圖4所示。當主用戶漸漸靠近并與轉發(fā)點之間產(chǎn)生干擾時，轉發(fā)點暫停數(shù)據(jù)轉發(fā)，通過對相關參數(shù)的收集與計算，退避到一個新的地理位置（0.604，0.363），同時計算得到退避時間 164.8 s（約2.7 min），如圖5所示。退避結束后，轉發(fā)點需要再次對主用戶dis是否存在進行檢測，若檢測到主用戶dis已經(jīng)離開干擾范圍，轉發(fā)點將繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6中主用戶 dis的地理坐標為（0.334，0.604）。 仿真限定每個節(jié)點的發(fā)射功率覆蓋半徑為0.3 km，則主用戶dis與轉發(fā)點之間的距離約為0.36 km＞0.3 km，所以主用戶與轉發(fā)點之間不再存在干擾。再由轉發(fā)點的原始坐標、新坐標以及退避時間可得轉發(fā)點的退避距離為0.286 km，速度為6.36 km/hr。此速度相當于人的步行速度，所以在實際應用中該方案可實現(xiàn)。

在認知無線網(wǎng)絡中，主用戶使用其授權頻段時間的不確定性將帶來認知用戶路由頻繁地失效與重建。為了減少這種失效重建的頻率，本文對認知無線網(wǎng)絡中的路由維護提出了一種改進的方案，對網(wǎng)絡中相關節(jié)點協(xié)議及功能作了簡單的仿真分析?？紤]到實際電磁環(huán)境的復雜性，所涉及的具體算法(例如定位算法)及其性能分析將在后續(xù)論文中進一步闡述。

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