多信道Buffer感知機(jī)會(huì)路由協(xié)議

崔文洋

摘要摘要：針對無線電頻譜資源不足和現(xiàn)有機(jī)會(huì)路由方案存在的問題，通過將認(rèn)知無線電技術(shù)和機(jī)會(huì)路由有效結(jié)合起來，提出了一種能夠同時(shí)對無線電頻譜和節(jié)點(diǎn)Buffer進(jìn)行感知的機(jī)會(huì)路由協(xié)議（SBA-OR：Spectrum and Buffer Aware Opportunistic Routing）。OMNET++仿真結(jié)果表明，相對于經(jīng)典的機(jī)會(huì)路由方案，Buffer感知機(jī)會(huì)路由的平均端到端延時(shí)更小，吞吐量更大，負(fù)載更均衡。采用多信道后，性能進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；機(jī)會(huì)路由協(xié)議；Buffer感知；負(fù)載均衡

DOIDOI：10.11907/rjdk.171110

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）005015803

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)用戶急劇增加，各種無線電技術(shù)與應(yīng)用的競爭愈演愈烈，無線電頻譜資源的有限性日益凸顯。與此同時(shí)，在全球范圍內(nèi)，普遍采用固定的頻譜分配策略來管理無線電頻譜資源，因而產(chǎn)生了頻譜資源利用效率低下的問題。近年來，認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)展成為提高頻譜使用效率的主要研究方向[1]。

對于無線多跳網(wǎng)絡(luò)而言，路由是影響網(wǎng)絡(luò)整體性能的最重要因素之一。與傳統(tǒng)路由按照事先選好的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸不同，機(jī)會(huì)路由在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，充分利用了無線電媒介的廣播特性，通過多個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作，動(dòng)態(tài)、自主地選擇下一跳節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而提高了鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)整體的吞吐量[2]?，F(xiàn)有的機(jī)會(huì)路由方案大都忽略了中繼節(jié)點(diǎn)Buffer中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)對網(wǎng)絡(luò)路由性能的影響，在高速率無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，可能造成最短路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)Buffer中積累大量的數(shù)據(jù)包，從而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

針對現(xiàn)有機(jī)會(huì)路由方案存在的不足，本文提出了一種能夠同時(shí)對無線電頻譜和候選中繼節(jié)點(diǎn)Buffer進(jìn)行感知的機(jī)會(huì)路由協(xié)議（SBA-OR），該協(xié)議在有效結(jié)合認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)會(huì)路由技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了對候選中繼節(jié)點(diǎn)的Buffer進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知的機(jī)制，進(jìn)一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，真正實(shí)現(xiàn)了對無線電頻譜資源的動(dòng)態(tài)利用，并綜合候選中繼節(jié)點(diǎn)的位置和Buffer信息動(dòng)態(tài)、自主地進(jìn)行路由決策。

1多信道Buffer感知機(jī)會(huì)路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在機(jī)會(huì)路由方案（OR：Opportunistic Routing）中，通常有4種類型的數(shù)據(jù)要發(fā)送，即RTS、CTS、DATA、ACK[34]。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送正式的數(shù)據(jù)包DATA之前，需要與其候選節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)完成一次RTS/CTS握手，具體過程如下：節(jié)點(diǎn)在選取的數(shù)據(jù)傳輸信道上廣播RTS，候選節(jié)點(diǎn)集的節(jié)點(diǎn)在接收到節(jié)點(diǎn)廣播的RTS后，會(huì)調(diào)度一個(gè)時(shí)長為TBackoff的定時(shí)器。TBackoff的計(jì)算公式如下：

TBackoff=C0Di，dst-Dk，dst+SIFS，k≠dst（1）

其中，Di，dst表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，Dk，dst表示候選節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，C0是一個(gè)與距離相關(guān)的常數(shù)。在TBackoff的定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，候選節(jié)點(diǎn)會(huì)在同一信道上向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)CTS。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在該信道上成功接收到第一個(gè)CTS后，就會(huì)忽略掉后續(xù)接收到的CTS。這樣就完成了一次RTS/CTS握手，而第一個(gè)回復(fù)CTS的候選節(jié)點(diǎn)就被選為了最佳中繼節(jié)點(diǎn)。

由式（1）可知，候選節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的距離越近，TBackoff就越小，候選節(jié)點(diǎn)在回復(fù)CTS之前等待的時(shí)間就越短，競爭最佳中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)就越高。

在完成RTS/CTS握手后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)向選定的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包DATA，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)立即回復(fù)一個(gè)確認(rèn)包ACK。

Buffer感知機(jī)會(huì)路由（BAOR：Buffer Aware Opportunistic Routing）與經(jīng)典機(jī)會(huì)路由的數(shù)據(jù)包傳輸過程大致相同。兩者的不同之處在于候選節(jié)點(diǎn)集中的候選節(jié)點(diǎn)在接收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播的RTS后的處理方式。在BAOR中，候選節(jié)點(diǎn)在接收到RTS后，同樣會(huì)調(diào)度一個(gè)時(shí)長為TBackoff的定時(shí)器。計(jì)算公式如下：

TBackoff=C0Di，dst-Dk，dst+C1×BUFNUMBUFSIZE+SIFS，k≠dst（2）

其中，BUFNUM表示候選節(jié)點(diǎn)Buffer中實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，BUFSIZE表示候選節(jié)點(diǎn)Buffer中能夠存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，C1是一個(gè)常數(shù)。

顯然，TBackoff的大小由節(jié)點(diǎn)位置和Buffer中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)共同決定。如果候選節(jié)點(diǎn)Buffer中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)較多，即便距離目的節(jié)點(diǎn)較近，也可能不會(huì)被選為最佳中繼節(jié)點(diǎn)。

在多信道方案中，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行RTS/CTS握手之前，首先需要對無線電環(huán)境進(jìn)行頻譜感知，獲取頻譜使用信息，然后采用一定的信道選擇算法，從若干條可用的信道中選出一條最佳信道作為數(shù)據(jù)傳輸信道[3，56]。

2實(shí)驗(yàn)配置及結(jié)果

在一個(gè)1 000×130m2的矩形區(qū)域內(nèi)，對應(yīng)于不同的實(shí)驗(yàn)場景分別布置特定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)。為了使數(shù)據(jù)包的傳輸路徑分布更加合理，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的分布設(shè)置為隨機(jī)均勻分布。實(shí)驗(yàn)參數(shù)值是在IEEE.802.15.4的基礎(chǔ)上選取的，主要參數(shù)如表1所示（根據(jù)表中參數(shù)值，數(shù)據(jù)包的有效傳輸范圍大約為62m）[7]。

對每一種路由方案都進(jìn)行一組仿真實(shí)驗(yàn)，固定源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置為（0，65），目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（1 000，65），源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的距離為1 000m。通過改變網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，即調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度，設(shè)置了6個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)場景。節(jié)點(diǎn)總數(shù)的變化范圍為150～400，增長間隔為50。

為了充分發(fā)揮BAOR在高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的性能優(yōu)勢，將源節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速率設(shè)置為最大，即在完成了前一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送后，源節(jié)點(diǎn)會(huì)立即啟動(dòng)后一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程。

在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理，并用MATLAB繪制了相應(yīng)的二維曲線圖，從數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)、吞吐量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡等3個(gè)方面對不同的路由方案進(jìn)行了比較分析。

2.1平均端到端延時(shí)（End to End Delay）

平均端到端延時(shí)是網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)。單信道BAOR、單信道OR、多信道BAOR、多信道OR的平均端到端延時(shí)隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，4種機(jī)會(huì)路由方案的平均端到端延時(shí)都隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的增加而單調(diào)減少，多信道機(jī)會(huì)路由方案的平均端到端延時(shí)明顯小于單信道；在單信道和多信道兩種情況下，BAOR的平均端到端延時(shí)都比OR??；而相對于單信道情況下，在多信道方案中，BAOR對平均端到端延時(shí)的改善幅度較小。

原因如下：

在OR中，候選節(jié)點(diǎn)的位置是選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)的唯一考慮因素。候選節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)越近，其被選為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)就越高。由于每一跳都按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路由，數(shù)據(jù)包實(shí)際走過的路徑通常是最短路徑或者接近最短路徑。通常情況下，中繼節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，會(huì)立即將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。而在高數(shù)據(jù)率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，可能還沒來得及將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，而后續(xù)的數(shù)據(jù)包又到達(dá)了。因此，在這種情況下，會(huì)造成最短路徑以及附近路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)積累過多數(shù)量的數(shù)據(jù)包。由于數(shù)據(jù)包在中繼節(jié)點(diǎn)Buffer中的平均排隊(duì)時(shí)間較長，數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)也較大。

而在BAOR中，數(shù)據(jù)包在選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，不僅要考慮候選節(jié)點(diǎn)的位置，還要考慮候選節(jié)點(diǎn)Buffer中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。候選節(jié)點(diǎn)Buffer中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)越少，距離目的節(jié)點(diǎn)越近，被選為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)就越高。因此，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中，會(huì)繞過已經(jīng)存儲(chǔ)了較多數(shù)量數(shù)據(jù)包的最短路徑中繼節(jié)點(diǎn)，避免了最短路徑上積壓過多數(shù)量的數(shù)據(jù)包。顯然，這種路由方式能夠比較充分地利用網(wǎng)絡(luò)中相對空閑的路徑，有效減少數(shù)據(jù)包在中繼節(jié)點(diǎn)Buffer中的平均排隊(duì)時(shí)間，從而使數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)明顯減少。因此，BAOR的平均端到端延時(shí)會(huì)明顯小于OR。

在單信道的機(jī)會(huì)路由方案中，當(dāng)信道被鄰居節(jié)點(diǎn)占用時(shí)，節(jié)點(diǎn)就無法發(fā)送數(shù)據(jù)包。只能等到信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才能成功接入信道。而在多信道的機(jī)會(huì)路由方案中，由于有多條信道可以使用，當(dāng)一條信道被鄰居節(jié)點(diǎn)占用時(shí)，節(jié)點(diǎn)還可以接入其它信道?？傮w而言，節(jié)點(diǎn)成功接入信道的概率極大增加，因而減少了數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)Buffer中排隊(duì)的平均時(shí)間。因此，相對于單信道的機(jī)會(huì)路由方案，多信道機(jī)會(huì)路由方案的平均端到端延時(shí)會(huì)大幅度減小。

顯然，在多信道情況下，OR的傳輸性能已經(jīng)比較良好，BAOR在OR的基礎(chǔ)上提升性能的空間較為有限。因此，相對于單信道情況下，在多信道的方案中，BAOR對平均端到端延時(shí)的改善幅度較小。

隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度的增加，更多路徑較短、跳數(shù)較少的可用路徑會(huì)出現(xiàn)，機(jī)會(huì)路由的性能優(yōu)勢也就更加明顯。因此，數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)會(huì)單調(diào)減少。

2.2吞吐量（Throughput）

吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。吞吐量可以由目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包的總字節(jié)數(shù)除以目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的總用時(shí)得到。

4種方案的吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的變化曲線如圖2所示。吞吐量變化情況與平均端到端延時(shí)的比較相近，這里不再贅述。

在單信道機(jī)會(huì)路由方案中，由于只有一條信道可用，所有數(shù)據(jù)包都只能在這條信道上傳輸。一旦信道被鄰居節(jié)點(diǎn)占用，節(jié)點(diǎn)就不能再接入信道發(fā)送數(shù)據(jù)包。而在多信道機(jī)會(huì)路由方案中，有若干條信道可以使用，鄰居節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)在各自的信道上傳輸數(shù)據(jù)包，即數(shù)據(jù)包可以同時(shí)沿著多條信道向前傳輸。顯然，多信道的傳輸能力更強(qiáng)，在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)包。因此，多信道機(jī)會(huì)路由方案的吞吐量明顯大于單信道。

2.3負(fù)載均衡（Load Balance）

對網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出這些數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，用以表征網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。計(jì)算公式如下：

stdDev=1N∑Ni=1（ni-μ）2（3）

其中，stdDev就是上述的標(biāo)準(zhǔn)差，N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，ni表示節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，μ表示所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的平均值。

4種方案的stdDev隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度的增加，4種機(jī)會(huì)路由方案的stdDev都單調(diào)減小。在單信道和多信道兩種情況下，BAOR的stdDev都比OR的小。4種方案中，單信道OR的stdDev最大，多信道OR次之，而多信道BAOR的stdDev小于多信道OR，單信道BAOR的stdDev最小。

原因如下：

在單信道OR中，當(dāng)一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的Buffer中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包數(shù)量達(dá)到最大值后，該節(jié)點(diǎn)就不再對后續(xù)數(shù)據(jù)包的發(fā)送請求（RTS）作出響應(yīng)。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中只有一條信道可用，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于信道被占用，處于其傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)就不能再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，其上一跳節(jié)點(diǎn)就不能發(fā)送數(shù)據(jù)包，只有等到信道空閑后，上一跳節(jié)點(diǎn)才開始發(fā)送過程，通常上述中繼節(jié)點(diǎn)仍是最佳中繼節(jié)點(diǎn)。綜上所述，一般情況下，只有當(dāng)最短路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)Buffer已滿時(shí)，單信道OR才會(huì)選擇其它路徑傳輸數(shù)據(jù)包。

在多信道OR中，當(dāng)最短路徑上的一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，其上一跳節(jié)點(diǎn)可以在其它信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包，空閑的候選節(jié)點(diǎn)可以對該數(shù)據(jù)發(fā)送請求作出響應(yīng)，即上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送的后續(xù)數(shù)據(jù)包可以沿著其它路徑進(jìn)行傳輸。因此，多信道OR的stdDev要比單信道的小。

在單信道BAOR中，由于只有一條信道可以使用，中繼節(jié)點(diǎn)成功接入信道的概率比較小，發(fā)送數(shù)據(jù)包很容易失敗，最短路徑及其附近路徑上積累較多數(shù)據(jù)包的可能性也就比較大。因此，后續(xù)數(shù)據(jù)包繞過這些存儲(chǔ)了較多數(shù)據(jù)包的中繼節(jié)點(diǎn)，而選擇其它相對空閑的路徑的機(jī)會(huì)也就較多，從而使得網(wǎng)絡(luò)流量分布于更多的路徑上。相對而言，在多信道BAOR中，由于有多條信道可以使用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾拭黠@增大，最短路徑上積累較多數(shù)據(jù)包的可能性較小，后續(xù)數(shù)據(jù)包繞行的機(jī)會(huì)也較少。因此，多信道BAOR中的網(wǎng)絡(luò)流量分布更加集中，stdDev自然就比單信道的大。

3結(jié)語

針對現(xiàn)有機(jī)會(huì)路由方案中存在的問題，本文提出了一種能夠同時(shí)對頻譜和Buffer進(jìn)行感知的機(jī)會(huì)路由方案（SBA-OR）。仿真結(jié)果表明，在單信道和多信道兩種情況下，相對于經(jīng)典的機(jī)會(huì)路由方案（OR），Buffer感知機(jī)會(huì)

路由（BAOR）的平均端到端延時(shí)更小、吞吐量更高、負(fù)載更均衡。在4種方案中，多信道Buffer感知機(jī)會(huì)路由（SBA-OR）具有最小的端到端延時(shí)和最大的吞吐量。

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