基于跨層的認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述*

王 嬌，趙軍輝，杜家嬌

（1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京100044；2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實驗室 北京100044）

1 引言

綠色網(wǎng)絡(luò)旨在減少系統(tǒng)和設(shè)備的能源消耗。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能耗高、效率低和資源浪費(fèi)，綠色網(wǎng)絡(luò)為節(jié)約能耗提出了可行性方案。綠色網(wǎng)絡(luò)所采取的策略包括以下兩個方面：

·改變?nèi)藗兊男袨榉绞剑?/p>

·節(jié)省技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投資。

對于個人和機(jī)構(gòu)（如本地居民、大型組織等）而言，采用綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有助于減少碳排放及能量消耗。構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為通信技術(shù)領(lǐng)域一個意義深遠(yuǎn)的課題。其中，應(yīng)用動態(tài)頻譜接入的認(rèn)知無線電技術(shù)，可以用來解決頻譜效率低下及資源浪費(fèi)的問題，達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是具有認(rèn)知功能的網(wǎng)絡(luò)，它可以感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況，制定計劃，做出決定，并且根據(jù)以上條件執(zhí)行，由此促進(jìn)了認(rèn)知無線電（cognitive radio，CR）的發(fā)展。認(rèn)知無線電是可以提高頻譜利用率的新技術(shù)。圖1是認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，多跳的無線網(wǎng)絡(luò)最基本的傳輸模型就是從源節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)傳輸信息。

圖1 認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

嚴(yán)格的分層體制不能夠靈活適應(yīng)充滿活力的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并且阻礙了網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化?？鐚釉O(shè)計作為一種可以提高網(wǎng)絡(luò)性能的新趨勢應(yīng)運(yùn)而生?？鐚泳W(wǎng)絡(luò)設(shè)計更改了單純的分層步驟，通過不相鄰層的直接通信以及層間直接信息共享改變了傳統(tǒng)的分層體系?？鐚訁f(xié)議的方法已經(jīng)證明比分層實現(xiàn)更有優(yōu)勢。而且由于跨層考慮使用不同的方法，可以避免復(fù)雜的計算和過度的開銷，同時發(fā)現(xiàn)哪個網(wǎng)絡(luò)能獲得更多資源。

2 認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)中的跨層技術(shù)

跨層的概念最先在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中部署無線鏈路時被提出[1]。由于TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)被有線通信應(yīng)用，無線技術(shù)作為存在網(wǎng)絡(luò)的一部分存在性能的缺失。認(rèn)知無線電綠色跨層優(yōu)化的共同目標(biāo)是降低能耗，用高效的路由提供服務(wù)質(zhì)量保證并且優(yōu)化調(diào)度。

2.1 認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)的頻譜架構(gòu)

認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)頻譜架構(gòu)可以分為兩個主要部分：主網(wǎng)和CR網(wǎng)絡(luò)。主網(wǎng)是指現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，主用戶（PU）有執(zhí)行許可，可以運(yùn)行特定的頻段。如果主網(wǎng)有一個基礎(chǔ)的支持，PU的操作被主機(jī)站控制。由于它們具有頻譜接入的優(yōu)先權(quán)，PU不被次用戶所影響。CR網(wǎng)絡(luò)（或者次網(wǎng)絡(luò)）沒有在特定頻段運(yùn)行的許可，CR用戶（或者次用戶）需要額外的功能來分享許可的頻段。此外，CR用戶具有移動性，能夠在互相之間以多跳方式在授權(quán)或者未授權(quán)頻段進(jìn)行交流。通常情況下，CR網(wǎng)絡(luò)作為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，不具備與主網(wǎng)絡(luò)直接溝通的渠道。因此，每個CR網(wǎng)絡(luò)的行為取決于當(dāng)時的條件。

為了適應(yīng)動態(tài)的頻譜環(huán)境，就必須進(jìn)行CRAHN（cognitive radio Ad Hoc network）的頻譜感知操作，形成一種認(rèn)知循環(huán)。認(rèn)知周期包括3個頻譜管理功能：頻譜感知、頻譜決策和頻譜共享。為了實現(xiàn)CRAHN，每個功能都必須融入傳統(tǒng)的分層，如圖2所示。頻譜管理功能的主要特征介紹如下。

圖2 跨層網(wǎng)絡(luò)頻譜管理

·頻譜感知：一個CR用戶分配到一個未使用的頻譜。CR用戶應(yīng)檢測到可用頻譜，然后監(jiān)測頻譜空穴。頻譜感知是CR網(wǎng)絡(luò)的一個基本功能，同其他頻譜管理功能密切相關(guān)，靠分層協(xié)議提供頻譜可用性。

·頻譜決策：一旦可獲得的頻譜被認(rèn)定，CR用戶可以根據(jù)自己的QoS要求選擇最合適的頻段。此外，在CRAHN，頻譜決策設(shè)定CR用戶共同承擔(dān)的頻譜并形成路線。

·頻譜共享：由于可能會有多種CR用戶嘗試訪問頻譜，它們的傳輸應(yīng)該加以調(diào)節(jié)，以防止頻譜重疊碰撞。頻譜共享一般分為集中式頻譜共享和分布式頻譜共享方式。

2.2 認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)的跨層結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，認(rèn)知無線多跳網(wǎng)絡(luò)需要考慮以下4層[2]：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入控制（MAC）層和物理層。一些跨層協(xié)議已經(jīng)被設(shè)計用來控制擁塞和終端對終端的通信（傳輸層的功能）。圖3表明在應(yīng)用層可以獲知MAC層的服務(wù)質(zhì)量需求，以更好地調(diào)度程序來運(yùn)行應(yīng)用，信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）可以被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，從而使路由協(xié)議可以避免破壞路徑。

圖3 跨層結(jié)構(gòu)

跨層架構(gòu)在4個基本的方式上做了改變：創(chuàng)建新接口；合并相鄰層；設(shè)計沒有新接口的耦合；跨層垂直校準(zhǔn)?？鐚訁f(xié)議設(shè)計能夠設(shè)計兩層或者更多層的參數(shù)，參數(shù)可以被檢索或者修改，以實現(xiàn)優(yōu)化。

3 認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)中的跨層方案

綠色網(wǎng)絡(luò)以節(jié)約能耗為主要目標(biāo)，適用于各種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。以認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，由于傳感器節(jié)點(diǎn)多為電源供電，如何有效地節(jié)能成為研究的關(guān)鍵問題，跨層方案為綠色網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化提出了新的思路。如圖4所示為認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)的跨層方案，各層通過認(rèn)知跨層控制器進(jìn)行認(rèn)知決策。

3.1 物理層

超寬帶（UWB）是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議的物理層可以考慮的技術(shù)之一，這種短距離高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)募夹g(shù)具有低成本、低復(fù)雜度、較強(qiáng)抗多徑衰落性和抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)[3]。

[4]提出一種跨層自適應(yīng)碼位置調(diào)制（adaptive crosslayer position modulation，ACPM）方案，定義了一個新的層——數(shù)據(jù)分組調(diào)度層，這個層可以計算時延和分組丟失率。從時延需求可選擇最佳調(diào)制方案，從分組丟失率的角度，物理層可以決定一個分組在傳輸過程中所遇到的最大誤碼率，因此，為滿足需要，可以調(diào)整預(yù)定的調(diào)制發(fā)射功率。

對于認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器是只有一個發(fā)送和接收天線配備的小型設(shè)備。而對于MIMO通信，每套設(shè)備需要多個天線，可以通過節(jié)點(diǎn)的合作實現(xiàn)虛擬的通信。這種通信模式也能減少能源的消耗[5]。參考文獻(xiàn)[6]即應(yīng)用了虛擬MIMO雙跨層的方法。

參考文獻(xiàn)[7]提出的多級調(diào)制可以利用多跳映射和調(diào)度的算法在每個傳感器節(jié)點(diǎn)中尋找其認(rèn)為的最佳應(yīng)用映射。通過動態(tài)電壓縮放，可以參考最小的功率來計劃任務(wù)，同分布式計算架構(gòu)相比，節(jié)點(diǎn)的能量消耗減少了52%。

3.2 MAC層

多址接入的載波監(jiān)聽碰撞（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA）是MAC層主要考慮的技術(shù)。按照分組丟失率、物理層測量和分組碰撞率、分組阻塞率和服務(wù)時間的概率分布計算MAC層的工作周期。計算工作周期需要考慮收集和分發(fā)兩個過程。對于收集，匯聚節(jié)點(diǎn)決定了工作時間并將它們傳輸給其他傳感器節(jié)點(diǎn)，這實現(xiàn)了可靠性，卻使協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)更耗能。分發(fā)方面，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)只發(fā)送傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都可以計算出自身的占空比，以保持高于預(yù)定義限制的可靠性。這樣，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的能耗變少了，網(wǎng)絡(luò)傳感的可靠性還保持在相同的水平。

圖4 認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)跨層方案

帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽（CAEM）是一個考慮了帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多路訪問 （carrier sense multiple access with collision detection，CSMA-CD）的跨層能力管理辦法，CSMA-CD為信道訪問方法[8]。所有的傳感器不停地感知信道的狀態(tài)，如果它們中的一個要發(fā)送數(shù)據(jù)分組，信道條件好的話就能完成，信道條件不好，分組就會被延緩。

參考文獻(xiàn)[9]提出睡眠感知樹（SS-tree），傳感器節(jié)點(diǎn)樹可以進(jìn)行傳感器睡眠調(diào)度。然后，用CSMA接入媒體，通過下游和上游階段使用，減少分組沖突的數(shù)量。這樣，可以在滿足監(jiān)控要求的同時達(dá)到降低能耗的目的。

跨層設(shè)計也可考慮時分多址（TDMA），可以自動重復(fù)請求和在MAC層考慮采用TDMA思路的電源控制方案[10]。利用集中式驗證算法檢查每個環(huán)節(jié)的信道狀態(tài)。然后，它可以定義每個信息流的最佳路徑，也適應(yīng)轉(zhuǎn)播的限制，以增加分組投遞的成功率。因此，分組傳輸之間的概率和網(wǎng)絡(luò)壽命之間要均衡。

TDMA也可通過使用兩種算法相結(jié)合的方法，以最佳方式安排所有可能的傳輸[11]，同前一種算法的最大程度相比，TDMA的時隙分配能耗減少了17%，同節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法相比，能耗減少了5%。

參考文獻(xiàn)[12]提出了一種無線體域網(wǎng)（wireless body area network,WBAN）的跨層電池感知的TDMA MAC協(xié)議，研究了電池動力學(xué)，得出的結(jié)論是如果電池使用有空閑時間，那么電池能量耗盡的時間會較長。因此，文獻(xiàn)中建議使一個節(jié)點(diǎn)的非傳輸時間盡可能長，在相同的服務(wù)質(zhì)量下，同IEEE 802.15.4相比，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組多達(dá)50倍，同藍(lán)牙相比，高達(dá)33倍。

參考文獻(xiàn)[13]提出非線性跨層優(yōu)化模型，認(rèn)為TDMA可以作為介質(zhì)訪問的方法。文獻(xiàn)中提出了一種數(shù)學(xué)模型，可以利用收集的傳輸負(fù)荷信息、重新傳輸信息來制定調(diào)制方案，計算最佳的傳輸流量和比率。通過用非線性優(yōu)化模型分析計算趨勢，提出了一個最小時延調(diào)度算法。該算法進(jìn)行了線性、網(wǎng)格和隨機(jī)拓?fù)錅y試，證明其是節(jié)能的。

為了解決節(jié)點(diǎn)接入問題并降低WMSN的能耗，筆者認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)的媒體接入可以通過TDMA的方式進(jìn)行，采用TDMA傳輸方式的節(jié)點(diǎn)的速度范圍從靜止到低速，可形成一個在混合整數(shù)線性規(guī)劃的處理節(jié)點(diǎn)參與下網(wǎng)絡(luò)壽命最大化的問題[14]。如圖5所示，每個節(jié)點(diǎn)的活動周期內(nèi)，要在沿傳輸路徑上下一節(jié)點(diǎn)開始控制傳輸過程之前發(fā)送傳輸警報。因此，有數(shù)據(jù)分組需要傳送的節(jié)點(diǎn)要發(fā)送一個短報文，以便接收節(jié)點(diǎn)保持活動狀態(tài)，用于接收數(shù)據(jù)分組。

吞吐量最大化MAC（TM-MAC）協(xié)議[15]是一個介質(zhì)接入的新型跨層協(xié)議，它能夠?qū)⒊瑢拵⒕W(wǎng)分成組，并計算出最佳調(diào)度和傳輸速率，以減少干擾。同IEEE 802.15.3表現(xiàn)相比，吞吐量提高到22%，而數(shù)據(jù)分組的傳輸時間縮短達(dá)32%。

總之，在MAC層理論框架下建模分析認(rèn)知無線電綠色網(wǎng)絡(luò)的性能是一件復(fù)雜的事。盡管對系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)的某些方面進(jìn)行了簡化，但所建模型依然為決策者提供了一個評估認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)性能的具體方法。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

基于路由和媒體接入控制的空中平臺（APRMAC）協(xié)議中[16]，每個傳感器節(jié)點(diǎn)需要通過發(fā)送hello分組發(fā)現(xiàn)相隔一跳的節(jié)點(diǎn)。然后，所有傳感器將這個信息發(fā)送給一個LOS的空中節(jié)點(diǎn)。這個控制平臺負(fù)責(zé)計算所有傳感器到離它們最近的匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，然后為所有的節(jié)點(diǎn)安排媒體接入時間。這樣，每個節(jié)點(diǎn)知道什么時候可以傳輸，什么時候可以支持收聽，什么時候可以進(jìn)入休眠模式，比交通自適介質(zhì)訪問（traffic adaptive medium access,TRAMA）模式節(jié)約了至少5%的傳感器能量。

圖5 級聯(lián)MAC協(xié)議中節(jié)點(diǎn)活動周期

最短路徑或最小能耗路由解決方案[17]沒有考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制。因此，參考文獻(xiàn)[17]提出了一個能夠根據(jù)利用率調(diào)整時分多址（TDMA）的連接速率的跨層路由協(xié)議。已經(jīng)證實，同最短路徑相比網(wǎng)絡(luò)的生命周期增加了40%，而且鏈接的能力也有了提升。

參考文獻(xiàn)[18]也在跨層協(xié)議中考慮MIMO通信。設(shè)計者將LEACH協(xié)議作為多簇路由協(xié)議的基礎(chǔ)。簇頭（CH）能根據(jù)終端到終端的QoS參數(shù)，通過實現(xiàn)可接受的最小數(shù)據(jù)分組錯誤概率，選擇與下一個簇頭參與MIMO通信的節(jié)點(diǎn)，這樣可以最大限度地避免數(shù)據(jù)分組重傳，減少整體的能源消耗。

3.4 應(yīng)用層

參考文獻(xiàn)[19]提出多層次的速率路由（MLRR）考慮正交相移鍵控（QPSK）和正交幅度調(diào)制（QAM）。這兩個建議都能計算出最佳的傳輸速率，以實現(xiàn)低分組錯誤率。

數(shù)據(jù)融合（也稱數(shù)據(jù)聚集）是用來減少測量誤差的技術(shù)。在這種情況下，數(shù)據(jù)不被編碼，以減少傳輸?shù)谋忍財?shù)。相反，系統(tǒng)會從多個傳感器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來搜索錯誤。因此，Liang等人提出了一個可靠的，可以提高數(shù)據(jù)融合和網(wǎng)絡(luò)壽命的跨層解決方案。該方案利用傳感器的信道狀態(tài)信息設(shè)置傳感器多路徑傳輸，獲得更好的體驗效果，也可以利用這些信息來衡量一個傳感器進(jìn)行測量融合時數(shù)據(jù)的可靠性。因此，為了保證傳感器發(fā)射通道性能，最大比合并融合算法誤比特率可降低1 000倍，從而更加節(jié)能。

數(shù)據(jù)融合也被用于數(shù)據(jù)融合和路由策略協(xié)議GRASS（grid-based routing and aggregator selection protocol）。在此場景下，簇得以形成，簇頭將來自簇內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)聚合起來。然后，簇頭有責(zé)任找到一個通往基站的路由以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。結(jié)果顯示同定向擴(kuò)散協(xié)議相比，至少有35%的壽命增益。此外，為避免網(wǎng)絡(luò)中簇頭的生命周期太短，簇內(nèi)會階段性地選出新的簇頭。

圖6為認(rèn)知無線電應(yīng)用跨層算法的功率收斂，隨著認(rèn)知用戶數(shù)目的增加，系統(tǒng)功率分配性能（收斂性）減緩，最終在較短的次數(shù)限制內(nèi)達(dá)到較好的控制。在應(yīng)用層，存在一個負(fù)責(zé)應(yīng)用程序調(diào)度的框架。該框架基于不同操作系統(tǒng)和硬件平臺，其算法具有可移植性并且能夠?qū)崟r地監(jiān)測并降低應(yīng)用程序的能耗。該算法可以使工作負(fù)載、可用資源和應(yīng)用程序需求三者互相平衡，還可決定處理器何時可以進(jìn)入低功耗模式。通過系統(tǒng)功率分配性能（收斂性），得到較好的控制結(jié)果，可以看出，應(yīng)用跨層算法的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在改善功率分配上功效顯著。

圖6 應(yīng)用跨層算法的5個認(rèn)知用戶環(huán)境下功率分配性能

4 結(jié)束語

跨層設(shè)計能夠通過層間的交互，動態(tài)地分配頻譜資源，可以避免復(fù)雜的計算和過度的開銷，同時發(fā)現(xiàn)哪個網(wǎng)絡(luò)能獲得更多資源，達(dá)到認(rèn)知無線綠色網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、節(jié)約資源的目標(biāo)。本文歸納了以下兩點(diǎn)。

第一，將跨層技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知無線電中，各層協(xié)議能夠通過獲取交互的數(shù)據(jù)自動去改變自身行為方式。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)以后，MAC層會自動改變節(jié)點(diǎn)的睡眠時間；在獲取網(wǎng)絡(luò)和鏈路狀態(tài)后，物理層可以通過改變發(fā)送速率、發(fā)送能耗和編碼方式適應(yīng)對應(yīng)用的需求。

第二，跨層設(shè)計應(yīng)用與認(rèn)知無線電可以實現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計互動與性能平衡，支持網(wǎng)絡(luò)能量管理的優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的實用性和可行性。以傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，在網(wǎng)絡(luò)中，可以采用自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議，在能量受限的情況下，有效節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。

認(rèn)知無線電跨層的方法對綠色網(wǎng)絡(luò)而言具有廣闊的發(fā)展前景。綠色網(wǎng)絡(luò)節(jié)約頻譜資源、合理分配網(wǎng)絡(luò)、減少能耗等目標(biāo)可以應(yīng)用跨層的認(rèn)知無線電方法得到優(yōu)化，同時需要注意的是，由跨層的優(yōu)化框架建議表明，越考慮跨層，優(yōu)化方法越多。因此，最佳的跨層解決方案需要各方面綜合考慮達(dá)到最優(yōu)。

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