認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于路徑容量的路由*

龍 飛，任勇軍

（1.長春師范大學(xué)教育學(xué)院，長春 130000；2.南京信息工程大學(xué)計算機與軟件學(xué)院，南京 210044）

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)和應(yīng)用的快速發(fā)展，可用的多數(shù)頻譜已分配給不同的已注冊無線電網(wǎng)絡(luò)（primary radio networks，PRNs）。然而，聯(lián)邦通信協(xié)會調(diào)查顯示，傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略會引起低的頻譜利用率。認(rèn)知無線電被認(rèn)為是提高頻譜利用率的有效技術(shù)。

在現(xiàn)存的CR 網(wǎng)絡(luò)（CRNs）中，多數(shù)通信協(xié)議是假定CRNs 中設(shè)備采用半雙工（half-duplex，HD）收發(fā)器。在基于HD 的CRNs 中，設(shè)備能夠同時傳輸或接收，原因在于：目前研究人員認(rèn)為，由于自身干擾（self-interference，SI）問題，一個無線設(shè)備不可能同時傳輸和接收數(shù)據(jù)。

針對SI 問題，目前研究人員也提出不同的消除算法，這些算法也稱為SI 抑制（SI suppression，SIS）技術(shù)?，F(xiàn)存的SIS 技術(shù)可分為兩類：1）RF 干擾消除；2）數(shù)字基帶干擾消除。SIS 技術(shù)要求無線設(shè)備采用雙向通信，即全雙工（full-duplex，F(xiàn)D）通信。FD收發(fā)器通過結(jié)合多類算法，如隔離干擾，能夠緩解干擾。

此外，引入CRNs，F(xiàn)D 通信可提高頻譜利用率，或增加CRNs 吞吐量。具體而言，在傳輸數(shù)據(jù)時，允許認(rèn)知無線電用戶感測主無線電（primary radio，PR）信道，一旦發(fā)現(xiàn)空閑信道，便可接入。這種分享信道方式提高了頻譜利用率。其次，采用FD 通信，使用戶能同時傳輸、接收數(shù)據(jù)包，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

在FD 通信中，允許在不同的信道中同時傳輸、接收數(shù)據(jù)。而信道分配和路由方案是FD 通信的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［13-14］針對多跳CRNs 提出了不同路由協(xié)議，然而，多數(shù)路由協(xié)議是面向基于HD 的CRNs（HD-CRNs），而并沒有針對FD-CRNs 網(wǎng)絡(luò)提出路由策略和信道分配方案。

為此，針對FD-CRNs 網(wǎng)絡(luò)，分析了信道分配和路由選擇問題，并提出基于路徑容量路由（path capacity-based routing，PCR）協(xié)議。PCR 協(xié)議依據(jù)路徑容量選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑。在分配信道時，使每條路徑容量最大，進(jìn)而提高吞吐量，同時降低對信道要求，使所需的信道數(shù)最少。實驗數(shù)據(jù)證實了PCR 路由性能。

1 系統(tǒng)模型

2 PCR 路由協(xié)議

設(shè)計PCR 路由的目的就是使得每條路徑中使用的不同信道數(shù)最少。首先，將信道分配問題轉(zhuǎn)化為二值線性規(guī)劃（binary linear programming，BLP），再用SELP 算法求解，然后利用路徑容量選擇路徑。

2.1 FD 通信策略

圖1 顯示了一段4 跳路徑。雙向箭頭表示節(jié)點能夠完成雙向通信。假定給節(jié)點A 向節(jié)點B 傳輸（A→B）時，分配信道Ch1。為了避免干擾，下一跳的傳輸信道應(yīng)與上一跳的傳輸信道不同，因此，給B→C 分配信道Ch2，依此類推，給C→D 分配信道Ch3。而對于D→E 的鏈路，無需再分配新的信道，可將Ch1 分配給D→E，原因在于：接收節(jié)點A 和B 不在節(jié)點D 的通信范圍內(nèi)。類似，節(jié)點E 的下一段鏈路可重新分配Ch2。

圖1 CRN 內(nèi)的一段4 跳路徑

2.2 路徑容量

路徑容量可定義為式（3）。C表示路徑p 的路徑容量、N表示允許使用不同信道數(shù)的最大跳數(shù)。

式中，N小于N。實質(zhì)上，尋找最佳路徑p就是使此路徑的C值趨于R。

2.3 路徑集的建立

2.4 信道分配

最小化式（7）目標(biāo)函數(shù)等價于最小化不同信道數(shù)。因此，對于給定路徑p，CRNs 的信道分配問題可表述為：

第1 個約束條件（式（11））保證每一跳可準(zhǔn)確地分配1 條信道；第2 個約束條件阻止不同跳間的分時，進(jìn)而為最大化C提供條件。

2.5 基于二次規(guī)劃的求解

最終，將式（10）轉(zhuǎn)換成了BLP 問題。再引用多項式時間- 次優(yōu)序列的線性規(guī)劃（polynomial-time suboptimal sequential fixing linear programming，SFLP）算法［16］求解，進(jìn)而得到信道的最優(yōu)分配方案。

2.6 路由選擇

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

為了更好地比較PCR 路由性能，選擇貪婪（Greedy）算法作為參照，并比較它們的性能。Greedy算法是指在每一跳均采用序貫法（sequential method）分配信道，其并沒有考慮到上一跳、下一跳的所分配的信道。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 使用的信道平均數(shù)

首先分析使用的信道平均數(shù)（average number of used channels，ANUCs），其中，P從0.1 變化至0.9，如圖2 所示。

從圖2 可知，提出的PCR 路由的ANUCs 遠(yuǎn)低于Greedy 算法。例如在P=0.6，N=4，M=10 時，Greedy算法的ANUCs 達(dá)到3.8，而PCR 路由的ANUCs 低至3.05。此外，不難發(fā)現(xiàn)，PCR 路由的ANUCs 隨P增加呈下降趨勢，而Greedy 算法的ANUCs 不隨P變化。原因在于Greedy 算法在分配信道時，并沒有考慮到上一跳、下一跳鏈路所分配的信道。

圖2 使用信道的平均數(shù)

此外，M 的增加提高Greedy 算法的ANUCs，而PCR 路由的ANUCs 隨M 的增加有下降趨勢，但下降幅度很小，并且隨著P的增加逐漸相等。

對比圖2（a）和圖2（b）可發(fā)現(xiàn)，P增加ANUCs。由于P表示空閑概率，其值越大，說明CR 可以使用的信道數(shù)就越多，進(jìn)而增加了ANUCs。

3.2.2 吞吐量

圖3 顯示了P對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。從圖3 可知，相比于Greedy 算法，PCR 路由的吞吐量得到較大提高。并且吞吐量隨P的增加而上升，這主要是因為P越大，說明網(wǎng)絡(luò)內(nèi)供給無線電用戶使用的信道數(shù)越多，或者是可使用的時間越長，這有利于吞吐量的增加。

圖3 吞吐量

4 結(jié)論

路由和信道分配是多跳CRNs 的挑戰(zhàn)技術(shù)，然而現(xiàn)存的路由策略并沒有考慮到FD 和SIS 問題。為此，提出基于路徑容量的路由PCR。PCR 路由在最大化路徑容量時，減少使用的不同信道數(shù)。將信道分配問題轉(zhuǎn)化BQPs 問題，然后利用SFLP 求解，最終選擇具有大路徑容量的路徑傳輸數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表明，提出的PCR 路由降低了對信道要求，并提高了吞吐量。