0 引言

    目前，頻譜資源稀缺問題越來越被受到重視。認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術^[1]的提出使得頻譜資源可以通過動態(tài)的分配而得到更充分利用。動態(tài)頻譜接入所帶來的頻譜在時間和空間上的間斷性，使得認知無線電網(wǎng)絡中的路由呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的特點，在研究方法上更是需要在以往路由設計思路上做出適應性的改變。

    針對認知環(huán)境下的路由問題，國內(nèi)外學者提出了一些算法。文獻[2]提出的SSRP算法從頻譜異構性和節(jié)點移動方面考慮，引入網(wǎng)絡連通性和最弱鏈路持續(xù)時間，由于最弱鏈路持續(xù)時間需要計算節(jié)點移動方向、速度等，對節(jié)點定位功能有較高的要求。文獻[3]重點研究了節(jié)點移動對網(wǎng)絡性能的影響，并引入馬爾科夫狀態(tài)預測，在選擇路徑前預判節(jié)點的相對位置，削弱節(jié)點移動對路由的破壞，此算法在信道切換方面考慮不足，沒有充分利用頻譜資源。文獻[4]依據(jù)DSR路由協(xié)議，提出了聯(lián)合路由和信道分配算法，在路由回復階段進行信道分配，簡化了算法，但信道分配的實時性不夠強。

    為了更好地適應動態(tài)頻譜環(huán)境，提高路由穩(wěn)定性，本文提出了實時信道分配的路由協(xié)議。該協(xié)議在數(shù)據(jù)的傳輸階段引入了IN MESSAGE數(shù)據(jù)包，IN MESSAGE數(shù)據(jù)包在相鄰節(jié)點間傳遞，為路由節(jié)點傳遞周邊頻譜環(huán)境的動態(tài)變化。這樣，路由的中間節(jié)點可以通過實時的信道分配避免與授權用戶的沖突，減少路由錯誤的發(fā)生。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡模型

    假設在一個認知Ad Hoc網(wǎng)絡中有N個認知用戶（SU）和M個授權用戶（PU）。每個授權用戶占用一個授權信道，記授權信道的帶寬分別為W₁，W₂，…，W_M，授權用戶按照自身業(yè)務需求使用其授權信道。為了不對授權用戶的數(shù)據(jù)傳輸造成影響，認知用戶n只能選擇性地接入機會頻譜SOP。所謂的機會頻譜是指認知用戶n處在授權用戶m的傳輸范圍外，因而可接入的信道c_m或者認知用戶n處在授權用戶m的傳輸范圍內(nèi)，但授權用戶m當前沒有傳輸數(shù)據(jù)而空閑出來的信道c_m，多數(shù)情況下，認知用戶可接入的SOP信道不止一個。

1.2 路由的度量

    網(wǎng)絡中，授權用戶對信道的使用服從ON-OFF模型^[5]，α_m為授權用戶m對信道c_m的占用率：

    只有當信道c_m對節(jié)點n和n+1同時可用時，它們之間才能相互通信，所以信道c_m對鏈路(n，n+1)的可用概率為：

    假設從源節(jié)點到目的節(jié)點的某路由共有H跳，n=0代表源節(jié)點，n=H代表目的節(jié)點，本文記U為路由的度量值：

    該路由度量綜合考慮了信道帶寬、路由跳數(shù)以及信道的可用性。對不同的路徑而言，U值越小，路由的綜合性能越好。假設從源節(jié)點到目的節(jié)點有K條路徑可選，則目標路由選擇條件為：

1.3 路由過程中的信道分配

    認知無線電路由屬于多信道環(huán)境的路由，路由的過程不僅要進行路徑選擇，而且要對每個鏈路進行信道分配。為了避免對授權用戶造成影響，同時提高認知用戶間路由的穩(wěn)定性，當某鏈路擁有多個可用信道時，信道選擇的方法是選取具有最大可用概率的信道：

    P_{(n，n+1)}為信道分配后鏈路(n，n+1)的穩(wěn)定性概率，鏈路的穩(wěn)定性關系到整條路由的可用性。如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于授權用戶的出現(xiàn)，導致信道不可用，認知用戶就必須停止發(fā)送，進行等待，或者重新建立路由，這樣就會增加時延，并增大系統(tǒng)開銷，所以需要盡量保證每條鏈路具有較高的穩(wěn)定性。由于認知無線電網(wǎng)絡頻譜的動態(tài)性，固定的信道分配方式缺乏靈活性和實時性，所以本文提出了實時的信道分配路由協(xié)議。

2 實時信道分配路由協(xié)議

2.1 數(shù)據(jù)包格式

    RT-CAR協(xié)議中主要有RREQ、RREP以及IN MESSAGE　3種數(shù)據(jù)包。

    圖1為RREQ數(shù)據(jù)包的結構。

    RREP數(shù)據(jù)包和IN MESSAGE數(shù)據(jù)包的結構如圖2和圖3所示。

    圖3中PU-Freq.表示某時刻檢測到授權用戶使用的授權信道，α_m指該授權用戶的活動概率。

2.2 路由建立

    (1)源節(jié)點S將自身的PAL信息寫入RREQ數(shù)據(jù)包內(nèi)，同時將U值設置為0，然后向周圍節(jié)點廣播該RREQ包。

    (2)節(jié)點處理RREQ的算法：

    根據(jù)式(3)~式(5)計算源節(jié)點到本節(jié)點的度量U值。

If 本節(jié)點是目的節(jié)點

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值，記錄該路由，開啟定時器

  Else 

    If  U小于記錄值

        更新記錄值U，記錄該路由

    Else 丟棄該RREQ

  End

End

If 本節(jié)點不是目的節(jié)點

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值，更新RREQ，繼續(xù)廣播該RREQ

  Else 

    If  U小于記錄值。

        1.更新記錄值U，更新RREQ

        2.繼續(xù)廣播該RREQ

    Else

        丟棄該RREQ

  End

End

    其中對RREQ的更新包括更新數(shù)據(jù)包中的PAL、TTL、R-Table以及U值。

    (3)當目的節(jié)點設定的定時器到時之后，目的節(jié)點不再接收RREQ，而將生成RREP數(shù)據(jù)包，將其收到的具有最優(yōu)度量值的路徑寫入RREP數(shù)據(jù)包的R-Table當中，并將自身的PAL列表寫入數(shù)據(jù)包，然后沿反向單播至源節(jié)點。在RREP的傳播過程中，路由中間節(jié)點收到RREP時，將記錄數(shù)據(jù)包中的來自下一跳節(jié)點的PAL列表信息，同時將自身的PAL列表更新到RREP中。

    (4)源節(jié)點收到來自目的節(jié)點的RREP消息后，建立起路由然后進入數(shù)據(jù)傳輸階段。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

    圖4是數(shù)據(jù)傳輸階段中間節(jié)點的流程圖。在此階段中間節(jié)點主要有兩個任務：一是維護PAL列表，包括自身的PAL列表和其下一跳節(jié)點的PAL列表；二是轉發(fā)數(shù)據(jù)。

    向源節(jié)點回復RREP消息時，路由中間節(jié)點記錄了自身的上一跳節(jié)點和下一跳節(jié)點的節(jié)點ID，以及其下一跳節(jié)點的PAL列表信息。在數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點根據(jù)自身記錄的PAL列表信息用式(7)進行信道的分配，選擇當前最穩(wěn)定的信道作為傳輸信道。數(shù)據(jù)傳輸過程中，若某節(jié)點感知到某授權用戶的出現(xiàn)，則更新自身的PAL列表信息，并發(fā)送IN MESSAGE至其上一跳節(jié)點。而當某個節(jié)點接收到其下一跳節(jié)點的IN MESSAGE時，就根據(jù)IN MESSAGE的內(nèi)容更新其對下一跳節(jié)點PAL列表信息的記錄。為保證時效性，節(jié)點所維護的PAL列表信息每隔一段時間τ就自動更新一次，若節(jié)點在這段時間內(nèi)沒有檢測到授權用戶m的活動，就將PAL列表中的PA_m置為1，直到節(jié)點再次檢測到m的出現(xiàn)時，PA_m值被更新為1-α_m。

    當數(shù)據(jù)包傳送至節(jié)點n時，節(jié)點n首先確定其上一跳節(jié)點發(fā)送時所用的信道c_m，如果此時檢測到授權用戶m的出現(xiàn)，則向上一跳節(jié)點發(fā)送RRER消息，使其停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果未檢測到m的活動，則節(jié)點接收該數(shù)據(jù)包并將其轉發(fā)至下一跳節(jié)點。在轉發(fā)數(shù)據(jù)時節(jié)點n根據(jù)自身所維護的PAL列表信息，利用式(7)選擇信道進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。由于PAL列表隨著網(wǎng)絡環(huán)境的變化不斷被更新，所以信道的選擇也是隨著網(wǎng)絡環(huán)境的變化而不同的，這種信道的分配方式更具時效性，這在一定程度上避免了因網(wǎng)絡環(huán)境的動態(tài)性而導致的路由失效。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

    采用OPNET軟件對本文提出的協(xié)議進行仿真驗證，具體仿真參數(shù)如表1所示。

    為了對比，本文對3種協(xié)議進行了仿真，包括DSR動態(tài)源路由協(xié)議^[7]，PUB-JRCA基于授權用戶行為的路由和信道分配協(xié)議^[4]和本文提出的RT-CAR實時信道分配路由協(xié)議。

3.2 分組投遞率

    分組投遞率指目的節(jié)點接收到的分組數(shù)和源節(jié)點發(fā)送的分組數(shù)之比，反映了數(shù)據(jù)分組投遞成功的概率。授權用戶的活動造成路由失效是數(shù)據(jù)包丟失的主要原因，圖5和圖6分別反映了授權用戶活動概率和分組到達時間間隔對分組投遞率的影響。圖5中PU1、 PU3對應的活動概率分別為0.1和0.2，平均分組到達時間間隔為0.5 s。圖6中PU1、PU2、PU3的活動概率分別是0.1、0.2、0.3，平均分組到達時間間隔從0.01 s遞增至0.1 s。

    從圖5中可以看出，分組投遞率隨著PU2活動概率的增加而減小，這是因為授權用戶2的頻繁活動降低了路由的穩(wěn)定性，同時使得信道c2對認知用戶而言變得不可用。路由穩(wěn)定性的降低以及信道資源的減少導致了分組投遞率的降低。從圖6可以看出隨著平均分組到達時間間隔的增大，分組投遞率趨于穩(wěn)定。而從3種協(xié)議的對比來看，無論在不同的授權用戶活動概率下，還是在不同的分組到達時間間隔下，PUB-JRCA與RT-CAR協(xié)議都明顯優(yōu)于DSR，這是由于DSR路由協(xié)議建立路由時沒有考慮授權用戶活動對路由穩(wěn)定性的影響而造成的。而從RT-CAR和PUB-JRCA的對比來看，由于RT-CAR協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段加入了實時的信道分配，路由過程中信道的選擇不只依賴于路由建立時的決策，信道的分配更具適應性，因此在分組投遞率的表現(xiàn)上RT-CAR協(xié)議更優(yōu)一些。

3.3 路由重建次數(shù)

    路由的錯誤次數(shù)指源節(jié)點收到的RRER數(shù)據(jù)包的數(shù)量。路由錯誤的次數(shù)越多，需要重建路由的次數(shù)就越多，引起的丟包率也就越大。圖7和圖8反映了3種協(xié)議平均每小時內(nèi)路由重建次數(shù)的對比。可以看出隨著分組到達時間間隔的增大，路由的重建次數(shù)趨于穩(wěn)定，而隨著PU2活動概率的增大，路由的重建次數(shù)也在增大。從對比來看RT-CAR協(xié)議的路由重建次數(shù)最少，這是因為在數(shù)據(jù)傳輸階段實時的信道分配避免了一部分路由錯誤的發(fā)生，從而減少了路由重建的次數(shù)，提升了路由的穩(wěn)定性。

4 結論

    本文提出的實時信道分配路由協(xié)議，考慮到了認知無線電網(wǎng)絡中頻譜的動態(tài)性對路由的影響。通過在路由建立之后引入IN MESSAGE數(shù)據(jù)包，在鄰居節(jié)點間傳遞認知用戶頻譜環(huán)境的變化情況，改變了只在路由建立階段進行信道分配的路由模式，將信道分配過程引入到數(shù)據(jù)傳送階段，這使得信道的分配更具實時性。從協(xié)議性能分析來看，RT-CAR協(xié)議在實質上減小了系統(tǒng)開銷，同時增加了鏈路的持續(xù)時間。實驗結果表明，RT-CAR協(xié)議的分組投遞率更高，路由出現(xiàn)錯誤的次數(shù)也更少，更加適合頻譜環(huán)境多變的認知無線電網(wǎng)絡。

參考文獻

[1] MITOLA J，MAGUIRE G Q.Cognitive radio：making software radios more personal[J].IEEE Personal Communications，1999，6(4)：13-18.

[2] Le The Dung，Beongku An.A stability-based spectrumaware routing protocol in mobile cognitive radio ad-hoc networks[C].IS3C：The International Seminar on Computer，Consumer and Control，2014：1014-1017.

[3] Jae Joon Lee，Jaesung Lim.Cognitive routing for multi-hop mobile cognitive radio ad hoc networks[J].Journal of Communications and Networks，2014，16(2)：155-161.

[4] 劉婧，任品毅，薛少麗，等.認知無線網(wǎng)絡中基于授權用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法[J].通信學報，2011(11)：183-190.

[5] ABBAGNALE A，CUOMO F.Gymkhana a stability based routing scheme for cognitive radio ad hoc networks[A].IEEE INFOCOM2010，Work-in Progress Session[C].San Diego，CA，2010.

[6] YUCEK T，ARSLAN H.A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications[J].IEEE Communication Surveys and Tutorials，2009，11(1)：116-130.

[7] JOHNSON D B，MALTZ D A，HU Y C.The dynamic source routing protocol for mobile Ad Hoc networks(DSR)[M].USA：Addison-Wesley Longman Publishing Co，2001.