認知網(wǎng)絡(luò)中一種基于信道環(huán)境的路由算法

郭飛燕， 李曉靜

(濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 濟源 459000)

認知網(wǎng)絡(luò)中一種基于信道環(huán)境的路由算法

郭飛燕， 李曉靜

(濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 濟源 459000)

為了解決主用戶暴露節(jié)點(PEN)和主用戶隱藏節(jié)點(PHN)造成的路由不穩(wěn)定問題，提出了一種環(huán)境適應(yīng)性穩(wěn)定路由算法(RASR)。每個次用戶可維護自身的信道優(yōu)先級列表(CPL)，CPL則作為定義和計算路由的選擇標準。該算法綜合考慮了路由穩(wěn)定性、路由跳數(shù)和主用戶的活動情況。仿真結(jié)果表明，用RASR算法得到的路由比傳統(tǒng)的AODV算法以及Gymkhana算法得到的路由具有更強的穩(wěn)定性。

認知網(wǎng)絡(luò)；路由算法；主用戶暴露節(jié)點；主用戶隱藏節(jié)點

美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的一項研究表明，傳統(tǒng)頻譜授權(quán)方式會導(dǎo)致大量的頻譜資源浪費。認知無線技術(shù)(CR)可緩解這一問題。CR利用頻譜資源在時域和頻域上的頻譜空洞來提升頻譜利用率。CR網(wǎng)絡(luò)允許次用戶接入授權(quán)給主用戶的頻譜資源，但必須保證不能對主用戶的使用授權(quán)信道造成影響[1]。

與傳統(tǒng)固定信道下的路由相比，認知路由的頻譜動態(tài)性對路由穩(wěn)定性造成了很大的影響，使得路由協(xié)議的設(shè)計更加困難，認知路由的設(shè)計必須綜合考慮路徑的選擇和信道的分配。文獻[2]提出了由源節(jié)點進行路由發(fā)現(xiàn)和選擇，目的節(jié)點反向進行信道和時隙分配的SPEAR算法，但SPERA算法對主用戶活動的魯棒性不夠強。文獻[3]提出了基于頻譜樹的按需路由協(xié)議，定義了一種基于次用戶QoS以及主用戶活動的路由選擇標準。該算法利用頻譜樹來尋找路由，并假設(shè)主用戶活動緩慢，不能適應(yīng)快速變化的動態(tài)環(huán)境。文獻[4]提出了基于連通性的路由協(xié)議，可在避免干擾主用戶的情況下找到連通性較強的路由，但是它不適合規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)。文獻[5]分析了路由質(zhì)量和頻譜的可用性，卻沒有很好地分析路由的維護方法。以上研究都沒有考慮到主用戶暴露節(jié)點(PEN)和主用戶隱藏節(jié)點(PHN)問題，本文則針對PEN和PHN問題對認知網(wǎng)絡(luò)路由作了更進一步的分析。

本文在沿用AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了Radio environment Aware Stable Routing(RASR)路由算法。RASR算法的每個次用戶可維護自身的信道優(yōu)先級列表(CPL)。主用戶出現(xiàn)時，次用戶從當前信道切換至CPL的另一信道，降低了路由失效的概率。本文的路由選擇標準綜合考慮了主用戶的行為和端到端時延。拉普拉斯矩陣的第二小特征值在圖論中被用來衡量圖的連通性，我們利用此值來選擇穩(wěn)定性更強的路由。也就是說，通過將主用戶的活動情況轉(zhuǎn)化為該特征值來選擇路由。通過以上設(shè)計，RASR路由算法提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量以及端到端性能。

1 認知無線電系統(tǒng)模型

假設(shè)在分布式多跳網(wǎng)絡(luò)中，有Np個主用戶和Nc個次用戶。每個主用戶位置固定并占有一個授權(quán)信道。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有M個授權(quán)信道，每個信道對應(yīng)一個主用戶，Np=M。Wk(k=1,2，…,M)表示信道k的帶寬。網(wǎng)絡(luò)中的次用戶裝備一個控制發(fā)射器和兩個數(shù)據(jù)發(fā)射器。在載波監(jiān)聽范圍內(nèi)，次用戶可以精確檢測到主用戶的存在。控制發(fā)射器工作在公共控制信道(CCC)，而公共控制信道處在未授權(quán)頻段，用來傳播控制信息，數(shù)據(jù)發(fā)射器用來傳輸數(shù)據(jù)。建立一個拓撲為Gc(Vc,Sc,Ec)的網(wǎng)絡(luò)模型，其中：Vc=(n1,n2，…,nNc)，代表次用戶節(jié)點；Sc=(SOP1,SOP2,…,SOPNc)，代表每個次用戶的機會頻譜，只有當次用戶節(jié)點i與節(jié)點j之間存在共同的標準作業(yè)程序(SOP)且兩者處在彼此的傳輸范圍內(nèi)時才會有一條通信鏈路eij∈Ec。

(1)

信道k對次用戶的可用概率為：

βk=1-αk

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，信噪比為：

(6)

NW表示背景噪聲。給每條鏈路eij定義一個效用函數(shù)：

(7)

2 RASR路由機制的提出

RASR路由機制主要分為兩個部分：一是基于PEN和PHN問題的路由協(xié)議設(shè)計;二是對拉普拉斯矩陣第二小特征值的計算,以描述路由穩(wěn)定性。

2.1 基于PEN和PHN的路由機制

在圖1、圖2中，虛線區(qū)域表示某主用戶的覆蓋范圍，扇形區(qū)域表示各次用戶的感知范圍。若主用戶出現(xiàn)在某扇形區(qū)域內(nèi)，表示該主用戶的活動可被對應(yīng)次用戶檢測到；否則次用戶無法感知到該主用戶的活動。假設(shè)次用戶a為發(fā)送節(jié)點，次用戶b為接收節(jié)點，那么，在認知無線網(wǎng)絡(luò)中，PEN問題是指發(fā)送節(jié)點a在通信過程中可檢測到主用戶活動，而該活動并未被接收者b所檢測到。在這種情況下，次用戶a的通信將對主用戶造成影響，所以通信需要中斷。PHN問題是指接收節(jié)點b感知到了主用戶的存在，而發(fā)送節(jié)點a并沒有感知到。由于發(fā)送節(jié)點依然在傳送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點不能接收數(shù)據(jù)，因此，這種情況會造成一定的數(shù)據(jù)丟失[7]。

為了避免以上現(xiàn)象的發(fā)生，本文提出了PEN、PHN路由機制，源節(jié)點通過廣播RREQ進行路由請求。兩個節(jié)點如果同時處于某主用戶的范圍內(nèi)，可以通過獨立感知來共同獲取某個信道。如果這樣的信道不止一個，將會建立信道優(yōu)先級列表(CPL)[8]。CPL列表被用來防止PEN和PHN問題的發(fā)生。

圖1 主用戶暴漏節(jié)點(PEN)

圖2 主用戶隱藏節(jié)點(PHN)

圖3中共有4個主用戶，僅有主用戶2處于活躍狀態(tài)，次用戶X和Y分別獨立感知到SOPX[ch(1),ch(3),ch(4)]和SOPY[ch(1),ch(2),ch(3),ch(4)]。對于圖3中的鏈路exy，在次用戶X向次用戶Y發(fā)送信息的過程中，主用戶2處于主用戶暴露狀態(tài)，主用戶3處于主用戶隱藏狀態(tài)。同時，根據(jù)本文的路由機制，次用戶X和Y同時處在主用戶1和主用戶4的傳輸范圍內(nèi)，且主用戶1和主用戶4都處于OFF狀態(tài)，于是信道ch(1)和ch(4)均被作為可用傳輸信道。而主用戶3雖然也處于OFF狀態(tài)，但X和Y并沒有同時處在主用戶3的傳輸范圍內(nèi)，這種情況的信道ch(3)不能被作為傳輸信道。其原因在于，當主用戶1或者主用戶4出現(xiàn)時，信道ch(1)和信道ch(4)可以被X、Y同時檢測到；而當主用戶3出現(xiàn)時，它的活動只能被Y所檢測到，而不能被X所檢測到。當滿足條件的傳輸信道不止一個時，CPL列表將被建立，見圖3右半部分。其中αk最小的信道被置于最前面。如果主用戶1突然出現(xiàn)，ch(1)將不可用，傳輸信道將立刻切換至CPL中的下一個信道，即ch(4)。運用這種方法便可以有效防止PEN和PHN問題。每個次用戶在路由的過程中都要計算CPL，這將帶來一定的計算時延，但從性能的提升上看，這些時延是可以被忽略的。

圖3 PEN、PHN路由機制

在認知網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的出現(xiàn)導(dǎo)致次用戶必須放棄所使用的信道。在圖4中，如果主用戶1的狀態(tài)由OFF變?yōu)镺N，次用戶X和Y可以同時感知到這種情況，并直接切換至信道ch(4)；如果ch(4)也不可用，就繼續(xù)進行信道切換直至切換到CPL列表的底部。當沒有可用信道時，則等待一段時間Tm；之后，如果信道空閑就繼續(xù)傳送，否則就向源節(jié)點發(fā)送RRER，重新進行路由請求。其流程如圖5所示。

圖4 信道切換示意圖

圖5 算法流程圖

2.2 路由穩(wěn)定性衡量標準

在基于PEN和PHN的路由機制中，目的節(jié)點從RREQ包中獲取衡量路由標準的信息并求取每條路徑的穩(wěn)定性。假設(shè)從節(jié)點S到節(jié)點D共有R條可用路徑，那么，目的節(jié)點的處理過程如下：

記wh為水平邊的權(quán)重：

(8)

如果wh=1，表示節(jié)點i和(i+1)之間存在CPL，那么，CPL列表越長，鏈路eij越穩(wěn)定。

記wv為垂直邊的權(quán)重：

(9)

步驟3：設(shè)計合理的路由選擇標準來選擇最優(yōu)的路徑。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會發(fā)生改變，AODV協(xié)議根據(jù)最少跳數(shù)來選擇路由的方式已不再適用于認知網(wǎng)絡(luò)[9]。當所有的RREQ消息被目的節(jié)點接收后，目的節(jié)點計算每條路由的端到端時延EED。各鏈路的時延為：

(10)

若某條路由r由NL個鏈路組成，那么路由r的時延為：

(11)

定義路由r的選擇標準為:

(12)

目的節(jié)點將選擇RMr最大的路徑作為最終路由。

3 實驗仿真

3.1 仿真環(huán)境

為了用MATLAB軟件仿真基于信道的路由算法，假設(shè)在1 000m×1 000m的區(qū)域內(nèi)隨機分布100個次用戶，次用戶的傳輸范圍是100m，干擾范圍是200m;存在5個固定主用戶，每個主用戶對應(yīng)一個授權(quán)信道，它們的行為服從ON-OFF模型。次用戶之間的通信遵循802.11g標準，SINR門限由數(shù)據(jù)傳送速率決定。信道模型采用室內(nèi)環(huán)境的信道衰減模型，服從瑞利衰落，可忽略陰影衰落。本文仿真對比了RASR、AODV和Gymkhana算法，分別研究了次用戶的吞吐量、端到端時延、包丟失率以及路由修復(fù)率。

3.2 仿真結(jié)果

圖6顯示了次用戶吞吐量隨主用戶活動概率增大而變化的情況。AODV和Gymkhana算法沒有考慮PEN和PHN問題，用RASR算法建立的路由則不存在PEN和PHN節(jié)點。用Gymkhana算法選擇的路徑考慮到了主用戶干擾情況，但是有些鏈路會因為PEN和PHN的出現(xiàn)而導(dǎo)致路由失效；另外，當主用戶的活動概率增大時，Gymkhana算法無法快速找到有效的信道來代替，這就使得Gymkhana算法在吞吐量上低于RASR算法。RASR算法的吞吐量高于AODV算法是因為AODV算法沒有考慮主用戶的影響，AODV算法的吞吐量會隨著主用戶活動概率的增大而急劇下降。

圖6 3種算法的吞吐量概率變化比較

圖7反映了3種算法在端到端時延上的不同，RASR算法的時延最低。這是因為其考慮到了PEN和PHN問題，使得鏈路失效率降低；同時，RASR降低了路由建立的次數(shù)，路由維護機制使得損壞的路徑被及時修補。Gymkhana和AODV算法的時延較高，這是因為它們的路由節(jié)點多次受到主用戶活動的影響，不得不在數(shù)據(jù)傳輸前為空閑信道的出現(xiàn)而等待一段時間，增加了時延。

圖7 3種算法的端到端時延比較

圖8反映了丟包率隨著主用戶活動概率增大而變化的情況。RASR算法的表現(xiàn)比Gymkhana和AODV算法都要好。這是因為，在Gymkhana和AODV算法中，主用戶的突然出現(xiàn)使得大量的包丟失。而RASR算法避免了一些由PEN和PHN造成的路由錯誤，從而降低了丟包率。隨著主用戶活動的增加，AODV算法的丟包率迅速增加，這是因為它沒有考慮如何避免主用戶的影響而造成的。

圖8 3種算法的丟包率變化比較

圖9 3種算法的路由修復(fù)成功率比較

圖9顯示了3種算法的路由修復(fù)成功率。RASR算法的修復(fù)成功率明顯高于另外2種算法。這是因為RASR算法中節(jié)點都維護了自身的CPL，能夠通過信道的切換及時修復(fù)路徑。當某條路由失效時，對RASR算法來說，通常是局部的失效，通過局部修復(fù)來延長路由的有效時間，具有更高的路由修復(fù)率。

圖10所示為次用戶傳輸距離對網(wǎng)路性能的影響。將次用戶傳輸距離從50m遞增至400m，當傳輸距離較小時，系統(tǒng)的吞吐量都比較小。這是由于路由的跳數(shù)比較多而導(dǎo)致吞吐量較小。隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的吞吐量也在增大，而RASR較其余2種算法具有更高的吞吐量。這是由于PEN和PHN問題的存在造成了Gymkhana和AODV算法的丟包率較大。

圖11顯示了高網(wǎng)絡(luò)密度下的系統(tǒng)性能。從圖11可看出，RASR算法在吞吐量上有更好的表現(xiàn)。這首先是因為RASR算法建立了一條不含PEN和PHN的路由；其次是因為它避免了因主用戶出現(xiàn)造成的大部分丟包現(xiàn)象。圖12是3種算法在時延上的表現(xiàn)。因為RASR算法進行了路由的局部修復(fù)，所以其端到端時延相對最小。

圖10 傳輸距離對網(wǎng)路性能的影響

圖11 高網(wǎng)絡(luò)密度下的系統(tǒng)性能表現(xiàn)

圖12 3種算法在時延上的表現(xiàn)

圖13展示了次用戶吞吐量和主用戶影響范圍的關(guān)系。當主用戶影響范圍較小時，網(wǎng)絡(luò)中PEN和PHN的數(shù)量會很小，因此，RASR算法和Gymkhana算法的表現(xiàn)相近。隨著主用戶影響范圍的增大，Gymkhana算法的性能急劇下降，而RASR算法的性能則沒有明顯下降，反而有所提升。

圖13 次用戶吞吐量和主用戶影響范圍的關(guān)系

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)路由協(xié)議不能完全適應(yīng)認知網(wǎng)絡(luò)的問題，本文從PEN和PHN問題入手對認知網(wǎng)絡(luò)路由做了更進一步的分析。針對認知多跳的網(wǎng)絡(luò)，本文提出了RASR路由機制。考慮到路由過程中的PEN和PHN問題，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立了CPL列表。在RASR算法中，通過定義一種新的路由選擇標準，選取穩(wěn)定性強的路由，引入了圖論中的拉普拉斯矩陣來定義網(wǎng)絡(luò)的連通性。RASR路由的一個明顯優(yōu)勢是避免了PEN和PHN問題，當某路由損壞時，可進行局部路由修復(fù)，快速恢復(fù)路由，降低了丟包率和端到端的時延。因此，RASR建立的路由有效時間更長，RASR路由算法提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量以及端到端性能，有更多的包被成功傳遞。仿真結(jié)果表明，與Gymkhana和AODV對比，RASR算法可明顯提高系統(tǒng)的性能。

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(責(zé)任編輯：王長通)

A Routing Algorithm Based on Ratio Environment in Cognitive Network

GUO Fei-yan， LI Xiao-jing

(Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000，China)

In cognitive radio network the stability of a route is highly influenced by the behavior of the primary user (PU). Primary exposed node (PEN) and primary hidden node (PHN) are two primary issues that affect the route stability. To address this problem, a radio environment aware stable routing (RASR) scheme is proposed. A channel priority list is kept locally by each secondary user to evaluate the route stability. The proposed routing metric takes into account the route stability, path length and the activity of the PU. Simulation result shows that the proposed RASR enhances the route stability compared with the conventional routing schemes, and connectivity-based routing scheme Gymkhana.

cognitive radio route；routing algorithm；primary exposed node；primary hidden node

2015-06-05

郭飛燕(1981-)，女，河南濟源人，講師，碩士，主要研究方向為計算機技術(shù)。

1671-6906(2015)06-0085-06

TP311

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.019