認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議

朱　江，郭　兵，段　昂

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400065)

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認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議

朱江，郭兵，段昂

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400065)

摘要：未來的認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶的活動(dòng)將對(duì)認(rèn)知用戶之間的多跳路由的穩(wěn)定性造成很大影響，為了保證認(rèn)知用戶之間路由的穩(wěn)定性并降低路由的端到端時(shí)延，提出了一種基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議。該協(xié)議引入穩(wěn)定性因子，只有滿足了穩(wěn)定性約束條件的路由才可以作為候選路由，然后將傳輸時(shí)延作為度量對(duì)候選路由進(jìn)行篩選。通過一個(gè)簡單拓?fù)淠Ｐ万?yàn)證了該路由選擇策略的優(yōu)越性；并針對(duì)認(rèn)知無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分析了其時(shí)延和穩(wěn)定性的模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合傳統(tǒng)AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了提出的綜合信道和路徑選擇策略。仿真結(jié)果表明：提出的路由協(xié)議無論在不同的源、目的節(jié)點(diǎn)距離，還是在不同的授權(quán)用戶活躍程度下都具有更好的穩(wěn)定性和端到端時(shí)延表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；AODV；端到端時(shí)延；路由穩(wěn)定性

0引言

目前，頻譜資源稀缺問題倍受重視。認(rèn)知無線電(cognitive radio，CR)技術(shù)的提出使得頻譜資源可以通過動(dòng)態(tài)分配得到更充分地利用。目前，大多對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的研究集中在物理層和MAC(media access control)層上[1,2]，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善。動(dòng)態(tài)頻譜接入所帶來的頻譜在時(shí)間和空間上的間斷性，使得認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的路由呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在研究方法上更是需要在以往路由設(shè)計(jì)思路上做出適應(yīng)性的改變。

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶(未授權(quán)用戶)共同存在，授權(quán)用戶對(duì)頻譜資源有著優(yōu)先使用權(quán)，認(rèn)知用戶只能在不對(duì)授權(quán)用戶的通信造成干擾的情況下，機(jī)會(huì)性的接入空閑信道。針對(duì)認(rèn)知環(huán)境下的路由問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些算法和協(xié)議。文獻(xiàn)[3]從圖的連通性入手，提出了基于連通性的路由優(yōu)劣衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析了其有效性，但算法復(fù)雜度較高，不適合節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[4]在分析了魯棒性對(duì)認(rèn)知路由的重要性后，提出了路徑吞吐量和路由的魯棒性的路由選擇方案，并在全局網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信道分配。文獻(xiàn)[5]依據(jù)動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(dynamic source routing，DSR)，提出了聯(lián)合路由和信道分配算法，在路由回復(fù)階段進(jìn)行信道分配。上述研究從不同的角度分析了路由的穩(wěn)定性。另外OPERA[6]從概率的角度分析了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中路由的最優(yōu)時(shí)延度量問題，并分析了授權(quán)用戶的活動(dòng)性對(duì)次用戶間端到端時(shí)延的影響。文獻(xiàn)[7-8]綜合考慮了信道切換時(shí)延和節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)延等，并依據(jù)時(shí)延來尋找最優(yōu)路徑。顯然，穩(wěn)定性和端到端時(shí)延是研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由問題的兩大重要的因素[9]。在尋找路由的過程中要綜合考慮兩者對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，以便更好地解決網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性帶來的路由穩(wěn)定性問題和節(jié)點(diǎn)間相互競爭帶來的時(shí)延問題。

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻譜環(huán)境，同時(shí)保證路由穩(wěn)定性和較小的端到端時(shí)延，本文提出了基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議，該協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段引入了路由穩(wěn)定性約束，以保證所選路徑的穩(wěn)定性，然后按照最小時(shí)延的約束選擇最優(yōu)路徑。本文首先通過一個(gè)簡單拓?fù)鋵?shí)例展示了本協(xié)議路由選擇方案的合理性，然后分別從端到端時(shí)延和路由穩(wěn)定性兩方面對(duì)認(rèn)知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，最后結(jié)合傳統(tǒng)AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)協(xié)議對(duì)本文提出的基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明本文協(xié)議與以往的僅考慮時(shí)延或穩(wěn)定性下的路由方案比較有更好的性能。

1系統(tǒng)模型

設(shè)認(rèn)知無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)認(rèn)知用戶和M個(gè)授權(quán)用戶共同組成，認(rèn)知用戶間可以通過相互中繼進(jìn)行通信。圖1中PU1，PU2，PU3分別代表了3個(gè)授權(quán)用戶，每個(gè)授權(quán)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)授權(quán)頻段，分別用C1,C2,C3代表。授權(quán)用戶對(duì)其授權(quán)頻段具有優(yōu)先使用權(quán)，并按照其業(yè)務(wù)需求使用授權(quán)頻段，虛線區(qū)域表示其傳輸范圍。圖1中其他結(jié)點(diǎn)代表了不同的認(rèn)知用戶，為了不對(duì)授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸造成影響，認(rèn)知用戶只能接入機(jī)會(huì)頻譜(spectrum opportunities，SOP)。假設(shè)授權(quán)用戶PU1，PU2，PU3均處在忙碌狀態(tài)，每個(gè)認(rèn)知用戶旁邊標(biāo)記的信道就代表了它們各自擁有的SOP頻段，每個(gè)認(rèn)知用戶的SOP可以通過頻譜感知[10]獲得，同一時(shí)間不同認(rèn)知用戶所擁有的機(jī)會(huì)頻譜通常不同，而每個(gè)認(rèn)知用戶擁有的SOP在不同時(shí)間也會(huì)不同。認(rèn)知用戶之間達(dá)成通信需要滿足2個(gè)條件[11]：①通信距離的要求，②兩者的SOP存在交集。

圖1　CRAHN網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1　Network diagram of CRAHN

圖2給出了從網(wǎng)絡(luò)中抽象出的路由拓?fù)淠Ｐ?，?jié)點(diǎn)S，a，b，c，D代表了不同的認(rèn)知用戶，其中S和D分別代表源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，記X(ni)代表節(jié)點(diǎn)ni的SOP信息，X(ni)∩X(nj)代表了鏈路(ni,nj)的所有可用信道，對(duì)于不同的鏈路，由于網(wǎng)絡(luò)流量的狀況差異、信道差異及地理環(huán)境差異其路徑延遲不同。同時(shí)，由于受授權(quán)用戶活動(dòng)的影響，每個(gè)鏈路有著不同的可用性。對(duì)于鏈路(ni,nj)，記Ps(ni,nj,ck)為當(dāng)前授權(quán)用戶不會(huì)出現(xiàn)在信道ck的概率，也就是鏈路(ni,nj)能夠成功的在信道ck傳輸數(shù)據(jù)的概率，Ps(ni,nj,ck)的值越大，該鏈路能夠成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目就越大。圖2中，每個(gè)鏈路上對(duì)應(yīng)的2個(gè)數(shù)據(jù)分別表示鏈路延遲D(ni,nj,ck)和鏈路的可用概率Ps(ni,nj,ck)，本文第3節(jié)將對(duì)D(ni,nj,ck)和Ps(ni,nj,ck)的含義和計(jì)算方法做詳細(xì)介紹。

圖2　CRAHN路由模型Fig.2　Route model of CRAHN

2基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由選擇策略

就多跳路由而言，授權(quán)用戶活動(dòng)對(duì)其端到端的穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)大于單跳路由[4]，單跳路由只需考慮本地的信道可用性，而對(duì)于多跳路由，每個(gè)鏈路的穩(wěn)定性都對(duì)整條路由造成影響。例如圖2中，對(duì)于路由S→b→c-D，假設(shè)授權(quán)用戶的活動(dòng)導(dǎo)致c→D之間的信道2不可使用，因而導(dǎo)致鏈路失效，那么，無論S→b→c是否連通，整條路由還是要失效，要想完成數(shù)據(jù)傳輸，必須重新建立路由。而路由的重建往往造成額外的時(shí)延和更多的資源浪費(fèi)。所以在考慮多跳路由的時(shí)候，尤其在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，路由的穩(wěn)定性是不可忽視的一個(gè)重要因素。

針對(duì)路由的穩(wěn)定性，本文引入穩(wěn)定度因子Prr為

(1)

在不考慮重傳的條件下，記整條路由的傳遞時(shí)延為Drr那么

(2)

圖2從上到下依次有6條路由，如表1所示。

針對(duì)以上6條路徑，對(duì)其各自進(jìn)行了1 000個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。根據(jù)多跳路由的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中如果遇到路徑失效，必須從源節(jié)點(diǎn)再次傳送。忽略路由重建所耗的時(shí)間，平均每個(gè)數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延仿真結(jié)果如圖3所示。

表1　6個(gè)不同路徑對(duì)比

圖3　1 000個(gè)數(shù)據(jù)包的平均端到端時(shí)延Fig.3　Average end-to-end delay of 1 000 data packets

從仿真結(jié)果可以看出：由于路徑r2，r4和r6的穩(wěn)定性較差，造成了端到端時(shí)延較大，即使路徑r2的傳遞時(shí)延Drr最小(1.6)，但由于路由錯(cuò)誤次數(shù)太多造成了較高的端到端時(shí)延。從r1和r3的對(duì)比來看，兩者傳遞時(shí)延相近，由于r3的穩(wěn)定性因子大于r1的，所以r3要明顯優(yōu)于r1。就r3和r5比較而言，雖然r5的穩(wěn)定性強(qiáng)于r3，但由于r5的傳遞時(shí)延較大，所以r5的性能要比r3差，也就是說在穩(wěn)定性得到一定滿足的時(shí)候，傳遞時(shí)延Drr對(duì)端到端的時(shí)延也起到了一定的影響。

針對(duì)以上的分析結(jié)果，本文協(xié)議引入路由的穩(wěn)定性約束

(3)

只有滿足(3)式的路由才能作為候選路由。這樣就可以保證在一定的穩(wěn)定性前提下尋找最優(yōu)路徑。以圖2為例分析，我們?cè)O(shè)定Pm=0.6，那么只有r3，和r5才可以作為候選路由，直接排除了其他穩(wěn)定性差的路由。然后比較r3和r5的Drr可知r3是最優(yōu)的路徑。同理，如果我們?cè)O(shè)定Pm=0.7，那么我們選出的最優(yōu)路徑將會(huì)是r5。

3認(rèn)知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延及路由穩(wěn)定性

3.1節(jié)點(diǎn)延遲和路徑延遲

認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)路由屬于多跳、多信道的路由問題，由于網(wǎng)絡(luò)中的頻譜是動(dòng)態(tài)變化的，所以在進(jìn)行路由的過程中不得不頻繁地進(jìn)行信道切換[12]，信道的切換將會(huì)帶來一定的切換時(shí)延。另外在同一節(jié)點(diǎn)處，多個(gè)數(shù)據(jù)流競爭同一個(gè)信道也會(huì)帶來退避時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。認(rèn)知無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延模型如圖4所示。

圖4　時(shí)延模型Fig.4　Latency model

圖4中，對(duì)信道切換的考慮：在節(jié)點(diǎn)a處，由于不同的數(shù)據(jù)流需要經(jīng)過不同信道發(fā)送，a節(jié)點(diǎn)須采用一種頻譜輪詢機(jī)制[8]對(duì)不同信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)(如圖5)。

圖5　信道的輪詢方式Fig.5　Channel polling mode

同時(shí)圖4中，在節(jié)點(diǎn)c處，數(shù)據(jù)流2和數(shù)據(jù)流3同時(shí)競爭使用信道3，這種競爭將會(huì)給數(shù)據(jù)的傳輸帶來一定的退避時(shí)延。另外，排隊(duì)時(shí)延也是數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)處傳輸時(shí)不得不考慮的一部分。

經(jīng)過上述分析，數(shù)據(jù)包在經(jīng)過某節(jié)點(diǎn)時(shí)，它要經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)延遲包括：信道切換時(shí)延Dswitching,n，退避時(shí)延Dbackoff及排隊(duì)時(shí)延Dqueueing。將節(jié)點(diǎn)延遲記為Dnode，則有

(4)

信道切換時(shí)延與切換所經(jīng)過的頻率差異有關(guān)，通常在20MHz-3GHz進(jìn)行信道切換時(shí)，每改變10MHz，將會(huì)引起10ms的切換時(shí)延[13]，也就是說節(jié)點(diǎn)在信道ci和cj之間進(jìn)行信道切換要經(jīng)歷的時(shí)間為

(5)

顯然，按照?qǐng)D5的信道輪詢方式，節(jié)點(diǎn)處的信道切換時(shí)延為

2DM,1=2k·|BandM-Band1|

(6)

另外，如果已知節(jié)點(diǎn)處同一時(shí)刻競爭信道ci的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為Numci，最小競爭窗口值為W0，那么其對(duì)應(yīng)的排隊(duì)時(shí)延和退避時(shí)延可以分別表示為

(7)

(8)

(7)—(8)式中：Ln表示第n個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包大?。籶c表示競爭節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的概率。

端到端的延遲不僅包括路由中間的節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)延遲，還包括路徑延遲。路徑延遲包括相鄰跳鏈路之間的信道切換延遲和數(shù)據(jù)傳輸延遲。路由r的路徑延遲記為DP。

(9)

(10)

(11)

(9)式中：Dswitching,p表示路由r從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路由過程中的信道切換時(shí)延，顯然，一次路由信道切換的次數(shù)越多，Dswitching,p越大；Dt表示從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷的傳輸時(shí)延；L表示源節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)包的長度；B(ni,nj)表示鏈路(ni,nj)所使用信道的帶寬。

綜合(4)—(8)式可以計(jì)算出路由r在中間節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)延遲，綜合(9)—(11)式可以計(jì)算出路由r的路徑延遲。于是，在不考慮穩(wěn)定性和路由重建的情況下，路由r的傳遞時(shí)延Drr為

(12)

3.2認(rèn)知路由的穩(wěn)定性

認(rèn)知用戶路由的穩(wěn)定性與授權(quán)用戶的活動(dòng)有著直接的關(guān)系。圖6是授權(quán)用戶對(duì)信道ck的占用模型[6]。認(rèn)知用戶的活動(dòng)被組織在一個(gè)固定的時(shí)隙T內(nèi)，T=Ts+Ttx，Ts是信道感知時(shí)間，用來感知信道是否被授權(quán)用戶占用，Ttx為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。當(dāng)認(rèn)知用戶感知到授權(quán)信道ck沒有被授權(quán)用戶占用時(shí)才可以使用信道ck。

圖6　授權(quán)用戶占用信道模型Fig.6　Model of primary user occupy channel

假設(shè)授權(quán)用戶p對(duì)應(yīng)授權(quán)信道ck，可將授權(quán)用戶p隨機(jī)使用信道ck的行為抽象為ON-OFF模型[3]，在該模型中授權(quán)用戶p的活躍因子ap定義為

(13)

對(duì)于鏈路(ni,nj)來講，信道ck的穩(wěn)定性與節(jié)點(diǎn)ni，nj的所處位置及授權(quán)用戶p的活躍因子有關(guān)，記授權(quán)用戶p的傳輸范圍為Ap，ni∈Ap表示節(jié)點(diǎn)ni處在授權(quán)用戶p的傳輸范圍內(nèi)。那么鏈路(ni,nj,ck)的穩(wěn)定性Ps(ni,nj,ck)可表示為

(14)

4基于穩(wěn)定性及時(shí)延的路由實(shí)現(xiàn)

采用AODV按需路由協(xié)議的方式對(duì)本文提出的路由方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議包含3種類型的數(shù)據(jù)包，分別是：路由請(qǐng)求(routerequest，RREQ)數(shù)據(jù)包，路由回復(fù)(routereplies，RREP)數(shù)據(jù)包和路由錯(cuò)誤(routeerror，RRER)數(shù)據(jù)包，這3種數(shù)據(jù)包分別對(duì)應(yīng)3個(gè)路由階段：路由發(fā)現(xiàn)階段，路由建立階段，以及路由維護(hù)階段。

4.1路由發(fā)現(xiàn)

路由的發(fā)現(xiàn)過程是RREQ數(shù)據(jù)包的廣播過程，廣播過程使用一個(gè)全局的公共控制信道[3]來完成，認(rèn)知用戶對(duì)該信道的使用不會(huì)受到授權(quán)用戶的約束。本協(xié)議的RREQ數(shù)據(jù)包內(nèi)容有：源節(jié)點(diǎn)地址，目的節(jié)點(diǎn)地址，源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路由列表(包括每個(gè)路由中間節(jié)點(diǎn)IP和每個(gè)鏈路的信道選擇)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)SOP，路由穩(wěn)定度因子Prr及路由的傳遞時(shí)延Drr。在本文協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，包括感知各個(gè)信道授權(quán)用戶的出現(xiàn)情況，以維護(hù)自己的SOP信息，同時(shí)對(duì)每個(gè)信道上的節(jié)點(diǎn)延遲和路徑延遲情況進(jìn)行計(jì)算。

RREQ數(shù)據(jù)包的廣播由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起，圖7是節(jié)點(diǎn)處理RREQ消息的流程圖，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息后，首先根據(jù)當(dāng)前路由表的信息判斷自己是否已經(jīng)出現(xiàn)在路由表中，如果是，就丟棄該RREQ包，以免造成路由環(huán)路。否則就查看自身的SOP列表與上一節(jié)點(diǎn)的SOP列表是否存在交集，如果不存在交集就丟棄該包，如果交集不為空就建立該節(jié)點(diǎn)與上一節(jié)點(diǎn)的鏈路，如果SOP的交集不止一個(gè)，那么就建立多個(gè)鏈路，每個(gè)鏈路對(duì)應(yīng)計(jì)算一個(gè)鏈路穩(wěn)定性值Ps(ni,nj,ck)，然后通過(1)式對(duì)每個(gè)鏈路計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路徑穩(wěn)定度因子Prr，如果某鏈路計(jì)算出的Prr不滿足(3)式就丟棄該鏈路，如果這些鏈路都不滿足(3)式的穩(wěn)定性約束，該節(jié)點(diǎn)就丟棄該RREQ包。如果存在滿足約束的鏈路，那么本節(jié)點(diǎn)對(duì)每條滿足條件的鏈路計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的路徑延遲DP和節(jié)點(diǎn)延遲之和∑Dnode，然后利用(12)式計(jì)算Drr，然后將每條路徑以及其對(duì)應(yīng)的Prr與Drr信息更新到路由列表當(dāng)中，最后，本節(jié)點(diǎn)將自身的SOP列表更新到RREQ中，繼續(xù)廣播。

圖7　節(jié)點(diǎn)處理RREQ數(shù)據(jù)包的流程Fig.7　Process of node processing RREQ packets

4.2路由建立

目的節(jié)點(diǎn)在首次收到RREQ后設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，等待一段特定時(shí)間以便接收更多的RREQ，當(dāng)?shù)却龝r(shí)間結(jié)束后，目的節(jié)點(diǎn)將收到多個(gè)RREQ包。每個(gè)RREQ數(shù)據(jù)包中包含了一條或者多條滿足穩(wěn)定性約束的路由信息，然后目的節(jié)點(diǎn)對(duì)每條路由計(jì)算最后一跳的穩(wěn)定性Ps(ni,D,ck)、完整路徑的穩(wěn)定性因子Prr和傳遞時(shí)延Drr。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)完整路徑的穩(wěn)定性因子Prr和傳遞時(shí)延Drr對(duì)路由進(jìn)行篩選。按照本文協(xié)議提出的方式，首先排除不滿足(3)式的路由，然后根據(jù)Drr的大小進(jìn)行選擇，目的節(jié)點(diǎn)選取Drr最小的路徑作為目標(biāo)路由。

目的節(jié)點(diǎn)選定目標(biāo)路由后，生成RREP數(shù)據(jù)包，RREP數(shù)據(jù)包包含路由信息和信道分配信息，并沿反向發(fā)送該RREP消息。源節(jié)點(diǎn)收到RREP后路由就此建立。

4.3路由維護(hù)

路由建立之后，由于授權(quán)用戶的出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致某條鏈路的失效，從而導(dǎo)致路由失敗。在路由過程中當(dāng)某節(jié)點(diǎn)檢測到授權(quán)用戶出現(xiàn)后，首先考慮信道切換來進(jìn)行局部維護(hù)。維護(hù)過程由鏈路兩端節(jié)點(diǎn)共同完成，兩節(jié)點(diǎn)重新檢測其SOP的交集，如果交集不為空就選擇具有最大穩(wěn)定性Ps的信道，將該鏈路所用的信道切換至此信道繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。這種方式能夠使路由在失效后做局部的補(bǔ)救，更好地適應(yīng)授權(quán)用戶的動(dòng)態(tài)變化，增加分組投遞率。

當(dāng)SOP的交集為空時(shí)，說明這條路由已經(jīng)完全失效，必須重新建立路由。這時(shí)候發(fā)生錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)生成RRER數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包沿路由的反向發(fā)往源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤消息后立即停止數(shù)據(jù)發(fā)送，并重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程并重新建立路由。

5仿真結(jié)果分析

采用OPNET軟件對(duì)本文提出的協(xié)議進(jìn)行仿真驗(yàn)證。授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶隨機(jī)地分布在一個(gè)2 000×2 000m2的仿真區(qū)域中。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在認(rèn)知用戶中隨機(jī)選取，具體仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表2所示。由于認(rèn)知用戶感知信道的時(shí)間Ts遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間Ttx，仿真中將其忽略[6]，設(shè)置一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間T=Ttx=2s，為了對(duì)節(jié)點(diǎn)延遲進(jìn)行仿真，設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)處輪詢的總信道數(shù)M等于其檢測到的SOP個(gè)數(shù)，節(jié)點(diǎn)處同一時(shí)刻競爭信道ci的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Numci在[1，5]隨機(jī)取值，同時(shí)取最小競爭窗口值W0=32，為方便仿真，取所有的數(shù)據(jù)包大小L為1 024bit。仿真進(jìn)行10 000個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，仿真結(jié)果中端到端時(shí)延取這10 000個(gè)數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延平均值。

表2　仿真參數(shù)

為了對(duì)比，分別對(duì)基于時(shí)延的路由協(xié)議[7]、基于穩(wěn)定性的路由協(xié)議[5]及本文提出的協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。

圖8是3種協(xié)議在不同的源、目的節(jié)點(diǎn)距離(距離越大平均跳數(shù)越大)下的仿真結(jié)果對(duì)比，可以看出，隨著平均跳數(shù)的增加，端到端時(shí)延也在增加。由于隨著跳數(shù)的增加路由的穩(wěn)定性會(huì)急劇地降低，所以，僅考慮了時(shí)延的路由會(huì)因?yàn)榉€(wěn)定性不足而過多的重建路由，從而端到端時(shí)延也在快速增大。僅考慮了穩(wěn)定性的路由在平均跳數(shù)增加的時(shí)候雖然不會(huì)因穩(wěn)定性不足而導(dǎo)致端到端時(shí)延急劇增加，但由于其所選擇的路徑本身時(shí)延就不是最優(yōu)的，所以，盡管路由最穩(wěn)定，可平均端到端時(shí)延依然較高?？梢钥闯觯诜€(wěn)定性條件約束下的最小時(shí)延路由在平均端到端時(shí)延上表現(xiàn)最優(yōu)。

圖8　不同平均跳數(shù)下的端到端時(shí)延比較Fig.8　End-to-end delay under different average hop count

圖9是3種協(xié)議在不同跳數(shù)下的路由重建次數(shù)，該數(shù)據(jù)是每成功傳輸1 000個(gè)數(shù)據(jù)包所要經(jīng)歷的平均路由重建次數(shù)。可以看出，基于時(shí)延的路由協(xié)議在平均跳數(shù)增加時(shí)路由重建次數(shù)在急劇地增加，而基于穩(wěn)定性的路由以及穩(wěn)定性約束下的最小時(shí)延路由的重建次數(shù)并不會(huì)快速增加。由于路由的重建會(huì)帶來較多的額外開銷，不僅使簡單的端到端時(shí)延增加，而且還有RREQ的廣播開銷等，所以要盡量保證較少的路由重建。

圖9　不同平均跳數(shù)下的路由重建次數(shù)比較Fig.9　Times of routing reconstruction under different average hop count

圖10給出授權(quán)用戶2的活動(dòng)因子對(duì)端到端時(shí)延的影響。從圖10可以看出，授權(quán)用戶對(duì)信道使用得越多，認(rèn)知路由的平均端到端時(shí)延就越大，這是因?yàn)槭跈?quán)用戶的活動(dòng)使得某些路由的穩(wěn)定性下降而造成的。從3種協(xié)議對(duì)比來看，基于穩(wěn)定性約束下的最小時(shí)延路由在不同的授權(quán)用戶活躍程度下依然保持著最小的平均端到端時(shí)延。

圖10　授權(quán)用戶2的活動(dòng)因子對(duì)端到端時(shí)延的影響Fig.10　Influence of the activity factor of PU2 to the average end-to-end delay

圖11是不同Pm值下的平均端到端時(shí)延性能比較，從圖11中可以看出隨著平均跳數(shù)的增大，Pm的設(shè)置值對(duì)端到端性能影響也在增大。當(dāng)Pm的值從0.4開始增大時(shí)，端到端平均時(shí)延先減小，達(dá)到最小之后又隨Pm值的增大而增大。這是由于約束值Pm較小時(shí)路由穩(wěn)定性并沒有得到滿足，而當(dāng)Pm較大時(shí)，由于一些傳遞時(shí)延小的路由被排除，導(dǎo)致性能下降?？芍摲抡婢W(wǎng)絡(luò)中當(dāng)Pm值在0.6—0.7時(shí)有較優(yōu)的性能。

圖11　不同穩(wěn)定性約束Pm值下端到端時(shí)延比較Fig.11　Compare of end-to-end delay under different stability constraint Pm

6總結(jié)

本文提出的基于穩(wěn)定性和時(shí)延的路由協(xié)議綜合考慮了時(shí)延和穩(wěn)定性兩大重要因素。在時(shí)延方面，不僅考慮了傳輸時(shí)延也考慮了信道切換時(shí)延和路由在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)延遲。在穩(wěn)定性方面，對(duì)授權(quán)用戶占用信道的情況按照ON-OFF模型進(jìn)行建模，計(jì)算出單個(gè)鏈路的穩(wěn)定性Ps，同時(shí)提出路由穩(wěn)定性因子Prr，通過實(shí)例分析得出了穩(wěn)定性對(duì)路由端到端性能的重要影響，同時(shí)提出了滿足穩(wěn)定性約束條件的路由選擇方式。另外，本協(xié)議按照AODV按需路由協(xié)議的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，鄰節(jié)點(diǎn)的SOP信息可以通過RREQ的廣播而獲得，這樣可以使得相鄰節(jié)點(diǎn)間可以根據(jù)SOP的交集是否存在而建立鏈路，在RREQ廣播階段，穩(wěn)定性的約束條件使得不滿足穩(wěn)定性要求的路由被提前放棄，這同時(shí)也降低了RREQ包的廣播開銷。另外在路由維護(hù)階段，采取的局部維護(hù)措施也提高了路由對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多變的多信道網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，仿真結(jié)果顯示本文提出的協(xié)議在不同的源、目的節(jié)點(diǎn)距離及不同的授權(quán)用戶活躍程度下具有更小的平均端到端時(shí)延。

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DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.04.001

收稿日期：2015-07-25

修訂日期：2016-05-06通訊作者：郭兵guobing1085@Foxmail.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61102062)；重慶市科委自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2015jcyjA40050)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ120530)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(61102062); The Natural Science Foundation of Chongqing Science and Technology Commission(cstc2015jcyjA40050); The Science and Technology Research Project of Chongqing Education Commission(KJ120530).

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)04-0443-08

作者簡介：

朱江(1977-)，男，湖北人，副教授，博士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信理論與技術(shù)、認(rèn)知無線電等。E-mail: zhujiang@cqupt.edu.cn。

郭兵(1990-)，男，河南人，碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電。E-mail: guobing1085@Foxmail.com。

段昂(1990-)，男，重慶人，碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電。E-mail:270273439@qq.com。

(編輯：魏琴芳)

A stability and delay based routing protocol for cognitive radio Ad Hoc networks

ZHU Jiang, GUO Bing, DUAN Ang

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, P.R. China)

Abstract:In the future cognitive Ad-Hoc networks, the activities of the primary users will cause great influence on the stability of multiple hops routes between cognitive users. To ensure the route stability and reduce the route latency between cognitive users, a stability and delay based routing protocol is proposed. In the protocol the concept of stability factor is introduced，only the paths under the stability constraint can be the candidate routes. Then the transmission delay is used as a metric to select the best route from those candidate routes. First, the superiority of the proposed routing selection strategy is demonstrated through a sample topology model. Then, the latency and route stability in cognitive radio Ad-Hoc networks are detailed analyzed. Last, improvements are made on the traditional AODV protocol to realize the proposed channel allocation and routing selection strategy. Simulation results show that the proposed protocol has a better performance on route stability and end to end delay both under different source and destination distances, and different primary user activities.

Keywords：cognitive radio Ad Hoc network; routing protocol; AODV; end to end delay; route stability