認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

張同 王欽為 劉杰

【摘 要】本文討論分析了無線自組織網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的背景，詳細(xì)介紹了認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)特點，研究和設(shè)計了無線自組織的網(wǎng)絡(luò)。針對多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)中路由不穩(wěn)定且效率低的問題，提出了基于多路徑路由發(fā)現(xiàn)及最優(yōu)路由選擇的方法，設(shè)計了離線計算與在線計算結(jié)合的方式，從而提高了路由選擇策略計算效率。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)；多徑路由；路由選擇

認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的需求已經(jīng)從兩跳、單跳擴(kuò)展到多跳，建立高效、穩(wěn)定的路由在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中次用戶網(wǎng)絡(luò)的目的端和源端之間成為網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在動態(tài)頻譜認(rèn)知的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，次用戶可靠路由的建立，多跳數(shù)據(jù)傳輸需求的滿足，數(shù)據(jù)傳輸效率目標(biāo)的提高，成為網(wǎng)絡(luò)層在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵的問題。

一、技術(shù)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)認(rèn)知自組網(wǎng)是基于基礎(chǔ)設(shè)施的輔助，維護(hù)簡單，但在頻帶選擇上非常受限，并隨時面臨專用公共控制信道不可用的情況，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)失去控制。

為了清晰、全面的理解路由策略在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計需要，下面從網(wǎng)絡(luò)、次用戶和信道三個方面來詳細(xì)分析路由策略設(shè)計在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

（一）信道方面

首先，很多個因素變化可以導(dǎo)致信道可用性在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生變化，包括地理位置（次用戶）、對于信道的使用情況（主用戶）和空閑的信道數(shù)的變化。因此，在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由過程中，次用戶發(fā)現(xiàn)主用戶在其需要的頻譜上，將會發(fā)生信道的切換，信道動態(tài)變化造成鏈路的失效，同時還可能引入信道競爭在次用戶之間，從而路由維護(hù)開銷需要額外增加；其次，由于多種多樣認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)的信道，次用戶所使用不同增益的信道，造成次用戶在選擇不同的信道時存在較大數(shù)據(jù)傳輸時速率的差異；最后，由于次用戶在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)頻譜中的環(huán)境，因此對于次用戶節(jié)點來說，接入頻譜的可用性影響到路由的發(fā)現(xiàn)過程。

（二）次用戶方面

首先，在頻譜使用上授權(quán)的主用戶享有優(yōu)先權(quán)，次用戶由于存在信道切換時延和釋放頻譜等待時延（主用戶），路由策略在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)上需要滿足一下要求，信道切換的最小化時延和端到端服務(wù)質(zhì)量等待時延。其次，由于次用戶在網(wǎng)絡(luò)中處理速度和傳輸功率等能力的差異，用戶次數(shù)的有限性會阻礙端到端的整體性能；最后，次用戶的移動性方面，次用戶的移動速度影響到信道的接入時間，速度越快接入時間越短，信道的切換次數(shù)越多，從而消耗更多的信道資源，次用戶的移動時間太快，并且無法預(yù)測，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的下降，并且干擾到主用戶。

（三）網(wǎng)絡(luò)方面

首先，要衡量跳數(shù)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，次用戶距離太長主用戶的干擾也越大，鏈路也會頻繁的失效，從而消耗更多的能量和維護(hù)路由成本的增加。其次，在發(fā)現(xiàn)路由、選擇路由、維護(hù)路由和傳輸數(shù)據(jù)包方面都會消耗不同程度的能量。最后，路由自適應(yīng)和高效的恢復(fù)機(jī)制對認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)十分重要。

對認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，不穩(wěn)定底層頻譜資源，高成本的頻繁信道切換造成消耗等問題，需要設(shè)計高效、穩(wěn)定、合理的認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制。

二、多路徑路由協(xié)議設(shè)計

多路徑路由可以通過引入AOMDV路由協(xié)議在次用戶源端（S）和目的端（D）之間來建立多路徑路由。

分為發(fā)現(xiàn)路由、選擇路由和反饋路由三個階段：

發(fā)現(xiàn)路由：發(fā)生在信道上的源端次用戶鄰居節(jié)點間。用于判斷相鄰節(jié)點之間是否存在干擾關(guān)系。

路由選擇主要在目的端節(jié)點進(jìn)行。通過計算，獲得多條可達(dá)的路由路徑。

路徑反饋發(fā)生在自組織網(wǎng)絡(luò)的目的端節(jié)點上。反饋節(jié)點的下一個節(jié)點和所以使用的下一個信道。

三、多路徑路由建模

在圖1場景中，同時存在主用戶網(wǎng)絡(luò)和次用戶網(wǎng)絡(luò)，并共享一段授權(quán)頻譜。其中，主用戶網(wǎng)絡(luò)對于授權(quán)頻譜享有優(yōu)先使用權(quán)，次用戶網(wǎng)絡(luò)采用自組織網(wǎng)絡(luò)形式組網(wǎng)，對于授權(quán)頻譜進(jìn)行探測，當(dāng)授權(quán)頻譜空閑時接入。

次用戶網(wǎng)絡(luò)采用多路徑傳輸模式。其中S和D分別表示數(shù)據(jù)發(fā)送源端和目的端，與之共存的主用戶網(wǎng)絡(luò)中存在正在傳輸?shù)闹饔脩舭l(fā)射端和接收端以及處于空閑狀態(tài)的主用戶，當(dāng)主用戶與次用戶使用相同信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)吋，必然導(dǎo)致如虛線所示的干擾。

四、選擇路由機(jī)制

在選擇動態(tài)路由之前，必須構(gòu)建備選的集合路由。而后，通過離線方式進(jìn)行路徑優(yōu)先級索引的計算，而選擇路由則通過優(yōu)先級索引進(jìn)行在線方式的動態(tài)選擇。

（一）建立路由備選集階段

節(jié)點在認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的能量是有限的，如果數(shù)據(jù)在所有路徑上發(fā)送，會造成數(shù)據(jù)高效傳輸節(jié)點上的能量無法使用，從而浪費了頻譜資源和節(jié)點能量。因此，需要選擇路由，挑選發(fā)送數(shù)據(jù)的最優(yōu)多徑路由。

（二）選擇路由階段

自組織網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)可利用的節(jié)點頻譜和能量的消耗情況，動態(tài)選擇多條路徑進(jìn)行發(fā)送。通過本路徑和其它路徑的信息計算值，來確定在什么時刻進(jìn)行路徑的激活。分為離線和在線兩個階段。

離線階段：根據(jù)各路徑上中間節(jié)點的頻譜可用性、無線信道狀態(tài)以及能量狀態(tài)，確立各動態(tài)因素的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

在線計算：當(dāng)認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中源端次用戶需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，備選路徑的第一跳節(jié)點將存儲的優(yōu)先級索引按照升序進(jìn)行排序，如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)該路徑屬于前個之一，則激活該路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

由于索引的計算和存儲采用離線方式，而對于路徑的選擇僅需使用在線方式查找索引列表，優(yōu)化問題的整體計算量得到精簡。同時由于該索引的計算方式并非集中式計算，機(jī)制具有良好的可擴(kuò)展性。

五、小結(jié)

本文對認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)中多路徑路由能效較低的問題，對動態(tài)最優(yōu)路由選擇問題進(jìn)行理論建模，實現(xiàn)了最小化認(rèn)知無線自組織網(wǎng)絡(luò)源端目的端傳輸時延和最大化能量使用效率方面性能的折衷，通過計算路徑索引列表確定多路徑路由激活策略，并設(shè)計了離線計算與在線計算結(jié)合的方式，從而提高了路由選擇策略計算效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王傳臣，張潤彤，李丹丹等認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的擁塞規(guī)避多徑路由算法，電子學(xué)報，39（8），2011，pp.1858-1863

[2] 劉權(quán)，趙光勝，王曉東等.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)信道交匯研究綜述[J].軟件學(xué)報，2014，25（3）：000606-630

[3 ]胡富平.基于能量檢測的認(rèn)知無線電協(xié)作頻譜檢測研究[D].華中科技大學(xué)，2010

[4] 鐘紅艷.基于認(rèn)知無線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多用戶接入及通信調(diào)度的研究[D].南京郵電大學(xué)

[5] 彭盛亮.無線頻譜環(huán)境授權(quán)用戶檢測研究[D].東南大學(xué)，2011.