基于NS3的移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)*

崔翠梅，楊德智，姜程鑫

（1.常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054）

基于NS3的移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)*

崔翠梅1，楊德智2，姜程鑫1

（1.常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054）

針對(duì)目前認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性考慮欠佳且缺乏驗(yàn)證相關(guān)理論的成熟原型和仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于新型網(wǎng)絡(luò)模擬器NS3的移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)仿真擴(kuò)展系統(tǒng)MCRENS3。該仿真系統(tǒng)擴(kuò)展了認(rèn)知無線電的頻譜感知、授權(quán)用戶檢測、和頻譜切換等功能，充分考慮了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)用戶的移動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析驗(yàn)證了MCRE-NS3仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性，并可擴(kuò)展到實(shí)際大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，為提高頻譜資源利用率提供重要的驗(yàn)證工具。

移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；NS3；認(rèn)知無線電；頻譜感知

0 引 言

未來智慧城市通過物聯(lián)網(wǎng)﹑云計(jì)算等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面透徹的感知﹑寬帶泛在的互聯(lián)﹑智能融合的應(yīng)用，勢必對(duì)無線頻譜資源和帶寬提出了更高的需求。然而，有限的無線頻譜資源已無法滿足此需求。而認(rèn)知無線電[1-2]（Cognitive Radio，CR）技術(shù)的提出為緩解頻譜稀缺問題提供了新的解決方案。認(rèn)知用戶（Cognitive Radio users，CRs）自適應(yīng)地感知周圍目標(biāo)授權(quán)頻段，在不影響主用戶（Primary Users，PUs，也稱授權(quán)用戶）正常通信的情況下，對(duì)授權(quán)頻譜在空間﹑時(shí)間﹑頻率等多維度上進(jìn)行見縫插針的“二次利用”，以提高頻譜資源復(fù)用率。

CR的功能及可用頻譜的動(dòng)態(tài)性，決定了其網(wǎng)絡(luò)模擬仿真系統(tǒng)的復(fù)雜性，這給研究者帶來很大挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（Mobile Cognitive Radio Networks，MCRNs）[3]，情況更為復(fù)雜。目前，關(guān)于CRs仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面，國內(nèi)外研究還較少，主流的開發(fā)平臺(tái)為OPNET﹑OMNeT++﹑NS2等。文獻(xiàn)[4]利用OPNET工具仿真分析了所提的認(rèn)知無線電媒體接入（MediuMaccess Control，MAC）層協(xié)議。文獻(xiàn)[5]利用OMNeT++工具提出一個(gè)CR仿真擴(kuò)展模塊，模塊中各節(jié)點(diǎn)配有多個(gè)評(píng)估MAC層協(xié)議的接口。文獻(xiàn)[6]利用NS2設(shè)計(jì)了一個(gè)認(rèn)知無線電認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Cognitive Network，CRCN）仿真擴(kuò)展模塊，該擴(kuò)展模塊提供了返回信息的應(yīng)用程序接口APIs﹑多射頻多信道的節(jié)點(diǎn)和信道切換機(jī)制。文獻(xiàn)[7]利用NS2研究了一個(gè)認(rèn)知無線電擴(kuò)展模塊CogNS，模塊中各CR節(jié)點(diǎn)配有一個(gè)用于感知PU活動(dòng)情況的網(wǎng)絡(luò)接口，并根據(jù)所提頻譜判決算法推斷出可用空閑信道，但擴(kuò)展模塊中的CR節(jié)點(diǎn)不支持多射頻。此外，上述研究主要適用于靜態(tài)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，即CRs與PUs都是靜止的，尚不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際大規(guī)模移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

針對(duì)上述問題，并考慮實(shí)際CRs中用戶的移動(dòng)性，本文基于Thomas R. Henderson教授及其項(xiàng)目組研究的新型網(wǎng)絡(luò)模擬工具NS3（Network Simulator 3）[8]，及文獻(xiàn)[9]所提出的基于NS3的認(rèn)知無線電擴(kuò)展模塊CRE-NS3，研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于NS3的MCRN仿真擴(kuò)展系統(tǒng)MCRE-NS3（Mobile Cognitive Radio Extension-NS3）。該MCRE-NS3擴(kuò)展模塊適合大規(guī)模的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)模擬，可以實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電頻譜感知﹑主用戶檢測﹑頻譜切換等功能，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展新的功能。

1 MCRE-NS3仿真系統(tǒng)

1.1 MCRN感知系統(tǒng)

考慮一個(gè)MCRN網(wǎng)絡(luò)由M個(gè)PUs，N個(gè)CRs用戶和一個(gè)M認(rèn)知用戶融合中心組成，PUs與CRs共享C個(gè)正交授權(quán)信道。在某一信道c空閑（H0）或被PU占用（H1）的條件下，第j個(gè)CRj（j=1,2,…,N）接收到第i個(gè)PUi（i=1,2,…,M）的信號(hào)表達(dá)式分別為：

由能量檢測理論可知，CRj接收到PUi發(fā)射信號(hào)的平均功率為：

1.2 NS3協(xié)議層的修改

根據(jù)CR具有的頻譜感知﹑頻譜決策﹑頻譜切換和頻譜共享等認(rèn)知循環(huán)功能，及文獻(xiàn)[9]中的CRE-NS3擴(kuò)展模塊，設(shè)計(jì)MCRE-NS3擴(kuò)展模塊。MCRE-NS3擴(kuò)展模塊主要包含四個(gè)子模塊：

頻譜感知模塊：負(fù)責(zé)感知某段時(shí)間PU是否占用某一授權(quán)信道，根據(jù)所加載的靜態(tài)PU數(shù)據(jù)庫，推測PU的活動(dòng)狀態(tài)（ON/OFF）。仿真系統(tǒng)中，所加載的PU數(shù)據(jù)庫是PU.txt文本文件，規(guī)定了PU數(shù)量﹑占用信道﹑傳輸功率﹑ON/OFF時(shí)間列表。研究者可以根據(jù)PU ON/OFF時(shí)間分布性質(zhì)（如指數(shù)分布），產(chǎn)生和加載此PU.txt文件。

頻譜決策模塊：CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)所給策略決定是否切換信道及切換到哪一信道，其中所給策略是可擴(kuò)展的，可同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)不同策略。

頻譜切換模塊：由物理層控制，在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)頻譜切換協(xié)議。

頻譜共享模塊：使用嵌入載波802_11感知標(biāo)準(zhǔn)來確保同一信道上傳輸?shù)腃Rs間可無沖突共享可用頻譜。

MCRE-NS3四個(gè)子模塊主要涉及網(wǎng)絡(luò)層﹑鏈路層和物理層的修改。在網(wǎng)絡(luò)層配置AODV路由協(xié)議，將產(chǎn)生的控制包路由到相應(yīng)的MAC接口。在鏈路層和物理層定義了新的認(rèn)知接口，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以定義多個(gè)這種接口。第一個(gè)是控制接口CTRL，用于傳輸公共控制信道的控制分組信息，如AODV。第二個(gè)是發(fā)送接口TX，用來向相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)消息。第三個(gè)是可切換的接收接口RX，負(fù)責(zé)感知PU的活動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)PU活動(dòng)時(shí)切換信道，通過AODV的HELLO包通知鄰節(jié)點(diǎn)所選擇的新信道。

2 MCRE-NS3的實(shí)現(xiàn)與性能評(píng)估

本節(jié)主要描述MCRE-NS3擴(kuò)展模塊如何在NS3仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并通過相應(yīng)的仿真性能分析評(píng)估其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。仿真系統(tǒng)配置為ubuntu12.04 Linux操作系統(tǒng)，NS3采用最新版本NS-3.25。參數(shù)設(shè)置：PUs的ON/OFF平均時(shí)間服從參數(shù)為0.5﹑0.1的指數(shù)分布，啟用ON的次數(shù)為21，所占用信道數(shù)C=10，射頻覆蓋范圍100 m；CRs用戶運(yùn)動(dòng)模型為RandomWalk2d Mobility Model無線傳輸模型，節(jié)點(diǎn)無規(guī)則的向任意方向移動(dòng)，射頻覆蓋范圍100 m。

移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊MCRE-NS3的實(shí)現(xiàn)過程。在ubuntu12.04 Linux操作系統(tǒng)安裝好最新版的NS-3.25后，用所擴(kuò)展的MCRE-NS3文件包替換在ns-3-allinone路徑下的ns-3.25文件包，并更名為ns-3.25。然后，在ns-3-allinone路徑下運(yùn)行./build.py進(jìn)行編譯，以完成認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置。接下來，在ns-3-allinone/ns-3.25路徑下執(zhí)行./waf編譯，若無錯(cuò)誤出現(xiàn)，則MCRE-NS3安裝成功。

下面舉例驗(yàn)證移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊MCRENS3的準(zhǔn)確性。首先，搭建一個(gè)小型的PUs與CRs共存的MCRN：PUs數(shù)M=2（這里每個(gè)PU是由一個(gè)主用戶發(fā)射機(jī)PUt和一個(gè)主用戶接收機(jī)PUr組成），CRs數(shù)N=2，CRs在彼此的通信覆蓋范圍內(nèi)利用AODV路由協(xié)議通信。在路徑ns-3-allinone/netanim-3.104執(zhí)行動(dòng)畫演示工具./NetAnim，可得MCRN動(dòng)態(tài)工作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖﹑用戶運(yùn)動(dòng)軌跡和用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膭?dòng)畫過程。

圖1描述了不同時(shí)刻2個(gè)移動(dòng)CRs用戶0和1 在PUs影響下的通信過程，CRs用戶在10 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1（a）所示。由圖1（b）可知，在某一時(shí)刻t，CR 0感知到用戶0和1間有不受PU活動(dòng)影響的空閑可用信道，向CR 1發(fā)送RREQ路由請求傳輸數(shù)據(jù)；在t+Δt1時(shí)刻，CRs用戶0和1移動(dòng)到另一位置，感知到用戶0和1間的信道突然受PUs影響，數(shù)據(jù)傳輸中斷，如圖1（c）所示；在t+Δt1時(shí)刻，CRs用戶0和1移動(dòng)到另一位置，感知到用戶0和1間存在不受PU活動(dòng)影響的空閑可用信道，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，如圖1（d）所示。由分析可知，整個(gè)工作符合CRs的基本功能與思想，從而證實(shí)了所提MCRE-NS3擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖1 MCRN動(dòng)態(tài)工作拓?fù)?/p>

圖2描述了MCRN網(wǎng)絡(luò)吞吐量受PUs活動(dòng)影響的性能曲線圖。仿真參數(shù)設(shè)置：PUs與CRs的參數(shù)設(shè)置同圖1，認(rèn)知用戶間通信的數(shù)據(jù)傳輸速率為54 Mb/s，仿真運(yùn)行時(shí)間為10 s。由圖2可知，MCRN網(wǎng)絡(luò)吞吐量受PU ON/OFF時(shí)間的指數(shù)變化而規(guī)律性地波動(dòng)。當(dāng)PU處于ON（活動(dòng)）狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為0 Bytes/s；當(dāng)PU處于OFF（非活動(dòng)）狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量在（1.2～1.6）×106Bytes/s間波動(dòng)，吞吐量波動(dòng)的原因是受CRs移動(dòng)位置的影響?？梢姡朔抡孢M(jìn)一步證明了MCRE-NS3擴(kuò)展仿真系統(tǒng)的可行性。

3 結(jié) 語

本文重點(diǎn)研究分析了如何在NS3仿真系統(tǒng)中擴(kuò)展移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模塊MCRE-NS3，并給出了詳細(xì)的仿真實(shí)現(xiàn)過程。同時(shí)，構(gòu)建了一個(gè)小型移動(dòng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證所研究的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性和可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MCRE-NS3仿真系統(tǒng)可模擬實(shí)際多信道射頻環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主用戶的智能檢測與信道切換功能，為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了重要的驗(yàn)證工具。

圖2 MCRN網(wǎng)絡(luò)吞吐量

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NS3-based Simulation System for M obile Cognitive Radio Networks

CUI Cui-mei1,YANG De-zhi2, JIANG Cheng-xin1

(1.School of Electrical and Photoelectronic Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou Jiangsu 213002, China;2. Communication and Information Engineering College, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an Shaanxi 710054, China)

Deployment of CRNs(Cognitive Radio Networks) must be preceded by accurate simulation, thus to reduce the high infrastructure costs involved in their installation. However, mature prototype and experimental system is confronted with challenges caused by dynamics of CRNs. To resolve these problems, a new mobile cognitive radio extension framework based on NS3 simulator(MCRE-NS3) is proposed and implemented. This simulation platform is incorporated with some functions of cognitive radio, such as spectrum sensing, primary user detection, and spectrum hand-off. The simulation results and performance evaluation indicate the feasibilities of MCRE-NS3 simulation system. Moreover, this simulation system may be extended to the actual larger-scale cognitive networks, and provides an important simulator for improving the utilization of spectrum resources.

mobile cognitive radio network; NS3; cognitive radio; spectrum sensing

TN925

A

1002-0802(2016)-11-1509-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.018

崔翠梅（1978—），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同通信理論﹑5G關(guān)鍵技術(shù)﹑認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)；

楊德智（1992—），男，本科生，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)﹑認(rèn)知無線電；

姜程鑫（1995—），男，本科生，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)﹑認(rèn)知無線電。

2016-07-05;

2016-10-09 Received date:2016-07-05;Revised date:2016-10-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61471252）；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（No.CJ20160054）；江蘇高校文化創(chuàng)意協(xié)同創(chuàng)新中心重點(diǎn)項(xiàng)目（No.XYN 1505）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(No.201611055004Z)；常州工學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（No.YN 1504，No.J150040）

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61471252);Applied Basic Research Programs of Science and Technology Plan of Changzhou City(No.CJ20160054); Key Program of Culture Creative Collaborative Innovation Center of Jiangsu Universities(No.XYN1505); Jiangsu Students’Key training Program for innovation and entrepreneurship (No.201611055004Z); Key Program of Changzhou Institute of Technology(No.YN1504,No.J150040)