基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑算法

劉期烈，張智慧，黃 巍，李廣德，楊 軍

(1.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065;2.總裝備部重慶軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610036;3.重慶有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司，重慶 400060)

隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求和綠色信息通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜使用率低下問題受到了人們的極大關(guān)注。為了解決這個(gè)問題，傳統(tǒng)的通信技術(shù)通過避免多徑效應(yīng)帶來的信道間符號(hào)干擾以提供單位頻譜上更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可提高頻譜利用率，如正交頻分復(fù)用［1］(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù);另一方面，認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)的提出使非授權(quán)用戶能動(dòng)態(tài)感知和精確地接入當(dāng)前空閑的授權(quán)信道，從而提高了頻譜利用率。近年來人們對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)路由算法［2-5］做了大量相關(guān)的工作，但是現(xiàn)有研究沒有綜合考慮頻譜移動(dòng)特性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼J(rèn)知用戶之間干擾的影響，而這些因素會(huì)明顯降低路由路徑的穩(wěn)定性，大大增加路由的時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

基于上述方面的考慮，提出一種最優(yōu)路徑的基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的路由算法(Optimal Route for OFDM-based Cognitive Routing，OROCR)。該算法使得路由路徑具有最小的累積期望傳輸時(shí)延和最大的平均吞吐量。頻譜移動(dòng)由主用戶的到達(dá)率決定，主用戶到達(dá)率高，則認(rèn)知用戶占用授權(quán)信道概率小，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，同時(shí)在相互干擾范圍內(nèi)的多個(gè)認(rèn)知用戶且經(jīng)過不同的路徑使用相同的信道時(shí)，就會(huì)相互產(chǎn)生干擾［6-7］。首先，該算法考慮頻譜移動(dòng)性、認(rèn)知用戶使用授權(quán)信道的概率和認(rèn)知用戶之間的干擾計(jì)算期望傳輸時(shí)間;其次，通過類似于按需路由協(xié)議的基本流程，得到所有可能的路徑;最后，根據(jù)最小累積期望傳輸時(shí)間和最大的路徑平均吞吐量的指標(biāo)來選擇最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，OROCR算法可以明顯地減少平均端到端時(shí)延，大大提高了平均端到端吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

基于OFDM認(rèn)知無線電是一種新型的智能無線技術(shù)，提供了一種靈活的頻譜分配方案，其包含兩種類型的用戶:主用戶和認(rèn)知用戶。在不影響主用戶優(yōu)先通信的前提下，認(rèn)知用戶智能地利用空閑的授權(quán)信道，而當(dāng)主用戶到來時(shí)，認(rèn)知用戶必須快速退出正在使用的授權(quán)信道而不干擾主用戶，這種機(jī)會(huì)頻譜分配的方式實(shí)現(xiàn)了兩類用戶之間的頻譜共享，極大地提高了頻譜利用率。任意兩個(gè)認(rèn)知用戶之間通過感知可用的授權(quán)信道組成信道集，每一個(gè)認(rèn)知用戶的發(fā)送范圍和干擾范圍都相同，對(duì)于任意一個(gè)用戶，其發(fā)送范圍和干擾范圍不相同。認(rèn)知用戶之間設(shè)置一個(gè)傳統(tǒng)的公共控制信道來交換信息并傳輸控制信息，且通常選擇使用低頻率、傳輸距離較遠(yuǎn)的信道作為公共控制信道(Common Control Channel，CCC)。每個(gè)用戶周期地接入控制信道獲取信道中的控制消息，這樣認(rèn)知用戶可了解網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能及時(shí)切換傳輸信道或重建路由，使網(wǎng)絡(luò)的連通度達(dá)到最好的狀態(tài)。假設(shè)任意兩個(gè)相鄰認(rèn)知用戶之間公共信道的帶寬不同，信道可用概率將在后面具體給出來。網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，其中SU1～SU16表示認(rèn)知用戶，PU1～PU3表示主用戶，圖中實(shí)線表示用戶之間通信鏈路。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型圖

2 最優(yōu)路徑路由算法

根據(jù)前文可知，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)路由［8-9］的選擇需要考慮兩個(gè)方面的因素，即期望傳輸時(shí)間和信道干擾。

2.1 期望傳輸時(shí)間尺度的計(jì)算

根據(jù)雙線地面?zhèn)鞑ツＰ涂芍?，接收?jié)點(diǎn)的接收的信號(hào)的功率為

式中:Pt是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率;Gt，Gr分別是發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線增益，當(dāng)其天線是全方位的定向天線，則有Gt·Gr=1;ht，hr分別是發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線高度;dtr是發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，這里設(shè)為Psignal=－101 dB。對(duì)于節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的公共信道k帶寬為，其范圍為［1 MHz，10 MHz］根據(jù)香農(nóng)公式可得信道k的信道容量為

式中:N0表示噪聲功率譜密度，信道的干擾在2.2節(jié)中計(jì)算得到。根據(jù)上面的公式可得，信息大小為D的數(shù)據(jù)在公共信道k上的傳輸?shù)臅r(shí)間為

2.2 干擾尺度的計(jì)算

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)［10］中，兩個(gè)認(rèn)知用戶在相互的干擾范圍內(nèi)同時(shí)使用同一個(gè)授權(quán)信道通信，就會(huì)造成相互的干擾，對(duì)于信道k，認(rèn)知用戶m對(duì)認(rèn)知用戶i的干擾可以表示為

根據(jù)文獻(xiàn)［6］可知，在時(shí)間(0，T］內(nèi)，認(rèn)知用戶i的干擾范圍內(nèi)認(rèn)知用戶的數(shù)目s服從參數(shù)為λs的泊松分布，得到

設(shè)λs=8。因此，在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)i的干擾范圍內(nèi)其他認(rèn)知用戶對(duì)節(jié)點(diǎn)i的總的干擾為

2.3 路徑選擇尺度描述

基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑的路由算法的基本思想就是選擇最小累積期望傳輸時(shí)延和最大路徑平均吞吐量的路徑，但是要避免在其干擾范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的干擾，避免多條鏈路對(duì)同一信道的競(jìng)爭(zhēng)造成頻譜移動(dòng)，以此提高路徑的穩(wěn)定和認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)上述討論，這條路徑的平均吞吐量為

定義TMET(Tradeoff of Minimum Expectations Transmission Time and Average Throughput)如下

將式(12)的最小值作為目的節(jié)點(diǎn)選擇路由路徑的指標(biāo)，其中β是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，設(shè)為β=0.2。

2.4 路由算法詳細(xì)描述

源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，選擇質(zhì)量好的信道至關(guān)重要。在一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)路由請(qǐng)求包后，以最小TMET為路由指標(biāo)選擇最優(yōu)的路徑進(jìn)行通信，詳細(xì)的路由算法如下描述:

1)若源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，但是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間沒有通信的路徑。此時(shí)，源節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求包(Route Request，RREQ)，該請(qǐng)求包包含該節(jié)點(diǎn)可用授權(quán)信道集合、信道的期望傳輸時(shí)間和可用授權(quán)信道的干擾的大小。最初，路徑的累積期望傳輸時(shí)間設(shè)置為零。當(dāng)且只當(dāng)相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在公共的傳輸節(jié)點(diǎn)時(shí)，才轉(zhuǎn)發(fā)RREQ給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2)假設(shè)中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括從源節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的可用信道的列表、路徑的累積期望傳輸時(shí)間和可用授權(quán)信道干擾的大小，若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有公共可用授權(quán)信道則轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包，并且將該授權(quán)信道添加到可用授權(quán)信道集合的列表中。

3)一旦目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑的累積期望傳輸時(shí)延和平均吞吐量，選擇最小累積期望傳輸時(shí)延和最大平均吞吐量的路徑。然后，目的節(jié)點(diǎn)的路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包(Route Reply，RREP)復(fù)制RREQ中可用授權(quán)信道集合，并且根據(jù)該授權(quán)信道集合選擇合適的路徑將數(shù)據(jù)包沿著原始的反向路徑傳給源節(jié)點(diǎn)。隨后源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通信，在通信過程中各節(jié)點(diǎn)周期地與鄰居節(jié)點(diǎn)廣播HELLO消息維持鏈路的完整。

4)若是中間節(jié)點(diǎn)間的鏈路斷開了，RREQ數(shù)據(jù)包將無法到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。對(duì)中斷鏈路的處理有三種方式:從中斷的鏈路的路由切換到其他可用的公共授權(quán)信道;或者先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包保存在本節(jié)點(diǎn)的緩存中，然后對(duì)鏈路進(jìn)行本地修復(fù)。該節(jié)點(diǎn)查找自己的路由表信息找到存在到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路，將保存的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。否則該節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)建立路由，再將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去;或者若沒有找到相關(guān)路徑，則向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)路由錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包(Route Error，RERR)，隨后源節(jié)點(diǎn)將廣播RREQ數(shù)據(jù)包重新建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由路徑。

3 性能分析

本文提出了一個(gè)基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑的路由算法(OROCR)，本章節(jié)通過性能評(píng)估驗(yàn)證該算法在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的性能。性能評(píng)估的環(huán)境設(shè)置如下:網(wǎng)絡(luò)的大小設(shè)置為1000 m×1000 m，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍和干擾范圍分別是250 m和550 m。頻譜移動(dòng)的平均時(shí)延和頻譜感知周期分別是0.01 s和0.04 s，網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延為5 ms，調(diào)節(jié)頻譜的平均時(shí)間為10 ms。根據(jù)文獻(xiàn)［7］，取=80 ms，重建路由的時(shí)間 trerouting=50 ms，數(shù)據(jù)的大小為D=10 Mbit。根據(jù)式(5)在仿真的時(shí)間里可計(jì)算出該信道的可用概率在［0.10，0.99］范圍內(nèi)。鑒于文獻(xiàn)［3］中經(jīng)典的穩(wěn)健性路由，將從平均端到端時(shí)延和平均端到端吞吐量?jī)蓚€(gè)方面的性能進(jìn)行仿真，平均端到端時(shí)延是指數(shù)據(jù)包D從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的各個(gè)鏈路的所需時(shí)間累積和，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)十次得到其平均值。平均端到端吞吐量是指數(shù)據(jù)包D從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的路徑中各個(gè)鏈路的最大吞吐量，然后再重復(fù)實(shí)驗(yàn)十次得到其平均值。

3.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)和信道數(shù)與網(wǎng)絡(luò)性能

當(dāng)主用戶占用授權(quán)信道的概率為0.8時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)和信道數(shù)不同，其網(wǎng)絡(luò)的性能也不同。其結(jié)果為如圖2和圖3所示。

從圖2中可知，可用信道數(shù)確定時(shí)，平均端到端時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而增加。而節(jié)點(diǎn)數(shù)確定時(shí)，隨著可用信道數(shù)增加而減小，OROCR路由算法比現(xiàn)有的算法具有更小的平均端到端時(shí)延。從圖3可以看出，可用信道數(shù)確定時(shí)，平均端到端吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而減少。而節(jié)點(diǎn)數(shù)確定時(shí)，隨著可用信道數(shù)增加而增加，OROCR算法比現(xiàn)有的路由算法具有更大的平均端到端吞吐量。節(jié)點(diǎn)數(shù)增加使得跳數(shù)增加，信道的移動(dòng)概率和切換時(shí)延增加，重建路由的次數(shù)相應(yīng)增加，導(dǎo)致平均端到端時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而增加，平均端到端吞吐量減小。當(dāng)可用信道數(shù)增加時(shí)，可使路由重建次數(shù)減少，選擇質(zhì)量好的信道的概率增加，平均端到端時(shí)延減小，平均端到端吞吐量增加。

3.2 主用戶占用率與網(wǎng)絡(luò)性能

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的數(shù)目為20，信道數(shù)為10時(shí)，當(dāng)主用戶占用率不同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能也不同。其結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4可知，平均端到端的時(shí)延隨著主用戶占用信道概率的增加而增加。這是因?yàn)橹饔脩粽加每捎眯诺赖母怕试黾?，?duì)于認(rèn)知用戶來說，其使用可用信道的概率減小，相應(yīng)的信道傳輸時(shí)延增加，這樣導(dǎo)致端到端的時(shí)延增加，但是提出的算法的平均時(shí)延比健壯性路由算法要小。從圖5可知，平均端到端的吞吐量隨著主用戶占用信道的概率增加而減小。這是因?yàn)樵撀窂降南鄬?duì)帶寬減少了，所以平均端到端的吞吐量相應(yīng)地減小，但是新提出的路由算法比健壯性路由算法具有更大的平均端到端吞吐量。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有認(rèn)知路由算法中沒有綜合考慮頻譜移動(dòng)和用戶之間的相互干擾的不足，提出了一種基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑路由算法，主要綜合考慮了期望傳輸時(shí)間和在干擾范圍內(nèi)其他認(rèn)知用戶的干擾對(duì)路徑選擇的影響，基于類似于按需路由協(xié)議的基本流程，得到最優(yōu)端到端性能的路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基于OFDM認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，OROCR算法能明顯地降低平均端到端時(shí)延，大大提高了平均端到端吞吐量。

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