認(rèn)知無線ad hoc網(wǎng)的多尺度跨層路由協(xié)議

曹　靜， 武君勝， 楊文超， 王碩晨

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710072;2. 西北工業(yè)大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，陜西 西安 710072)

隨著各種新型無線網(wǎng)絡(luò)(無線傳感網(wǎng)、軟件定義網(wǎng)，普適網(wǎng)絡(luò)等)的迅速普及，近年來，無線通信的業(yè)務(wù)量劇增，未來的無線網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)出高速化、寬帶化、異構(gòu)化、泛在化等趨勢(shì)．認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Networks，CRNs)作為5G網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，是提高頻譜利用率，解決當(dāng)前存在的頻譜匱乏、帶寬受限、適應(yīng)能力不足等問題的有效途徑．CRNs具有認(rèn)知和自適應(yīng)特性，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能夠感知當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并根據(jù)感知結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)和決策，自適應(yīng)地調(diào)整傳輸參數(shù)，通過學(xué)習(xí)推理來改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的端到端性能．認(rèn)知無線自組網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Ad Hoc Networks，CRAHNs)是由一組具有認(rèn)知決策的節(jié)點(diǎn)以多跳自治的方式組成的智能網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)橛脩魟?dòng)態(tài)接入物聯(lián)網(wǎng)提供基礎(chǔ)通信平臺(tái)[1-2]．

在認(rèn)知環(huán)境下，路由設(shè)計(jì)問題較之傳統(tǒng)的無線自組網(wǎng)更復(fù)雜，不僅包括認(rèn)知用戶(Secondary User，SU)的移動(dòng)性造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、鏈路不穩(wěn)定等問題，還包括由主用戶(Primary User，PU)行為的不確定性帶來的頻譜機(jī)會(huì)(Spectrum OPportunity，SOP)時(shí)變問題[3]．近年來，有很多學(xué)者針對(duì)CRAHNs的路由優(yōu)化問題進(jìn)行研究，并提出多種解決方案: 文獻(xiàn)[4]提出一種跨層路由策略，該策略能夠計(jì)算出從任一源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延和路徑時(shí)延，結(jié)合Dijkstra算法可以通過求解最短路徑問題來獲得最佳選路方案．文獻(xiàn)[5]從潛在博弈的角度出發(fā)，為多跳CRNs提出二維的信道-路由交換算法．該算法從頻域和空間域兩個(gè)角度進(jìn)行資源管理，在不完全信息博弈下能夠計(jì)算出貝葉斯納什均衡點(diǎn)，從而獲得最小資源開銷的方案．文獻(xiàn)[6]對(duì)按需距離矢量路由協(xié)議(Ad hoc On-demand Distance Vector routing，AODV)協(xié)議做了認(rèn)知性的擴(kuò)展，提出一種具有服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)保障的基于認(rèn)知的AODV協(xié)議(Cognitive-based AODV, CAODV); 該協(xié)議為CRAHNs中的認(rèn)知用戶提供了多信道的接入方案，并在一定程度上增加了端到端吞吐量，然而缺乏對(duì)信道切換是否會(huì)增加時(shí)延的分析．在目前的研究中，大部分學(xué)者關(guān)注于通過有效的資源管理機(jī)制來提高頻譜利用率、緩解頻譜擁塞和優(yōu)化端到端性能．這些方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了資源優(yōu)化配置并提高了路由效率和穩(wěn)定性，然而隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，多種無線異構(gòu)業(yè)務(wù)將共存和相互融合，因此需要在認(rèn)知路由設(shè)計(jì)時(shí)考慮業(yè)務(wù)特征和路由尺度的選擇．

綜上所述，筆者提出一種多尺度跨層路由協(xié)議(Multi-Metric cognitive Cross-layer AODV，MM-CAODV)．結(jié)合物理層的信道參數(shù)和功率分配，以及介質(zhì)訪問控制(Media Access Control，MAC) 層的頻譜信息來制定路由策略，并根據(jù)業(yè)務(wù)類型和QoS需求來為認(rèn)知用戶選擇適當(dāng)?shù)穆酚沙叨葯?quán)重．結(jié)合頻譜可用性來避免對(duì)PU的業(yè)務(wù)流造成干擾，并通過頻譜——路由聯(lián)合分配來增加吞吐量、改善鏈路的穩(wěn)定性和減少端到端時(shí)延．由于目前大部分業(yè)務(wù)(尤其是移動(dòng)多媒體)具有較高的QoS要求，如高速率、時(shí)延敏感、高數(shù)據(jù)投遞率等，針對(duì)業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析，通過時(shí)延、吞吐量、數(shù)據(jù)投遞率等QoS參數(shù)對(duì)MM-CAODV協(xié)議做仿真實(shí)驗(yàn)，從而獲取路由策略的評(píng)價(jià)指標(biāo)．

1　網(wǎng)絡(luò)模型

文中考慮的認(rèn)知Ad hoc網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)認(rèn)知用戶SU、M個(gè)可用信道組成，SU之間以多跳的方式通信，各個(gè)SU使用PU的空閑頻段進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸．為了避免對(duì)PU的傳輸造成干擾，SU必須獲得當(dāng)前的可用頻譜列表，也就是頻譜機(jī)會(huì)SOP; 由于PU的行為具有不確定性，SU的SOP會(huì)隨時(shí)間變化，各個(gè)用戶的SOP通過周期性的頻譜感知來獲?。?dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)SU的SOP之間存在交集，并且它們之間的距離在有效傳輸范圍之內(nèi)時(shí)，才可以建立傳輸鏈路．

圖1給出了抽象的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，?jié)點(diǎn)S和D分別代表路由的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，{A，B，C，E，F(xiàn)}代表多跳路由的中間節(jié)點(diǎn)， {C1，C2，C3，C4}表示不同的授權(quán)頻段．對(duì)于各個(gè)鏈路，由于信道帶寬、路徑時(shí)延、地理位置等差異，傳輸性能也不同，用一個(gè)二元組(delay， cost)來表示信道參數(shù)，其中delay表示路徑時(shí)延，cost表示流量占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的開銷．受主用戶行為的影響，各個(gè)信道在使用中隨時(shí)會(huì)被主用戶收回而不可用，這種情況下需要進(jìn)行路由恢復(fù)，有兩個(gè)解決方法:在中斷的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信道切換，選擇另外一個(gè)共用信道，原路由方案不變;重新進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的路徑選擇．

圖1　CRAHN的路由模型

在圖1(a)中，從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D，有如下幾條路徑可以選擇:

(1)S→A→B→D; total delay=7，cost=6;(2)S→C→D; total delay=6，cost=7;

(3)S→C→F→D; total delay=5，cost=10;(4)S→E→F→D; total delay=3，cost=11．

在這4條路徑中，按照不同的尺度標(biāo)準(zhǔn)有多種選路方案:如果數(shù)據(jù)流是時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)(如在線視頻)，則應(yīng)當(dāng)選擇(4)，以期望通過最小時(shí)延到達(dá)目的地;但是成本較高，會(huì)消耗較多的帶寬資源．如果是時(shí)延容忍型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(如瀏覽頁面、文件傳輸?shù)?，則應(yīng)當(dāng)選擇(1)，以占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源來完成數(shù)據(jù)流傳輸．如果從節(jié)能和鏈路穩(wěn)定性的角度考慮，則應(yīng)當(dāng)選擇(2)，以經(jīng)過最小跳數(shù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)．在圖1(b)中，當(dāng)信道C2被主用戶收回時(shí)，S→C的路徑被中斷時(shí)，當(dāng)前可用路徑僅剩(1)和(4)．這時(shí)如果剩余路徑的處理能力有限，就要恢復(fù)S到C之間的鏈路，通過多徑路由來處理網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷．這時(shí)可以選擇從信道C2切換到信道C3來實(shí)現(xiàn)鏈路重建．在圖1(c)中， 當(dāng)S→C之間的信道切換到C3時(shí)，從(1)到(4)的路徑全部可用，這時(shí)對(duì)路徑(3)進(jìn)行更新，total delay= 3，cost= 10，路徑(3)成為比(4)總體性能更優(yōu)的路由方案．

2　多尺度優(yōu)化模型

2.1　路由尺度分析

2.1.1時(shí)延

認(rèn)知Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是多跳、分布式的無線網(wǎng)絡(luò)，由于SOP是動(dòng)態(tài)變化的，SU需要根據(jù)PU的行為進(jìn)行信道切換和選擇，因此，網(wǎng)絡(luò)的端到端總時(shí)延Dtotal由兩部分組成: 路徑時(shí)延Dpath和切換時(shí)延Dswitch，可以表示為

Dtotal=Dpath+Dswitch．

(1)

路徑時(shí)延是由數(shù)據(jù)流在多跳節(jié)點(diǎn)間的傳輸引起的，當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)信道時(shí)會(huì)帶來退避時(shí)延Dbackoff[7]．因此，路徑時(shí)延也分為兩部分：數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)延Dtransmission和退避時(shí)延Dbackoff．

(2)

其中，Ttraffic表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的流量，Nhop表示當(dāng)前路徑的跳數(shù)，Rk表示鏈路k的數(shù)據(jù)傳輸速率;nc表示競(jìng)爭(zhēng)同一信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，pc為多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)同一信道而發(fā)生碰撞的概率，W0表示最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的大?。袚Q時(shí)延是在頻譜發(fā)生移動(dòng)時(shí)發(fā)生的，與切換過程所發(fā)生的頻段差異成正比，因此，節(jié)點(diǎn)在信道Cm和Cn之間的切換時(shí)延為

Dswitch=K|B(Cm)-B(Cn)|,

(3)

其中，比例系數(shù)K是一個(gè)常數(shù)，表示單位頻率切換的時(shí)間消耗．將K設(shè)置為 10 ms/ 10 MHz，也就是， 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的收發(fā)機(jī)在進(jìn)行頻譜切換時(shí)，每調(diào)整工作頻率 10 MHz 需要 10 ms 的時(shí)延．B(Cm)和B(Cn)表示信道帶寬，綜合式(1)～式(3)就可計(jì)算出當(dāng)前路徑的總時(shí)延．

2.1.2業(yè)務(wù)傳輸速率

在覆蓋式(overlay)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中， SU通過頻譜感知來獲得空閑頻譜列表，并通過參與競(jìng)爭(zhēng)獲取頻譜的使用權(quán)．在無線Ad hoc網(wǎng)中，所有的SU節(jié)點(diǎn)以自治、多跳的方式組網(wǎng)，在傳輸過程中要通過分布式的功率控制來提高網(wǎng)絡(luò)的容量和能效．各個(gè)用戶需要根據(jù)周圍環(huán)境的變化來調(diào)整發(fā)射功率，來滿足業(yè)務(wù)傳輸需求．根據(jù)香農(nóng)公式[8]，SU使用信道Cj能夠獲得的傳輸速率為

(4)

2.1.3穩(wěn) 定 性

為了解決CRNs的資源動(dòng)態(tài)變化問題，一般通過統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來預(yù)測(cè)PU的活動(dòng)規(guī)律，并通過計(jì)算鏈路穩(wěn)定時(shí)間來控制數(shù)據(jù)分組的傳輸過程．通常把PU對(duì)授權(quán)信道的占用情況定義為ON-OFF隨機(jī)過程，各個(gè)信道的ON和OFF狀態(tài)相互獨(dú)立且在時(shí)刻t服從指數(shù)分布，對(duì)于信道Cj， 對(duì)認(rèn)知用戶可用的概率是

(5)

(6)

2.2　多尺度優(yōu)化模型

將路由問題建模為多尺度優(yōu)化模型，在認(rèn)知用戶能夠獲得所需帶寬的前提下，通過建立目標(biāo)函數(shù)來改進(jìn)用戶的服務(wù)質(zhì)量，為不同業(yè)務(wù)類型的用戶尋找高效的路由方案．文中的路由策略中，優(yōu)化目標(biāo)是加權(quán)的路由尺度，并通過可調(diào)整的權(quán)值分配來滿足用戶對(duì)時(shí)延、穩(wěn)定性、傳輸速率等的特定需求．

在定義域內(nèi)存在最優(yōu)解，表示為x*，有 (x-x*)Fx≥ 0．當(dāng)滿足條件時(shí)，可以通過迭代公式xk+1=xk-βFx在k次迭代之后求得x*，并通過比較x*與候選路由中各個(gè)參數(shù)的相似度來選取最優(yōu)路徑．

3　MM-CAODV路由協(xié)議

根據(jù)CRAHN的特點(diǎn)，對(duì)CAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式做了擴(kuò)展，增加的內(nèi)容主要有: 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的SOP、路由尺度標(biāo)記(有3項(xiàng): Delay代表時(shí)延，Stab代表鏈路穩(wěn)定性，Rd代表傳輸速率)、路由開銷等．根據(jù)多尺度優(yōu)化模型設(shè)計(jì)了MM-CAODV路由協(xié)議:

步驟1源節(jié)點(diǎn)S在可用信道上感知空閑頻譜，并更新SOP．

步驟2S調(diào)用addNeighbor過程獲得鄰居節(jié)點(diǎn)信息，創(chuàng)建RREQ(Route Request)數(shù)據(jù)包并廣播給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)．

步驟3當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ數(shù)據(jù)包之后，首先判斷自己是否已經(jīng)在已有的路由表中．如果是，則丟棄該數(shù)據(jù)包; 如果否，判斷自己的SOP列表是否與上一跳節(jié)點(diǎn)的SOP之間存在交集．如果交集為空，則丟棄RREQ數(shù)據(jù)包．如果能夠建立多個(gè)鏈路，則通過式(1)～式(6)計(jì)算出各個(gè)鏈路的時(shí)延、穩(wěn)定性和最大傳輸速率，并將信息更新到路由表對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位上，繼續(xù)廣播至下一跳節(jié)點(diǎn)．

步驟4當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D開始接收RREQ請(qǐng)求包時(shí)，它將等待一個(gè)時(shí)間周期，在等待時(shí)間內(nèi)會(huì)收到來自多個(gè)路徑的報(bào)文．每個(gè)RREQ數(shù)據(jù)包中包含了一條路徑信息，通過求解目標(biāo)函數(shù)式(7)選擇目標(biāo)路由．目的節(jié)點(diǎn)D根據(jù)決策結(jié)果將RREP(Route Reply)數(shù)據(jù)包通過反向路徑發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)S．

步驟5當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S收到RREP應(yīng)答數(shù)據(jù)包之后，開始在目標(biāo)路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)流至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)．

在路由建立之后，需要在鏈路中斷時(shí)能通過較小的代價(jià)來維護(hù)路由．首先考慮通過信道切換來修復(fù)原路徑，如果不可行就重建路由．這需要建立一個(gè)信道切換(Channel Switch，CS)報(bào)文來實(shí)現(xiàn)，過程如下:

(1) 發(fā)生鏈路中斷的節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由表信息將CS請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)．

(2) 對(duì)方接收到CS報(bào)文之后，中止當(dāng)前正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流并檢測(cè)與中斷節(jié)點(diǎn)間是否存在其他的SOP交集．如果是，轉(zhuǎn)步驟(3)；如果否，轉(zhuǎn)步驟(5)．

(3) 節(jié)點(diǎn)從SOP交集中通過頻譜分配算法選擇另一可用信道，并將選中的信道通過CS回復(fù)報(bào)文發(fā)送給中斷節(jié)點(diǎn)．

(4) 中斷節(jié)點(diǎn)收到CS回復(fù)信息之后，更新路由表信息并切換至此信道繼續(xù)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸．

(5) 當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的SOP交集為空時(shí)，中斷節(jié)點(diǎn)將生成RERR(Route Error)數(shù)據(jù)包并將該數(shù)據(jù)包沿著反向路徑發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)．源節(jié)點(diǎn)在收到RERR數(shù)據(jù)包之后，立刻停止當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程．

4　仿真實(shí)驗(yàn)

采用NS-2(Network Simulator 2)網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)文中提出的MM-CAODV路由策略進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)，具體的仿真參數(shù)如表1所示．

表1　仿真參數(shù)表

為源節(jié)點(diǎn)定義了3種類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(類型1是高傳輸速率型，類型2是普通業(yè)務(wù)，類型3為低路由開銷型)，并通過控制報(bào)文的路由尺度域和累計(jì)開銷域傳遞給接收節(jié)點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示．在圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照隨機(jī)路點(diǎn)模型運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度控制在 2～ 20 m/s 范圍內(nèi);共有10個(gè)可用信道供用戶使用進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸．將文中提出的MM - CAODV與文獻(xiàn) [6] 中的QoS - CAODV協(xié)議分別進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)SU數(shù)量從10個(gè)遞增到50個(gè)時(shí)，測(cè)試和計(jì)算QoS關(guān)鍵參數(shù)(累計(jì)時(shí)延、吞吐量和數(shù)據(jù)投遞率(Processing Data Rate，PDR)．從圖2(a)～(c)的比較中可以看到，文中提出的MM-CAODV協(xié)議與QoS-CAODV協(xié)議相比，具有較小的累計(jì)時(shí)延、更大的吞吐量和更高的PDR，總體性能得到改進(jìn)．在SU節(jié)點(diǎn)數(shù)量從10增加至40的過程中，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，有越來越多的數(shù)據(jù)流需要進(jìn)行傳輸，吞吐量持續(xù)增長(zhǎng); 同時(shí)，由于平均跳數(shù)的增加，時(shí)延也有所增長(zhǎng)．但是，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量從40到50時(shí)，跳數(shù)的繼續(xù)增加會(huì)降低路由的穩(wěn)定性，這時(shí)一些不滿足式(9)的約束的數(shù)據(jù)流將暫時(shí)退出對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng); 同時(shí)，一些高帶寬的業(yè)務(wù)將難以獲得滿意的傳輸速率，因此吞吐量有一定程度的減少．在圖2(a)中，文中的策略不會(huì)導(dǎo)致額外的時(shí)間開銷，具有更低的時(shí)延; 在圖2(b)中，MM-CAODV策略能夠充分利用空閑頻譜進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，吞吐量有了平均47%的增長(zhǎng)．在圖3的實(shí)驗(yàn)中，將認(rèn)知用戶數(shù)量固定為50，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模式采用馬爾科夫模型; 比較可見，文中的MM-CAODV策略在絕大多數(shù)時(shí)間點(diǎn)具有更好的端到端性能．從圖4中可見，在文中的路由策略中，3種不同類型的業(yè)務(wù)根據(jù)特定的資源需求，分別獲得了不同的傳輸速率．

圖2　不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的QoS參數(shù)

圖3　不同時(shí)間的QoS參數(shù)

圖4　3種業(yè)務(wù)的傳輸速率

為了評(píng)估路由的穩(wěn)定性，進(jìn)行了路由持續(xù)時(shí)間和開銷測(cè)試．圖5中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，路由持續(xù)時(shí)間呈下降趨勢(shì);改進(jìn)的協(xié)議都具有對(duì)無線環(huán)境的適應(yīng)性，能夠修復(fù)干擾引起的鏈路失效．MM-CAODV首選通過信道切換的方式對(duì)路徑進(jìn)行維護(hù)，避免了不必要的路由重建，改善了路由的持續(xù)時(shí)間，因此整體穩(wěn)定性方面略高于QoS-CAODV．從圖6中可見，QoS-CAODV和MM-CAODV協(xié)議在路由開銷方面都略高于CAODV協(xié)議， 然而能夠以相當(dāng)小的開銷代價(jià)換來明顯的端到端性能改進(jìn)．MM-CAODV協(xié)議結(jié)合用戶的業(yè)務(wù)類型來分配資源，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)．

圖5 平均持續(xù)時(shí)間圖6 路由開銷

5　結(jié) 束 語

筆者針對(duì)認(rèn)知無線自組網(wǎng)提出一種多尺度路由協(xié)議MM-CAODV，該策略根據(jù)業(yè)務(wù)流的特征來定義路由尺度的權(quán)值;提出了信道-路由聯(lián)合分配的解決方案，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層-物理層的跨層優(yōu)化．結(jié)合頻譜信息為認(rèn)知用戶提供了適用于不同類型業(yè)務(wù)的路由方案;針對(duì)時(shí)延、路由穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)開銷等參數(shù)進(jìn)行分析并提出了多尺度優(yōu)化模型，根據(jù)模型設(shè)計(jì)了具體的路由協(xié)議．通過實(shí)驗(yàn)表明，MM-CAODV協(xié)議能夠一定程度上優(yōu)化無線傳輸?shù)腝oS性能，為不同的業(yè)務(wù)類型分配合適的資源，在時(shí)延、吞吐量和數(shù)據(jù)投遞率等方面，都具有一定程度的改進(jìn)．

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