認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議綜述

王繼紅，石文孝

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認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議綜述

王繼紅1，石文孝2

（1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2. 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

路由協(xié)議能實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN, cognitive radio sensor network）內(nèi)部感知數(shù)據(jù)的有效匯聚傳輸，尤其是分簇路由協(xié)議能進(jìn)一步降低路由選擇的復(fù)雜度、提升網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)性能至關(guān)重要。因此，針對(duì)CRSN分簇路由協(xié)議進(jìn)行綜述研究。首先，在簡(jiǎn)要介紹CRSN分簇概念和優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，闡述CRSN分簇算法設(shè)計(jì)考慮的主要因素。其次，探討CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)遵循的基本設(shè)計(jì)原則。再次，系統(tǒng)的分析和總結(jié)CRSN分簇路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀。最后，指出CRSN分簇路由協(xié)議研究中亟待解決的問(wèn)題及未來(lái)的研究方向。

認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇；路由協(xié)議；信道分配；跨層

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor network）是由隨機(jī)部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限，且通常由電池供電[1]。WSN與藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee等通信技術(shù)共享非授權(quán)頻段。研究表明這種共享方式會(huì)產(chǎn)生頻譜資源短缺等問(wèn)題，嚴(yán)重影響WSN的性能[2]。認(rèn)知無(wú)線電（CR, cognitive radio）技術(shù)允許節(jié)點(diǎn)感知主用戶（PU, primary user）在某個(gè)特定的時(shí)間或位置處未使用的頻譜部分（即頻譜空洞），并在不干擾PU通信的情況下，以機(jī)會(huì)的方式利用頻譜空洞提升頻譜利用率和通信性能[3-4]。因此，對(duì)CR技術(shù)與WSN進(jìn)行智能聯(lián)合，克服日益凸顯的頻譜資源短缺問(wèn)題，傳統(tǒng)WSN正逐步向認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN, cognitive radio sensor network）演進(jìn)。

CRSN是由認(rèn)知無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)感知事件信號(hào)，在可用頻帶內(nèi)以多跳通信方式動(dòng)態(tài)、協(xié)作地向匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）傳遞感知數(shù)據(jù)，滿足特定應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service）要求[5-6]。感知數(shù)據(jù)的匯聚傳輸需要路由協(xié)議為其選取穩(wěn)定的、資源豐富的路徑，因此路由協(xié)議設(shè)計(jì)對(duì)CRSN整體性能至關(guān)重要。

WSN與CR技術(shù)的智能聯(lián)合對(duì)CRSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)，尤其是路由協(xié)議設(shè)計(jì)，提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)傳統(tǒng)WSN或CR網(wǎng)絡(luò)（CRN, cognitive radio network）提出的路由協(xié)議都無(wú)法直接應(yīng)用于CRSN。傳統(tǒng)WSN路由協(xié)議通常以最小化網(wǎng)絡(luò)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命為目標(biāo)，但是沒有考慮CR的功能與挑戰(zhàn)；傳統(tǒng)CRN路由協(xié)議聚焦于提升動(dòng)態(tài)頻譜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)連通性和頻譜利用率，但是沒有考慮節(jié)點(diǎn)的資源限制。另外有研究表明，與平面路由協(xié)議相比，分簇路由協(xié)議在降低路由選擇復(fù)雜度、提升網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性等方面的性能更優(yōu)越[7]。因此，CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)涉及分簇算法設(shè)計(jì)、簇內(nèi)簇間通信的信道選擇和調(diào)度及路由協(xié)議設(shè)計(jì)3個(gè)方面。本文探討CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題，具體貢獻(xiàn)如下。

1) 分析CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，包括從傳統(tǒng)的WSN和CRN繼承來(lái)的挑戰(zhàn)及CRSN所特有的挑戰(zhàn)；提出CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則。

2) 對(duì)現(xiàn)有CRSN分簇路由協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的綜述，并從分簇算法設(shè)計(jì)考慮的因素、考慮頻譜可用性變化、保護(hù)PU、跨層設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信等方面對(duì)其進(jìn)行全面比較，分析總結(jié)各方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

3) 探討CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的開放性問(wèn)題，以期吸引科研人員探索這一極具價(jià)值的研究方向，加速CRSN的實(shí)際應(yīng)用。

2 CRSN分簇相關(guān)概念及分簇算法設(shè)計(jì)考慮的因素

2.1 CRSN分簇的基本概念

分簇是一種結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾矸椒?，它通過(guò)對(duì)鄰近的相似節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邏輯分組和聯(lián)合來(lái)實(shí)現(xiàn)最小化網(wǎng)絡(luò)能耗等特定的目標(biāo)[8]。CRSN分簇結(jié)構(gòu)包括簇頭（CH, cluster head）、簇成員（CM, cluster member）及網(wǎng)關(guān)3類節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，其中虛線圓圈表示簇的覆蓋范圍。

圖1 CRSN分簇結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)分簇結(jié)構(gòu)中，CH是簇的領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)聚合、信息傳輸及網(wǎng)絡(luò)管理；CM是普通的簇節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)感知事件、從周圍環(huán)境中收集信息；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是相鄰簇的邊緣節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)中繼[9]。CRSN中，CH需要執(zhí)行協(xié)調(diào)頻譜感知、對(duì)感知結(jié)果進(jìn)行融合決策及控制數(shù)據(jù)通信過(guò)程中對(duì)空閑信道的接入等額外的任務(wù)。CM也要執(zhí)行頻譜感知和感知結(jié)果的匯報(bào)及檢測(cè)PU的到達(dá)等額外的任務(wù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)仍負(fù)責(zé)相鄰簇間的數(shù)據(jù)中繼，但是CRSN網(wǎng)關(guān)中繼操作更為復(fù)雜。需要有效的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制，因?yàn)橄噜彺氐木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能工作在不同信道上。

2.2 CRSN分簇的優(yōu)勢(shì)

分簇將網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分散到各個(gè)簇并在本地范圍內(nèi)加以解決，為CRSN帶來(lái)全方位性能提升?，F(xiàn)將CRSN分簇的主要優(yōu)勢(shì)列出如下。

1) 提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和連通性。

2) 通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚與融合減少網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，降低時(shí)延和開銷，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能及負(fù)載均衡。

3) 降低CRSN節(jié)點(diǎn)與PU的同時(shí)接入相同頻譜的概率，保證PU接入頻譜的優(yōu)先權(quán)。

4) 提升頑健性和容錯(cuò)能力，使網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)︻l譜可用性變化、PU到達(dá)、不可預(yù)測(cè)的節(jié)點(diǎn)失效等做出及時(shí)響應(yīng)，方便網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾韀10]。

2.3 CRSN分簇算法設(shè)計(jì)考慮的主要因素

1) 最優(yōu)簇?cái)?shù)

簇?cái)?shù)太多會(huì)導(dǎo)致建立的路由路徑長(zhǎng)，引入較高端到端時(shí)延；簇?cái)?shù)太少會(huì)導(dǎo)致簇內(nèi)通信距離大，高能耗的簇內(nèi)通信會(huì)迅速耗盡CH能量，且節(jié)點(diǎn)間的頻譜共享效率較差。因此，最優(yōu)簇?cái)?shù)是與分簇算法效率及頻譜效率相關(guān)的重要參數(shù)[11]。可以以最小化網(wǎng)絡(luò)能耗、最小化與PU沖突等為目標(biāo)來(lái)確定CRSN最優(yōu)簇?cái)?shù)。

2) 分簇構(gòu)建機(jī)制

分簇構(gòu)建機(jī)制包括：集中式/分布式分簇構(gòu)建、均勻分簇/非均勻分簇構(gòu)建、單跳簇/多跳簇構(gòu)建及同構(gòu)簇/異構(gòu)簇構(gòu)建等。其中，非均勻分簇指每個(gè)簇覆蓋的CM數(shù)目不同，離sink越近的簇覆蓋的CM數(shù)越少。由于分簇采用多對(duì)一的通信類型，離sink近的CH通常要執(zhí)行更多的簇間分組轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗更快，因此非均勻分簇可以有效地均衡CH間的能耗[12]。

3) CH選取

可以使用概率方法或權(quán)重計(jì)算與比較等方法來(lái)選取CH。

4) 分簇算法的復(fù)雜度

CRSN節(jié)點(diǎn)資源受限，要求低復(fù)雜度的分簇算法。分簇算法的復(fù)雜度最好保持恒定或隨節(jié)點(diǎn)數(shù)呈線性變化[13]。

圖2 CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則

3 CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則

如前所述，針對(duì)傳統(tǒng)的WSN或CRNs提出的分簇路由協(xié)議均無(wú)法直接應(yīng)用于CRSN[14]。本節(jié)分析闡述CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)及其影響，提出CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則，具體如圖2所示。

1) 從WSN繼承的路由協(xié)議設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

①節(jié)點(diǎn)電池能量受限。CRSN通常使用容量受限、很難進(jìn)行再充電或替換的電池為節(jié)點(diǎn)供電。節(jié)點(diǎn)電池耗盡就會(huì)停止工作，這會(huì)影響CRSN的正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)將節(jié)能作為一個(gè)目標(biāo)，在路由建立、運(yùn)行、維護(hù)和重路由的過(guò)程中最小化節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的壽命。

②節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、通信能力和存儲(chǔ)能力受限。CRSN節(jié)點(diǎn)有限的處理器和內(nèi)存容量制約了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，加之能量受限，節(jié)點(diǎn)的通信距離通常為幾十米至百米[15]。節(jié)點(diǎn)與sink之間的通信需要其他節(jié)點(diǎn)的中繼輔助才能完成。節(jié)點(diǎn)配置只能進(jìn)行半雙工通信的單收發(fā)信機(jī)，在某特定時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)只能選擇數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和頻譜感知中的一種操作。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)考慮節(jié)點(diǎn)的單收發(fā)信機(jī)約束，盡量簡(jiǎn)化計(jì)算與信息交換，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的多跳路由建立、運(yùn)行與維護(hù)。

③節(jié)點(diǎn)之間存在干擾。通常將大量CRSN節(jié)點(diǎn)部署在有限的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息感知與收集。這些節(jié)點(diǎn)需要競(jìng)爭(zhēng)信道接入機(jī)會(huì)傳遞感知數(shù)據(jù)，這會(huì)引起節(jié)點(diǎn)間的沖突與分組丟失，導(dǎo)致通信可靠性下降。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)充分考慮節(jié)點(diǎn)間的干擾，利用CR的頻譜共享功能實(shí)現(xiàn)有效感知數(shù)據(jù)路由。

2) 從CRN繼承的路由協(xié)議設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

①變化的頻譜可用性及PU行為預(yù)測(cè)。PU行為決定了特定時(shí)間、地點(diǎn)的頻譜可用性，制約CRSN節(jié)點(diǎn)的可用頻譜列表。PU行為的變化會(huì)引起頻譜可用性在時(shí)間與空間維度的變化，這導(dǎo)致CRSN節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換信道甚至發(fā)起重路由。信道轉(zhuǎn)換會(huì)引入時(shí)延和能量開銷，重路由會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)資源消耗導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)考慮PU行為預(yù)測(cè)、智能地處理頻譜可用性變化及信道轉(zhuǎn)換代價(jià)，保障PU優(yōu)先接入信道的特權(quán)，保證路由的穩(wěn)定性。

②多信道通信問(wèn)題。多信道通信中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可能調(diào)整到不同信道上。這種情況會(huì)引發(fā)多信道隱藏終端問(wèn)題和多信道“聾”問(wèn)題[16]；為了充分利用頻譜資源，節(jié)點(diǎn)的收發(fā)信機(jī)需要在不同信道之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是信道轉(zhuǎn)換的代價(jià)是不能忽略的；在多信道網(wǎng)絡(luò)中支持廣播通信是很有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居可能調(diào)整到不同信道上。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)能支持有效的廣播通信和節(jié)點(diǎn)間信道協(xié)調(diào)，盡量克服多信道通信引發(fā)的相關(guān)問(wèn)題。

③各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間相互關(guān)聯(lián)與影響。物理層的原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o出節(jié)點(diǎn)間的物理鄰接關(guān)系。節(jié)點(diǎn)鄰接關(guān)系是數(shù)據(jù)鏈路層的資源分配與調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)層路由的基礎(chǔ)，它決定多跳路由協(xié)議的效率。數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)資源分配及調(diào)度決定鏈路帶寬、傳輸干擾及節(jié)點(diǎn)間的連通關(guān)系（即邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?。鏈路帶寬和傳輸干擾是網(wǎng)絡(luò)層路由決策經(jīng)常使用的度量指標(biāo)。路由又決定每條鏈路上的負(fù)載分布，影響資源分配結(jié)果[17]。由此可見，各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，跨層設(shè)計(jì)將是一種必然，而不是一種選擇。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)將獨(dú)立的分層協(xié)議聯(lián)合形成跨層框架，通過(guò)各協(xié)議層之間的信息交互與協(xié)作實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。

3) CRSN特有的路由協(xié)議設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

①受限的節(jié)點(diǎn)資源制約CR功能的實(shí)現(xiàn)。一是單收發(fā)信機(jī)配置使得CRSN節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)感知多條信道，降低頻譜感知效率；且節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)執(zhí)行頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸。二是能量受限使節(jié)點(diǎn)要控制頻譜切換次數(shù)，減少信道轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能耗代價(jià)。三是計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限使得節(jié)點(diǎn)不能支持高復(fù)雜度運(yùn)算，制約頻譜決策和頻譜共享的優(yōu)化。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)綜合考慮節(jié)點(diǎn)特性與認(rèn)知循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)兩者的平衡統(tǒng)一。

②滿足不同應(yīng)用的QoS要求。CRSN的潛在應(yīng)用包括室內(nèi)感知應(yīng)用、多媒體應(yīng)用、實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用及多級(jí)異構(gòu)感知應(yīng)用等，這些應(yīng)用有不同的QoS要求。因此，要求CRSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)具備業(yè)務(wù)區(qū)分能力，針對(duì)不同應(yīng)用類型及其QoS要求，提供保障應(yīng)用性能的路由服務(wù)。

③安全性。由于CRSN節(jié)點(diǎn)與PU之間通常不存在協(xié)作，自私節(jié)點(diǎn)或惡意節(jié)點(diǎn)很容易在物理層、媒體接入控制（MAC, medium access control）層、網(wǎng)絡(luò)層上發(fā)動(dòng)攻擊，甚至形成拒絕服務(wù)攻擊。惡意節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)偽造頻譜感知數(shù)據(jù)或通過(guò)向信道發(fā)送大功率信號(hào)使其他CRSN節(jié)點(diǎn)感知信道為忙碌狀態(tài)，從而阻止頻譜的有效利用；自私節(jié)點(diǎn)或惡意節(jié)點(diǎn)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用授權(quán)信道不釋放，從而對(duì)PU傳輸造成干擾；惡意節(jié)點(diǎn)可能會(huì)通過(guò)向sink重復(fù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)分組，導(dǎo)致周圍節(jié)點(diǎn)迅速耗盡電池能量；惡意節(jié)點(diǎn)也可能在網(wǎng)絡(luò)層上偽造、篡改路由分組或數(shù)據(jù)分組，導(dǎo)致感知數(shù)據(jù)無(wú)法正常向sink匯聚或?qū)е聅ink匯聚虛假數(shù)據(jù)。因此，要求CRSN路由協(xié)議利用CRSN節(jié)點(diǎn)之間的有效協(xié)作，盡量檢測(cè)和規(guī)避自私節(jié)點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)，保證感知數(shù)據(jù)在sink處的正確有效的匯聚。

4 CRSN分簇路由協(xié)議文獻(xiàn)綜述與分析

CRSN中存在時(shí)間觸發(fā)和事件驅(qū)動(dòng)兩種數(shù)據(jù)匯報(bào)模型。時(shí)間觸發(fā)數(shù)據(jù)匯報(bào)中，CRSN節(jié)點(diǎn)周期性地向sink傳輸感知數(shù)據(jù)；事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)匯報(bào)中，當(dāng)滿足關(guān)鍵條件或發(fā)生特定事件時(shí)，CRSN節(jié)點(diǎn)向sink發(fā)出警示信息[18]。根據(jù)數(shù)據(jù)匯報(bào)模型，本文將CRSN分簇路由協(xié)議分為時(shí)間觸發(fā)和事件驅(qū)動(dòng)兩大類分簇路由協(xié)議。根據(jù)協(xié)議的具體研究?jī)?nèi)容，每大類又細(xì)分成路由已知分簇算法、分簇已知路由協(xié)議及跨層路由協(xié)議3個(gè)子類?，F(xiàn)有各CRSN時(shí)間觸發(fā)分簇路由協(xié)議的比較總結(jié)如表1和表2所示。按照上述分類方法對(duì)CRSN分簇路由協(xié)議研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸類總結(jié)，得到的分類樹如圖3所示。

4.1 時(shí)間觸發(fā)分簇路由協(xié)議

自網(wǎng)絡(luò)部署之時(shí)起，時(shí)間觸發(fā)分簇路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建分簇，通過(guò)周期性的計(jì)算與通信來(lái)維護(hù)分簇，直至網(wǎng)絡(luò)死亡為止。時(shí)間觸發(fā)分簇路由協(xié)議適用于需要持續(xù)收集感知數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)通信信道可用性穩(wěn)定的CRSN應(yīng)用。

4.1.1 路由已知分簇算法

路由已知分簇算法通常規(guī)定簇內(nèi)通信采用TDMA(time division multiple access)調(diào)度，即每個(gè)CM在CH規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)向CH匯報(bào)感知數(shù)據(jù)，且通常顯式給出或隱式表明CH與sink之間建立了直接通信。這類算法的缺陷在于確定型路由與CRSN的動(dòng)態(tài)特性不兼容。

CogLEACH[19]是傳統(tǒng)WSN經(jīng)典分簇算法LEACH[20]的分布式頻譜感知擴(kuò)展版本。CogLEACH中節(jié)點(diǎn)使用感知到的空閑可用信道數(shù)作為CH概率權(quán)重，并將其與[0,1]之間產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行比較，從而獨(dú)立確定自己是否能成為CH。CH向外發(fā)出簇構(gòu)建通告，接收到通告的其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度決定加入最近的簇。成員節(jié)點(diǎn)把感知到的數(shù)據(jù)通過(guò)分配的TDMA時(shí)隙傳遞給對(duì)應(yīng)CH，CH聚合數(shù)據(jù)后通過(guò)CSMA（carrier sensing multiple access）MAC協(xié)議將聚合數(shù)據(jù)直接傳給sink。為避免相鄰簇同時(shí)使用相同信道進(jìn)行簇內(nèi)通信，為每個(gè)簇分配唯一的直接序列擴(kuò)頻碼。

CogLEACH協(xié)議每輪選取的CH數(shù)可能多于要求的最優(yōu)簇?cái)?shù)，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。為解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[21]提出集中式的分簇算法CogLEACH-C?；靖鶕?jù)節(jié)點(diǎn)感知到的空閑可用信道數(shù)、剩余能量及位置從所有節(jié)點(diǎn)中選取個(gè)最優(yōu)CH，并廣播CH列表通告。CH使用TDMA調(diào)度簇內(nèi)傳輸，其他與CogLEACH協(xié)議相同。

LEAUCH協(xié)議[22]使用CogLEACH計(jì)算節(jié)點(diǎn)的CH概率權(quán)重，且規(guī)定權(quán)重大于0.4的節(jié)點(diǎn)成為候選CH。競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)剩余能量最大的候選CH成為最終CH。競(jìng)爭(zhēng)半徑概念實(shí)際上引入了非均勻分簇的思想，即離sink越近的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)半徑越小。CH向外廣播簇構(gòu)建通告，與CH有公共信道的節(jié)點(diǎn)加入簇。其他與CogLEACH協(xié)議相同。

Fuzzy C-means算法[23]以最小化成員節(jié)點(diǎn)與簇中心之間距離的平方和為目標(biāo)將網(wǎng)絡(luò)劃分成個(gè)簇。在各簇中，CH的選取考慮候選節(jié)點(diǎn)的剩余能量、與sink之間的匯報(bào)信道的信噪比、與簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)間的平均路徑損耗及與sink之間的路徑損耗4個(gè)指標(biāo)。

為避免相鄰簇的通信彼此干擾，OTICORIC[24]根據(jù)認(rèn)知頻譜感知能力及剩余能量構(gòu)建跳簇并為簇內(nèi)成員分配信道。具體地，CH為有一跳鄰居在簇外的成員節(jié)點(diǎn)優(yōu)先分配固定信道；在保證CM的傳輸需求得到滿足的前提下，CH以最小化所有CM傳輸所需的時(shí)隙數(shù)為目標(biāo)向CM分配（時(shí)隙，信道）對(duì)；向有一跳鄰居在簇外的成員節(jié)點(diǎn)僅分配時(shí)隙。

DSAC[25]通過(guò)最小化網(wǎng)絡(luò)通信能耗來(lái)求解最優(yōu)簇?cái)?shù)，如式(1)所示。

EESA-RLC[26]通過(guò)最小化網(wǎng)絡(luò)能耗來(lái)求解最優(yōu)簇?cái)?shù)，這里網(wǎng)絡(luò)能耗包括空閑頻譜感知能耗、事件感知能耗、數(shù)據(jù)處理能耗及網(wǎng)絡(luò)通信能耗。求解出的最優(yōu)簇?cái)?shù)如式(2)所示。

其中，為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)面積，am、ss、log、cs、ec、th分別為簇內(nèi)通信時(shí)功率放大器每比特能耗、事件感知每比特能耗、數(shù)據(jù)記錄每比特能耗、信道感知每比特能耗、電子電路每比特能耗及將數(shù)據(jù)分組傳遞給相鄰CH或基站的能耗。但是，由于th沒有確定值，無(wú)法直接根據(jù)上式計(jì)算最優(yōu)簇?cái)?shù)。

EESA-RLC采用集中式方式由基站根據(jù)節(jié)點(diǎn)的歸一化剩余能量比、感知到的歸一化空閑信道數(shù)及要求的CH比例選取CH。EESA-RLC將每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)CH選取問(wèn)題構(gòu)建為馬爾可夫決策過(guò)程，使用Q學(xué)習(xí)算法為節(jié)點(diǎn)選取最優(yōu)CH。CH規(guī)定感知信道集合、控制CM對(duì)授權(quán)信道的接入及數(shù)據(jù)通信。CH能量耗盡后，從CM中選取新的CH，防止頻繁的簇重構(gòu)。

ABCC[27]將CRSN分簇構(gòu)建視為最小化CRSN中所有節(jié)點(diǎn)的平均通信能耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差問(wèn)題。使用認(rèn)知驅(qū)動(dòng)的人工蜂群分簇算法求解最優(yōu)簇?cái)?shù)及簇頭分配。CRSN節(jié)點(diǎn)與最近的CH連接實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的匯報(bào)傳輸。

4.1.2 分簇已知路由協(xié)議

分簇已知路由協(xié)議主要研究簇內(nèi)信道分配問(wèn)題，當(dāng)然也有兼顧簇內(nèi)和簇間通信的路由協(xié)議。

R-coefficient-based CA[29-30]和FOA-based CA[31]均是在假定分簇已經(jīng)構(gòu)建完成的條件下提出的簇內(nèi)信道分配方案。R-coefficient-based CA引入R因子用來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)剩余能量，以最大化所有(節(jié)點(diǎn)，信道)對(duì)的R因子之和為目標(biāo)來(lái)分配信道。FOA-based CA使用果蠅優(yōu)化算法執(zhí)行簇內(nèi)信道分配以最大化所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

假設(shè)分簇已經(jīng)構(gòu)建完成，CR-CEA[32]根據(jù)節(jié)點(diǎn)與sink間的歐氏距離、到sink的跳數(shù)距離及剩余能量實(shí)現(xiàn)分布式的逐跳路由與信道選擇，即不斷選取下一跳CH及對(duì)應(yīng)的發(fā)送信道。

R-coefficient-based CA和FOA-based CA均是針對(duì)單個(gè)簇提出的CH集中式信道分配方案，不涉及具體的分簇機(jī)制。實(shí)際上，CH通常采用TDMA在不同時(shí)隙調(diào)度CM，因此應(yīng)盡量為簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)分配相同信道，減少CH在不同信道間頻繁轉(zhuǎn)換引起的開銷。CR-CEA中，為選擇最優(yōu)的下一跳CH及最優(yōu)的發(fā)送信道，發(fā)送端需要知道接收端的各信道上有多少個(gè)鄰居在通信，且sink會(huì)傳回跳數(shù)更新消息，網(wǎng)絡(luò)交換信息量較大。

4.1.3 跨層路由協(xié)議

相比前兩類路由協(xié)議的分層處理方法，跨層路由協(xié)議綜合考慮物理層分簇拓?fù)洹?shù)據(jù)鏈路層信道分配與媒體接入控制、網(wǎng)絡(luò)層路由之間的相互作用與影響，來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

SCEEM[33](包括SCR[34])是為多媒體業(yè)務(wù)提出的頻譜感知路由協(xié)議，它通過(guò)最小化由丟失分組和時(shí)延引起的多媒體源失真來(lái)求解最優(yōu)簇?cái)?shù)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)感知到的空閑可用信道、各信道的期望可用時(shí)間及剩余能量信息計(jì)算自身的累積頻譜能量排序并通過(guò)本地比較確定CH身份。CH向外發(fā)出通告，并選取簇成員間共享且期望可用時(shí)間最長(zhǎng)的信道為簇信道。SCEEM依靠在公共控制信道（CCC, common control channel）上轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組以及應(yīng)答RREP分組建立到sink的路由。在RREP分組轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，接收到RREP分組的普通CM節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄相關(guān)路由信息。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，借助緩存的路由信息判斷該節(jié)點(diǎn)離相鄰簇的遠(yuǎn)近程度，繼而決定數(shù)據(jù)分組是要通過(guò)CH分配的TDMA時(shí)隙來(lái)傳輸，還是直接通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)簇中的節(jié)點(diǎn)中繼傳輸。

COMUS[35]是為多媒體業(yè)務(wù)提出的分簇路由協(xié)議，它通過(guò)引入PU行為預(yù)測(cè)提升簇的穩(wěn)定性。COMUS的分簇構(gòu)建過(guò)程與DSAC類似，區(qū)別僅在于簇的合并規(guī)則不同。COMUS根據(jù)簇間距離、公共信道及其累積平均可用時(shí)間計(jì)算簇間吸引力，并選擇與吸引力最大的簇合并。COMUS的主動(dòng)路由過(guò)程與SCEEM類似，區(qū)別在于只有CH參與簇間通信。

分簇地理路由協(xié)議[36]采用與SCEEM相同的方法構(gòu)建分簇，使用TDMA與CSMA融合的MAC協(xié)議進(jìn)行簇內(nèi)、簇間通信。分簇地理路由協(xié)議根據(jù)頻譜感知信息選擇剩余能量高于給定門限、且離sink更近的節(jié)點(diǎn)為RREQ包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)CCC上RREQ包的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和sink應(yīng)答RREP包建立可選路由。最終源CH根據(jù)由通信代價(jià)和能耗不均衡度構(gòu)成的路由度量選擇最優(yōu)路由。表3分析比較分簇地理路由協(xié)議與SCEEM的異同點(diǎn)。

表3 分簇地理路由協(xié)議與SCEEM的異同點(diǎn)分析

SCEEM、COMUS和分簇地理路由協(xié)議都是為多媒體視頻業(yè)務(wù)提出的，這制約了它們的應(yīng)用范圍。構(gòu)建分簇時(shí)，SCEEM中每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要與鄰居共享感知到的空閑可用信道、每條空閑信道的平均可用時(shí)間及節(jié)點(diǎn)剩余能量等信息，信息計(jì)算和交換量大；SCEEM路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程以隨機(jī)方式進(jìn)行，沒有考慮RREQ包轉(zhuǎn)發(fā)的方向性，這些會(huì)造成RREQ包洪泛且源CH可能無(wú)法選出最優(yōu)路由；SCEEM假設(shè)只有完成當(dāng)前幀的傳輸后節(jié)點(diǎn)才會(huì)釋放信道，這會(huì)對(duì)PU傳輸造成干擾。COMUS依靠CH間的包轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)簇間通信，沒有考慮由PU行為影響導(dǎo)致的相鄰CH間可能沒有公共信道的情況。分簇地理路由協(xié)議采用與SCEEM相同的方法構(gòu)建分簇，因此也要求交換大量信息，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)能量和帶寬等資源。

4.2 事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議

事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議由特定事件觸發(fā)，在事件與sink之間的區(qū)域內(nèi)構(gòu)建分簇路由通道，事件結(jié)束后分簇也隨之消失。事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議適用于事件觸發(fā)數(shù)據(jù)匯報(bào)的CRSN應(yīng)用，有利于節(jié)省能量。

假設(shè)分簇構(gòu)建過(guò)程中空閑頻帶不變，ESAC[37]在事件與sink之間的區(qū)域內(nèi)構(gòu)建事件驅(qū)動(dòng)分簇。ESAC選取檢測(cè)事件的節(jié)點(diǎn)或離sink更近、離事件更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為構(gòu)建分簇的合法節(jié)點(diǎn)。所有合法節(jié)點(diǎn)根據(jù)檢測(cè)到的空閑可用信道數(shù)、合法鄰居節(jié)點(diǎn)度及與sink間的歐氏距離確定自己是否能成為CH。CH以最大化通過(guò)CM和簇信道可達(dá)的兩跳鄰居數(shù)為目標(biāo)來(lái)選取CM、簇信道繼而構(gòu)建簇。CH向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送簇構(gòu)建請(qǐng)求，接收請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)通過(guò)應(yīng)答加入簇。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)簇構(gòu)建請(qǐng)求時(shí)，選擇權(quán)重最大的CH加入。

mESAC[38]在ESAC基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，兩者的區(qū)別如表4所示。

ERP[39]是事件驅(qū)動(dòng)的分簇路由協(xié)議，其分簇構(gòu)建過(guò)程與ESAC類似，他們的區(qū)別如表5所示。ERP中，簇間通信是通過(guò)主、次網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。若源CH的候選網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)集合不為空，則根據(jù)候選網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、所在簇的數(shù)據(jù)信道的平均PU出現(xiàn)概率及平均空閑時(shí)間選出主網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)包傳遞給它；否則，從源簇的成員節(jié)點(diǎn)中根據(jù)相鄰候選網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)剩余能量及與sink間的歐氏距離選取分組轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的中繼將數(shù)據(jù)包傳遞給次網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)有的CRSN事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議均是在傳統(tǒng)WSN事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議基礎(chǔ)上考慮CR特性的簡(jiǎn)單優(yōu)化，沒有解決與PU信道可用性變化兼容的問(wèn)題。這類協(xié)議的共同點(diǎn)是：分簇的臨時(shí)構(gòu)建會(huì)給數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)一定的時(shí)延。ESAC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)要知道所有一跳、兩跳鄰居信息及其可用信道列表，信息交換量大。mESAC采用5個(gè)指標(biāo)加權(quán)的方法來(lái)選取CH，各指標(biāo)的權(quán)重確定很困難，文中沒有給出確切過(guò)程。ESAC和mESAC均假設(shè)預(yù)先確定的路由，這與CRSN的動(dòng)態(tài)性不兼容。ERP在選擇包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)必須知道全網(wǎng)拓?fù)渲R(shí)，這與CRSN的分布式特性沖突；每個(gè)節(jié)點(diǎn)要知道它的所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)及其位置、剩余能量、空閑信道及其PU出現(xiàn)概率和平均空閑時(shí)間等信息，信息交換量大。

表4 ESAC與mESAC的區(qū)別分析

表5 ERP與ESAC的區(qū)別分析

5 CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的開放性問(wèn)題

近年來(lái)，CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)問(wèn)題引起了學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。但是，CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的研究仍處于起步階段，協(xié)議的設(shè)計(jì)依舊沿用傳統(tǒng)WSN的核心思路，沒有充分考慮CR與WSN結(jié)合引發(fā)的獨(dú)特性。為了更好地理解CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)這一新興研究領(lǐng)域存在的開放性問(wèn)題與挑戰(zhàn)，本文將CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)尚需解決的問(wèn)題列出如下。

1) 解決混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN的非均勻分簇問(wèn)題

除了周期性的向sink發(fā)送感知數(shù)據(jù)外，CRSN節(jié)點(diǎn)也會(huì)警示sink特定事件的發(fā)生。因此，融合時(shí)間觸發(fā)與事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)匯報(bào)的混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN成為普適型CRSN。下面討論如何解決混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN的最優(yōu)非均勻分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)問(wèn)題。

混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN是一種特殊類型的CRNs，因此保護(hù)PU接入信道的優(yōu)先權(quán)、防止受到CRSN節(jié)點(diǎn)干擾是非均勻分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。這就要求最小化CRSN節(jié)點(diǎn)與PU之間的沖突?；旌蠑?shù)據(jù)匯報(bào)CRSN也是一種特殊類型的WSN，因此最小化全網(wǎng)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的另一個(gè)目標(biāo)。這就要求均衡簇內(nèi)匯聚、簇間中繼、頻譜感知、信道轉(zhuǎn)換等各種操作之間的能耗。另外，CRSN的服務(wù)目標(biāo)是提供應(yīng)用所要求的差異化QoS，尤其是滿足事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)匯報(bào)的QoS要求?，F(xiàn)有研究表明，這3個(gè)目標(biāo)是沖突的，單個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致其他目標(biāo)性能的惡化。因此，本文提出將混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN非均勻分簇構(gòu)建為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。多目標(biāo)優(yōu)化中最重要的是獲取多目標(biāo)適用度函數(shù)，最常用的方法是使用加權(quán)和形式把多個(gè)單目標(biāo)函數(shù)聯(lián)合成聚合多目標(biāo)函數(shù)[40]。但是，加權(quán)和方法需要根據(jù)具體的應(yīng)用和場(chǎng)景選取權(quán)重值，這是極具挑戰(zhàn)性的工作。因此，本文提出利用基于約束的方法[41]產(chǎn)生多目標(biāo)適用度函數(shù)。該方法將其中一個(gè)單目標(biāo)適用度函數(shù)作為要優(yōu)化的最終目標(biāo)函數(shù)，將其余單目標(biāo)適用度函數(shù)轉(zhuǎn)化成約束條件。數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示。

其中，O-fun是要優(yōu)化的基本單目標(biāo)適用度函數(shù)，MIN和MAX是單目標(biāo)適用度函數(shù)O-fun要滿足的約束條件?；诩s束的方法不引入權(quán)重值，可以使用當(dāng)前流行的多目標(biāo)增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法或多目標(biāo)演進(jìn)算法進(jìn)行求解，得到非均勻分簇的最優(yōu)簇?cái)?shù)及與相對(duì)sink位置相關(guān)的簇大小分布。當(dāng)然，受CRSN節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存容量和計(jì)算能力制約，要求選取計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)化算法。

2) 解決保護(hù)PU接入信道的優(yōu)先權(quán)問(wèn)題

保護(hù)PU接入信道的優(yōu)先權(quán)需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題。

①PU行為預(yù)測(cè)。PU行為對(duì)CRSN頻譜利用有重大影響，且很多CR相關(guān)參數(shù)取值都取決于PU行為類型?，F(xiàn)有CRN文獻(xiàn)使用各種模型來(lái)模擬PU行為，如伯努利過(guò)程、馬爾可夫更新過(guò)程、M/M/1、M/G/1等[42]。CRSN中使用最廣泛的模型是馬爾可夫更新過(guò)程，它假設(shè)PU行為遵循ON/OFF隨機(jī)過(guò)程。給定信道上PU行為在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，每種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間都是獨(dú)立的隨機(jī)變量，如圖4所示。實(shí)際上，PU行為是動(dòng)態(tài)變化且取決于位置的，需要有效地接近實(shí)際的PU行為建模才能實(shí)現(xiàn)有效的頻帶利用。CRSN節(jié)點(diǎn)可以利用時(shí)間序列分析法更好的理解頻譜可用性，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法從過(guò)去的頻譜占用歷史中學(xué)習(xí)，不斷提升PU行為預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和頻譜利用率。這方面可以借鑒CRNs的相關(guān)研究成果，但是應(yīng)注意能量開銷問(wèn)題。

圖4 ON/OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意

②頻譜感知?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多假設(shè)CRSN節(jié)點(diǎn)通過(guò)頻譜感知可以準(zhǔn)確地獲取空閑頻譜信息，而實(shí)際上頻譜感知存在假警概率f和漏檢概率m[43]。當(dāng)未感知到授權(quán)信道上的PU活動(dòng)時(shí)，CRSN節(jié)點(diǎn)可以選取該信道進(jìn)行通信，因此要求假警概率f→0以實(shí)現(xiàn)高頻譜利用；當(dāng)CRSN節(jié)點(diǎn)正在使用的授權(quán)信道上出現(xiàn)PU活動(dòng)時(shí)，CRSN節(jié)點(diǎn)應(yīng)能正確檢測(cè)并立即停止該信道上的通信或切換到其他可用信道上去以避免與PU沖突，因此要求檢測(cè)概率d→1，即漏檢概率m→0。CRSN節(jié)點(diǎn)的單收發(fā)信機(jī)約束會(huì)導(dǎo)致以下情況的發(fā)生：正在傳輸數(shù)據(jù)的CRSN節(jié)點(diǎn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)授權(quán)信道上突然出現(xiàn)的PU。CRSN節(jié)點(diǎn)勢(shì)必會(huì)繼續(xù)進(jìn)行通信直到下一個(gè)頻譜感知時(shí)刻，這會(huì)造成與PU傳輸沖突。因此，本文提出以保障與PU沖突概率滿足系統(tǒng)最低要求為目標(biāo)來(lái)選取專門負(fù)責(zé)感知頻譜、不執(zhí)行數(shù)據(jù)匯報(bào)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。這些鄰近節(jié)點(diǎn)彼此協(xié)作，當(dāng)檢測(cè)到授權(quán)信道上的PU活動(dòng)時(shí)，立即通知CH進(jìn)行信道切換。

3) 解決保障CRSN多媒體業(yè)務(wù)及時(shí)延敏感業(yè)務(wù)QoS的路由問(wèn)題

監(jiān)控環(huán)境的日益復(fù)雜化要求使用音頻、視頻、圖片等多媒體信息及時(shí)延敏感數(shù)據(jù)提升環(huán)境感知能力和環(huán)境事件描述能力。這些多媒體業(yè)務(wù)及時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)通常在帶寬、時(shí)延、吞吐量等方面有較高要求。因此，多媒體業(yè)務(wù)及時(shí)延敏感業(yè)務(wù)需要依賴有效的路由協(xié)議選取穩(wěn)定的、資源豐富的路徑，保證其QoS要求得到滿足。

信道綁定（CB, channel bonding）技術(shù)具有提升帶寬、最小化端到端時(shí)延、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量等優(yōu)勢(shì)，適合傳輸要求高帶寬、時(shí)延非容忍的多媒體業(yè)務(wù)及時(shí)延敏感業(yè)務(wù)。CB將連續(xù)的非重疊信道聯(lián)合起來(lái)形成一條高帶寬信道。完成數(shù)據(jù)傳輸后，信道可以解綁并被不同用戶使用[44]。CB是短時(shí)間內(nèi)大塊數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)突發(fā)）傳輸問(wèn)題的有效解決方案，適用于CRSN[45]。目前CRSN的CB研究尚處于起步階段，為實(shí)現(xiàn)有效CB還需解決以下問(wèn)題。

①保護(hù)頻帶間隔選取。為避免對(duì)相鄰的PU或CRSN傳輸造成鄰信道干擾，綁定信道兩側(cè)要求留出保護(hù)頻帶。保護(hù)頻帶間隔的選取應(yīng)保證盡量避免鄰信道干擾且能充分利用帶寬。本文提出根據(jù)授權(quán)信道的頻譜特性，參考無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中部分重疊信道之間重疊度的計(jì)算[46]來(lái)確定保護(hù)頻帶間隔。

②合理選取綁定信道及對(duì)應(yīng)的調(diào)制編碼機(jī)制。應(yīng)用CB時(shí)，所有綁定信道選擇統(tǒng)一的調(diào)制編碼機(jī)制，即所有綁定信道都采用相同的傳輸速率。現(xiàn)有研究表明當(dāng)各信道之間的信干噪比（SINR, signal to interference plus noise ratio）差異較大時(shí)，系統(tǒng)吞吐量性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，在保證目標(biāo)誤包率的條件下，本文提出根據(jù)綁定信道塊的SINR值及各綁定信道SINR值的差異，選取合理的綁定信道及對(duì)應(yīng)的調(diào)制編碼機(jī)制。另外，簇間通信通常采用CSMA MAC協(xié)議。為防止多速率性能異常問(wèn)題的發(fā)生，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)不可避免時(shí)，應(yīng)盡量使傳輸速率相同或相近的鏈路共享相同信道或綁定信道塊。

③確定信道綁定規(guī)模。CB方面的研究表明信道綁定規(guī)模不宜太大，一般取為2或3。將相同發(fā)送功率分布到加倍帶寬上時(shí)，對(duì)應(yīng)的信噪比會(huì)減半，這樣會(huì)影響傳輸距離。另一方面，低功率又會(huì)使節(jié)點(diǎn)間的干擾降低。因此，需要進(jìn)一步研究信道綁定規(guī)模與能耗、干擾之間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)信道綁定規(guī)模的自適應(yīng)選取。

4) 解決精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)能耗建模問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)能耗模型決定求解出的最優(yōu)簇?cái)?shù)是否準(zhǔn)確。本文提出建立精細(xì)化的CRSN跨層網(wǎng)絡(luò)能耗模型，根據(jù)每類節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的具體功能計(jì)算全網(wǎng)能耗。例如需要分別分析CH、普通CM、專門負(fù)責(zé)頻譜感知的節(jié)點(diǎn)的能耗組成及每類節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。根據(jù)系統(tǒng)的PU最高沖突容忍門限確定每個(gè)簇內(nèi)專門負(fù)責(zé)頻譜感知的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，則每個(gè)簇中普通CM節(jié)點(diǎn)數(shù)量為（簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)?1?）個(gè)。另外，簇間通信用于相鄰簇間的分組轉(zhuǎn)發(fā)。若相鄰CH共享相同信道，簇間通信可以通過(guò)CH間的分組轉(zhuǎn)發(fā)完成；當(dāng)然，簇間通信也可以通過(guò)共享相同信道的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。因此，需要進(jìn)一步研究簇間通信方式的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，確定最終的全網(wǎng)能耗模型。

5) 解決要求全網(wǎng)范圍內(nèi)的專用CCC問(wèn)題

現(xiàn)有的CRSN分簇路由協(xié)議通常假設(shè)一直在線的專用CCC，即存在全網(wǎng)范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)一直可用的CCC用于交換頻譜相關(guān)的信息及協(xié)調(diào)傳輸。它可以是為CCC使用預(yù)留的授權(quán)頻帶信道，也可以是非授權(quán)頻帶信道。這種假設(shè)可以極大地簡(jiǎn)化CCC的操作，它能最小化PU行為引起的CCC中斷[47]。但是，這種全網(wǎng)范圍內(nèi)的專用CCC存在以下問(wèn)題。

①PU行為會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的可用頻譜資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的可用信道隨時(shí)間和地點(diǎn)變化。尤其在大規(guī)模CRSN中，很難找到一條全網(wǎng)范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均可用的CCC。另外，CCC信息的分布式收集和傳輸需要網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)重復(fù)的信息洪泛，這會(huì)造成能量等網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

②數(shù)據(jù)分組和控制消息分開在不同信道上傳輸，這就要求CRSN節(jié)點(diǎn)的單收發(fā)信機(jī)在控制信道和數(shù)據(jù)信道之間頻繁的轉(zhuǎn)換。頻繁的信道轉(zhuǎn)換會(huì)引入較大時(shí)延和能量開銷，且在信道轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)不接收到達(dá)的任何分組。

③隨著網(wǎng)絡(luò)中CRSN節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，需要交換的控制信息量增多，可能會(huì)引起專用CCC飽和，導(dǎo)致CCC上的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行；由于所有的控制消息都在專用CCC上交換，網(wǎng)絡(luò)很容易受到攻擊，例如CCC上的堵塞攻擊可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行失敗[48]。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期，CRSN節(jié)點(diǎn)無(wú)法提前獲知信道質(zhì)量、PU行為觀測(cè)結(jié)果、信道可接入時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等信息。在沒有這些網(wǎng)絡(luò)信息交換或有最少的網(wǎng)絡(luò)信息交換條件下，CCC的選取是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[49]提出了在沒有全網(wǎng)范圍內(nèi)及局部CCC條件下基于首要信道的CRSN多信道廣播協(xié)議。每個(gè)節(jié)點(diǎn)從可用信道列表中隨機(jī)選取一條首要信道，并通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)間的兩次握手修正首要信道。發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)整到接收節(jié)點(diǎn)的固定首要信道上完成數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際上，鄰近的CRSN節(jié)點(diǎn)可能會(huì)共享頻譜，在簇范圍內(nèi)找到CCC的概率是極高的。因此，需要進(jìn)一步探索和研究分簇CRSN中最小化開銷的局部CCC建立機(jī)制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有CRSN分簇路由協(xié)議進(jìn)行分類綜述。通過(guò)綜述分析得出如下結(jié)論：1) 現(xiàn)有CRSN分簇路由協(xié)議研究主要集中在均勻分簇方面，對(duì)非均勻分簇研究很少，而非均勻分簇有利于實(shí)現(xiàn)CH間能耗均衡，避免產(chǎn)生能量空洞；2) 現(xiàn)有CRSN分簇路由協(xié)議研究主要聚焦在時(shí)間觸發(fā)分簇路由協(xié)議，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)分簇路由協(xié)議研究較少，這兩種數(shù)據(jù)匯報(bào)模型可能共存于CRSN中，目前尚無(wú)混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN分簇路由協(xié)議研究報(bào)道；3) 現(xiàn)有CRSN分簇路由協(xié)議研究均假設(shè)使用全網(wǎng)范圍內(nèi)專用CCC進(jìn)行控制信息交換，但是這種假設(shè)存在很多問(wèn)題。本文也探討了CRSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的開放性問(wèn)題及研究趨勢(shì)，包括解決混合數(shù)據(jù)匯報(bào)CRSN非均勻分簇問(wèn)題、保護(hù)PU接入信道優(yōu)先權(quán)問(wèn)題、多媒體業(yè)務(wù)及時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的QoS路由問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)能耗建模問(wèn)題、要求全網(wǎng)范圍內(nèi)專用CCC問(wèn)題等。

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Survey on cluster-based routing protocols for cognitive radio sensor networks

WANG Jihong1, SHI Wenxiao2

1. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China 2. College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

Routing protocols could achieve efficient convergecast transmission of sensed data in cognitive radio sensor network (CRSN), and it is of vital importance for the whole network performance. In particular, cluster-based routing protocols could further lower routing selection complexity and improve scalability. Therefore, an overview of cluster-based routing protocols for CRSN was provided. Firstly, after a brief introduction to the concept and advantages of clustering in CRSN, the major factors concerning clustering algorithm design were pointed out. Secondly, the challenges faced by routing protocol design in CRSN and basic design principles were explored. Thirdly, the previous work of cluster-based routing protocols for CRSN was systematically analyzed and summarized. Finally, issues that require urgent solutions and future research directions were suggested.

cognitive radio sensor network, clustering, routing protocol, channel assignment, cross-layer

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018244

王繼紅（1986?），女，遼寧營(yíng)口人，博士，東北電力大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由與資源分配等。

石文孝（1960?），男，黑龍江哈爾濱人，博士，吉林大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線資源管理技術(shù)、mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線光通信。

2018?02?01；

2018?06?22