認知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于動態(tài)吞吐量的路由算法

沈毅斌 陳元亨 畢春艷

摘 要： 針對認知無線電網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)路由協(xié)議的不足，提出基于動態(tài)吞吐量的認知無線電網(wǎng)絡(luò)路由算法（LSAR）。LSAR協(xié)議利用動態(tài)傳輸吞吐量（DTT）作為選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點判決指標。只有節(jié)點滿足比當(dāng)前節(jié)點更靠近于目的節(jié)點，比當(dāng)前節(jié)點具有更低的傳輸時延兩個條件才可以作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。LSAR協(xié)議再從候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點中選擇具有最大DTT的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。仿真結(jié)果表明，提出的LSAR協(xié)議能減少信道切換次數(shù)及傳輸時延，并提高路徑建立的成功率。

關(guān)鍵詞： 認知無線電； 路由協(xié)議； 動態(tài)頻率接入； 吞吐量； 傳輸時延； 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0079?04

Abstract： The conventional routing protocol in cognitive radio networks has some shortage. Therefore， the location aided spectrum aware routing （LSAR） protocol in cognitive radio network is proposed in this paper. The LSAR protocol uses dynamic transport throughput （DTT） as the judgment index to select the forwarding node. The nodes satisfying the following two conditions can be selected as the candidate forwarding node， one condition is that the node is closer to the destination node than the current node， the other condition is that the node has lower transmission delay than the current node. LSAR protocol selects the node with maximum DTT from the candidate forwarding nodes as the forwarding node. The simulation results show that the LSAR protocol can reduce the channel switching times and transmission delay， and improve the success rate of path establishment.

Keywords： cognitive radio； routing protocol； dynamic frequency access； throughput； transmission delay； forwarding node

0 引 言

隨著無線用戶數(shù)量急劇的增加和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線頻譜資源日益緊張，認知無線電CR（Cognitive Radio）技術(shù)受到廣泛關(guān)注[1]。然而，F(xiàn)CC對頻率利用率的研究表明：有執(zhí)照頻段的頻譜利用率[1]小于0.85。為了提高頻率利用率，文獻[2]首次提出認知無線電的概念，并改變傳統(tǒng)的頻譜管理方式。傳統(tǒng)的頻道管理規(guī)定某段頻譜只給有執(zhí)照用戶單獨使用，即使空閑，也不安排其他用戶使用。執(zhí)照用戶也稱為主級用戶（Primary User，PU），其他用戶是指非主級用戶，將其稱為次級用戶（Secondary User，SU）。

為了提高頻率利用率，需改變傳統(tǒng)的管理方式，規(guī)定主級用戶PU對頻譜使用具有高的優(yōu)先級，但SU可以檢測周圍頻譜使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)空閑頻譜，就可使用。

換而言之，認知無線電CR就是在不影響PU正常通信的前提下，SU動態(tài)地感知PU是否正在使用頻譜，如果沒有，就接入頻譜，并使用該空閑頻譜。目前，人們對認知無線電網(wǎng)絡(luò)的研究集中在物理層以及媒體訪問控制層的關(guān)鍵技術(shù)和路由協(xié)議。其中，路由協(xié)議已成為認知無線電領(lǐng)域的研究熱點[3?6]。

針對認知無線電的網(wǎng)絡(luò)特性，文獻[7]提出基于連接率的路由協(xié)議，利用拉普拉斯算子矩陣計算不同路徑間的連接率，并選擇連接率高的路徑傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸成功率。文獻[8]提出基于機會的頻譜感知路由算法，利用節(jié)點感知的局部信息繪制頻譜地圖，并計算機會鏈路傳輸質(zhì)量指標，擇優(yōu)選擇具有高指標的鏈路組建傳輸路徑，提高路由協(xié)議的吞吐量。文獻[9]提出基于傳輸功率控制和機會路由的路由協(xié)議，并引用差別服務(wù)概念，提高了路由的穩(wěn)定性。此外，文獻[10]提出了基于AODV的認知無線電路由CAODV（Cognitive Ad Hoc On?demand Distance Vector）協(xié)議。在CAODV協(xié)議中，節(jié)點利用路由請求、路由回復(fù)控制包進行信道分配及路由決策，并采用專用控制信道傳輸這些控制包，以避免對PU的干擾。

盡管上述路由協(xié)議改善了路由性能，但沒有根據(jù)認知無線電網(wǎng)絡(luò)的特點，綜合考慮影響路由協(xié)議的因素，如節(jié)點間距離。為此，本文提出動態(tài)吞吐量的路由協(xié)議LSAR。LSAR協(xié)議首先定義動態(tài)吞吐量的變量，并將其作為選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的指標。動態(tài)吞吐量融合了源節(jié)點與目的節(jié)點的距離以及傳輸時延信息。為此，LSAR協(xié)議擇優(yōu)選擇具有最大動態(tài)傳輸吞吐量的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。仿真結(jié)果表明，本文提出的LSAR協(xié)議能夠有效地降低傳輸時延，并提高路徑建立成功率。

1 LSAR協(xié)議

LSAR協(xié)議分為頻譜感測、下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇和數(shù)據(jù)傳輸三個階段。

1.1 頻譜感測

次級用戶SU（假定[SUi]）利用頻譜感測與鄰居節(jié)點一起搜索空閑信道。一旦感測到數(shù)據(jù)信道[ChDatai]，[SUi]就在控制信道CCC廣播一條短的感測通知消息SIM（Sensed Informed Message），其包含自己和目的節(jié)點的位置信息。SIM消息的傳輸采用CSMA/CA機制[11]。一旦收到SIM消息，鄰居次級用戶SUs就將此信道[ChDatai]標記為不可接入，致使在[SUi]感測時期內(nèi)，不與[SUi]進行信道競爭，進而緩解次級用戶傳輸干擾問題。消息SIM的格式如圖1所示。

利用SIM消息，鄰居次級用戶SUs檢測自己是否可成為中間的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，即如果鄰居次級用戶比[SUi]離目的節(jié)點更近，且可產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)距離增益，便可納入候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集[Setrelay]。[Setrelay]內(nèi)節(jié)點與[SUi]在同一數(shù)據(jù)信道[ChDatai]內(nèi)，并執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇過程。未納入[Setrelay]集的節(jié)點就不能在數(shù)據(jù)信道[ChDatai]傳輸數(shù)據(jù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)信道[ChDatai]是空閑的，即沒有主級用戶PU使用，次級用戶[SUi]就與集[Setrelay]內(nèi)節(jié)點進行握手通信。反之，若有主級用戶使用，次級用戶[SUi]就重復(fù)信道感測階段。

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇

SIM消息的發(fā)送節(jié)點[SUi]從集[Setrelay]選擇一個次級用戶作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。具體而言，當(dāng)感測到信道是空閑時，[SUi]首先向集[Setrelay]內(nèi)的所有節(jié)點廣播路由請求消息RREQ（Routing Request）。一旦接收節(jié)點RREQ消息，集[Setrelay]內(nèi)用戶就向[SUi]回復(fù)RREP消息。如果[SUi]沒有接收到RREP消息，就表示在數(shù)據(jù)信道[ChDatai]內(nèi)沒有合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，它就重復(fù)感測階段和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇過程。

[SUi]從集[Setrelay]內(nèi)選擇最優(yōu)的用戶作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。LSAR協(xié)議采用動態(tài)吞吐量DTT（Dynamic Transport Throughput）作為選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的判決指標。一個好的判決指標對路由協(xié)議性能有直接影響。例如，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議GPSR采用鄰居節(jié)點與目的節(jié)點的距離作為判決指標，選擇離目的節(jié)點近的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。盡管這降低了端到端轉(zhuǎn)發(fā)時延，但是它忽略了路由的穩(wěn)定性。

為此，LSAR協(xié)議引用DTT作為選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的判決指標。DTT指標考慮了距離和時延信息。因此，被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點需要滿足以下兩個條件：

1） 距離增益：比發(fā)送節(jié)點離目的節(jié)點更近；

2） 時延最小化：具有短的時延。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

一旦選擇了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，發(fā)送節(jié)點[SUi]向其發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后等待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點回復(fù)的確認ACK消息。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點成功接收了數(shù)據(jù)包，就向發(fā)送節(jié)點回復(fù)ACK確認消息。當(dāng)發(fā)送節(jié)點[SUi]接收了ACK消息，表明數(shù)據(jù)包已成功傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

1.4 LSAR協(xié)議流程

在LSAR協(xié)議中，次級用戶[SUi]首先感測空閑的數(shù)據(jù)信道，一旦感知有空閑信道，就利用CCC信道廣播SIM消息，并將此數(shù)據(jù)信道標識為忙。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，次級用戶[SUi]一直檢測信道是否被主級用戶占用。一旦占用，就尋找其他空閑信道并切換，具體流程如圖2所示。

2 仿真分析

2.1 仿真環(huán)境及性能指標

利用NS2建立仿真平臺，分析LSAR協(xié)議性能，并與CAODV協(xié)議[10]進行比較。選擇CAODV協(xié)議的原因在于：首先，CAODV協(xié)議是基于經(jīng)典的AODV協(xié)議，具有代表性；其次，CAODV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段也采用了RREQ，ACK等控制包，與LSAR協(xié)議相似。主級用戶PU數(shù)從2～4變化，次級用戶從10～28變化，并且信道數(shù)CH為4。仿真區(qū)域為1 000 m×1 000 m，仿真時間為50 s，具體的仿真參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值分析

2.2.1 路徑建立成功率

本次實驗主要考查主級用戶數(shù)和次級用戶數(shù)對路徑建立的影響?？紤]2、4主級用戶以及次級用戶從4～28變化場景，且信道數(shù)為4，分析路徑建立的成功率在此場景下的變化情況。實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，用戶數(shù)對路徑建立成功率有著積極的影響，且成功率隨著用戶數(shù)的增加而上升。在實驗中，主級用戶的發(fā)射功率為-90 dBm，兩個主級用戶可以覆蓋幾乎整個仿真區(qū)域內(nèi)的次級用戶。因此，當(dāng)主級用戶數(shù)為2或4時，路徑建立成功率均趨于定值，并且在同等條件下4個主級用戶的路徑建立成功率優(yōu)于2個主級用戶。此外，由于LSAR協(xié)議能夠?qū)崟r檢測空閑信道，它的路徑建立成功率優(yōu)于CAODV。

為了更好地分析信道數(shù)對路徑建立的成功率的影響，建立不同信道數(shù)的實驗場景：信道數(shù)為2、4，次級用戶數(shù)從4～28變化，主級用戶數(shù)為4。實驗結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，隨著次級用戶數(shù)的增加，路徑建立成功率隨之增加，原因在于用戶數(shù)的增加提高了可建立路徑的條數(shù)。此外，本文提出的LSAR路徑建立成功率明顯優(yōu)于CAODV。例如，在4個信道、28個次級用戶時，LSAR路徑建立成功率接近于1，而CAODV僅為0.5。

2.2.2 信道切換頻率

信道切換頻率能夠充分反映路徑的穩(wěn)定性，切換頻率越高，表明穩(wěn)定性越差，協(xié)議性能越差。為此，通過實驗分析信道切換次數(shù)。在4個信道、主級用戶分別為2、4以及次級用戶數(shù)從4變化至30的條件下，CAODV和LSAR協(xié)議的信道切換次數(shù)如圖5所示。

從圖5可知，信道切換次數(shù)隨次級用戶數(shù)的增加而下降，隨主級用戶數(shù)的增加而上升，這與圖3數(shù)據(jù)相融合。此外，CAODV協(xié)議的信道切換頻率遠高于LSAR協(xié)議，增加了近80%。

2.2.3 端到端數(shù)據(jù)傳輸時延

本次實驗分析了數(shù)據(jù)傳輸時延隨次級用戶的變化情況。主級用戶數(shù)為4，信道數(shù)為4，次級用戶數(shù)從4～30變化，實驗結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，端到端傳輸時延隨次級用戶數(shù)的增加而上升。原因在于：隨著次級用戶數(shù)的增加，整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，使得數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)增加，進而提高了端到端的傳輸時延。與CAODV相比，本文提出的LSAR協(xié)議的端到端傳輸時延得到了控制，這主要是因為：次級用戶的增加，也提升了可選路由數(shù)，而LSAR協(xié)議能及時調(diào)整路由，并選擇傳輸時延更小的路由，進而能對跳數(shù)增加所帶來的傳輸時延作出一定補償。

3 結(jié) 論

本文針對認知無線電網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進行分析，提出動態(tài)吞吐量感知路由LSAR。LSAR協(xié)議首先定義了DTT，依據(jù)DTT選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。DTT變量融合了距離增益和時延信息，提高了路徑的穩(wěn)定性，降低了傳輸時延。仿真結(jié)果表明，本文提出的LSAR協(xié)議能夠有效地減少傳輸時延，提高路徑穩(wěn)定性。

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