認知無線Ad Hoc網絡中的路由尺度和算法設計*

趙 超 ，徐少毅 ，談振輝

（1.北京交通大學寬帶無線移動通信研究所 北京 100044；2.綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室 西安 710126）

1 引言

隨著無線通信業務和用戶需求的快速增長，可用無線頻譜資源日益緊張。頻譜授權是一種將頻譜資源分配給不同通信系統的傳統方法。然而，聯邦通信委員會（federal communications commission，FCC）[1]的調查指出，目前全球頻譜資源利用情況極不平衡，一些非授權頻段的頻譜占用了大量頻譜資源，而大多數授權頻段的頻譜利用率為15%～85%。

CR（cognitive radio，認知無線電）[2，3]作為一種新興的智能無線技術，使得SU（secondary user，次用戶）通過檢測PU（primary user，主用戶）處于空閑狀態的頻譜，在不影響授權用戶工作的前提下智能地選擇和利用這些空閑頻譜，從而極大地改善了現有低效的頻譜資源利用率。目前，對CRN（cognitive radio network，認知無線電網絡）的研究主要集中在頻譜感知和頻譜管理方面，認知無線電網絡的路由算法設計仍是一個有待深入研究的問題。傳統的Ad Hoc網絡使用的是固定頻譜，路由設計時主要考慮的是節點移動所帶來的網絡拓撲的動態變化，其路由算法的研究已經比較普遍。而在認知無線Ad Hoc網絡中，由于每個SU所使用的頻譜之間的多樣性、時變性和差異性，傳統Ad Hoc網絡中的路由尺度已經不再適用。

路由尺度的定義和選擇很大程度上應該考慮主用戶的信道使用模型，同時，為使次用戶數據可靠傳輸，次用戶之間的相互干擾也應該予以考慮。基于以上兩點，本文提出兩類路由尺度。

（1）最大化平均吞吐量和信干噪比：AT（average throughput，平均吞吐量），SINR（signal interference noise rate，信干噪比），AES（average throughputexpectation of the available timesignal interference noise rate，平均吞吐量，次用戶可用時間的期望和信干噪比的權衡）。

（2）最小化時延和干擾：LD（link delay，鏈路時延），INSR（interference noise signal rate，干擾噪聲信號比），LRI（link delay eciprocal of expectationinterference noise signal rate，鏈路時延，次用戶使用時間期望的倒數和干擾噪聲信號比的權衡）。

本文首先探討了主用戶的信道使用模型和假設，然后定義了兩類路由尺度，最后應用不同的算法對兩類路由尺度進行了仿真并分析。

2 模型和假設

在認知無線Ad Hoc網絡中，PU在授權頻段上進行通信，SU以一種機會式接入的方式使用授權用戶的頻段，即某段時間內，SU可以使用主用戶不使用的頻段。網絡中的SU通過多跳的方式進行通信，每個SU都具有頻譜檢測能力，可以檢測出主用戶在某段時間內不使用的所有頻段，以供自己選擇接入。假設主用戶各個信道之間相互獨立，且為ON/OFF隨機過程，如圖1所示。

在主用戶信道使用模型中，當信道處于關狀態時，SU可以使用該信道。{Nn,n≥1}表示處于開狀態（ON-State）的隨機變量序列，{Fn,n≥1}表示處于關狀態（OFF-State）的隨機變量序列，則這兩個隨機變量序列是兩個計數過程。假設這兩個隨機變量序列獨立且分別服從強度為n(t)i和f(t)i的泊松過程，非齊次的泊松過程（參數與時間有關）可以轉化為齊次泊松過程進行分析，因此在一段時間（0，t]內，這兩個隨機變量服從ni和fi的齊次泊松分布。每段ON狀態和OFF狀態持續的時間分別為ξn和ζn，分別服從參數為λi和 μi的指數分布。那么在一段時間（0，t]中，對頻段 i,主用戶使用的時間求和為：

次用戶可以使用的時間求和為：

這兩個都為復合泊松過程，對于次用戶而言，信道i的利用率為：

3 認知無線Ad Hoc網絡中的兩類路由尺度

3.1 第一類路由尺度

（1）在認知無線Ad Hoc網絡中，SU稱為認知節點，認知節點之間通過自組織方式進行通信。設認知網絡中可用的主用戶信道數為N，若兩個認知節點可以通信，稱其存在鏈路。源節點到目的節點的一條路徑包含P條鏈路，對于應用信道i,i∈N的鏈路k，其鏈路吞吐量為：

其中，Wi為i信道的帶寬，dk為k鏈路的長度。pk為發送節點的功率，N0為高斯噪聲功率譜密度，n為路徑損耗因子。

由于該信道為主用戶的授權頻段，對于次用戶而言，該鏈路的吞吐量為：

其中，Ui為信道利用率。

圖1 主用戶信道使用模型

一條路徑包含P條鏈路，所以這條路徑的平均吞吐量為：

（2）為使認知節點的數據可靠傳輸，考慮其他認知節點對它的干擾，即信干噪比。定義k鏈路的發送節點為k，接收節點為k+1，其接收功率為：

其中，L為系統損耗參數，Gk為k節點天線增益，hk為k節點天線高度。由于在分布式認知網絡中每一個認知節點都處在平等的地位，即每一個認知節點都有相同的發射功率、發射距離、干擾距離等參數，所以式（7）可以簡化為：

當不在同一路徑上且又在干擾距離之內的兩個節點使用同一個信道時，就會相互干擾。對于應用信道i的k+1節點，假設干擾節點為j，則j節點對k+1節點的干擾功率為：

其中，dj,k+1為j節點到k+1節點的距離。

根據參考文獻[4]中的概念，在一段時間(0，t]內，對于使用信道i的k+1節點，其干擾源的個數M服從λji的泊松分布，即：

所以總干擾功率為：

定義k鏈路的信干噪比為：

經過k鏈路，定義單元數據傳輸的正確概率為：

當SINRk≥10時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=1；

當SINRk<1時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=0；

當1≤SINRk<10時，鏈路k的正確概率為Pc(k)=SINRk/10。可得路徑P的正確概率為：

要想單元數據在目的節點無差錯接收，定義傳輸次數為1/Pc。

由于路徑質量最終由最差鏈路決定，因此定義信干噪比為：

（3）對于任意一條鏈路k，無論其使用哪個信道，其信道使用時間的期望為1/μi，參考文獻[5]中已經證明期望值越大則關狀態到開狀態之間的轉換越慢，定義EAT（expectation of the available time，可用時間的期望）為：

最后考慮上面幾個參數之間的權衡，定義：

其中，α和β均為權重因子，且有0≤α≤1，0≤β≤1。

3.2 第二類路由尺度

（1）第二類路由尺度由第一類路由尺度衍生出來，對于應用信道i,i∈N的鏈路k,定義：

（2）同理定義：

（3）定義 ROE（reciprocal of expectation，期望的倒數）：

考慮以上3種參數權衡，給出綜合路由尺度：

4 仿真與結果分析

仿真參數的設定：在10 m×10 m的區域中，隨機分布10個認知節點，源節點坐標為(0，0)，目的節點坐標為(10，10)。每個節點的發射距離為6 m，干擾距離為12 m。發射功率p=1 mW，N0=2×10-13W/Hz，主用戶信道帶寬 W=15 MHz。主用戶信道模型的參數分布見表1。

表1 主用戶信道模型的參數分布

4.1 第一類路由尺度的仿真結果與分析

仿真步驟：

步驟一：在10 m×10 m的區域中，隨機分布8個認知節點，以7跳為限，隨機選出3條源節點到目的節點的路徑。

步驟二：分別以 MH （minimum hop，最小跳）、AT、SINR、AES為路由尺度，從 3條路徑中分別選出使AT、SINR、AES達到最大，MH最小的“最優”路徑。

步驟三：分別計算選出路徑的平均吞吐量、時延、正確概率和重傳次數。

我們將這個實驗重復30次，最后取各次的平均值得到仿真結果。

圖2、圖3和圖4分別表示應用不同路由尺度選出路徑的端到端性能。在圖2中，因為AT路由尺度考慮鏈路吞吐量選路，其吞吐量最大。而MH以最小跳為尺度并沒有考慮鏈路的狀況，其吞吐量最小。AES考慮了各種因素的權衡，其吞吐量也很大。圖3表示的端到端性能為歸一化的時延，AT路由尺度選出平均吞吐量最大的路徑，其時延最小。MH選出跳數最小的路徑，時延也小。AES因為考慮各種因素的權衡，時延在兩者之間。SINR并沒有考慮任何時延的因素所以時延最大。圖4表示一個數據單元接收的正確概率，SINR路由尺度考慮信干噪比，由它選出的路徑單元數據在目的節點接收的正確概率最大，MH和AT均沒有考慮任何信噪的關系，正確率很小。綜合幾個仿真結果可以看出，由于AES考慮到各種因素的權衡，其端到端的性能都相對較好。

圖2 根據不同路由尺度選出路徑的平均吞吐量（α=0.5，β=0.4）

圖3 根據不同路由尺度選出路徑的歸一化的時延（α=0.5，β=0.4

圖4 根據不同路由尺度選出路徑單元數據的正確概率（α=0.5，β=0.4）

圖5 根據不同路由尺度選出路徑的平均吞吐量（α=0.5，β=0.4）

4.2 第二類路由尺度的仿真結果與分析

在這個仿真中，將MH、LD、INSR、LRI這幾個路由尺度分別作為各條鏈路的權重，基于Warshall-Floyd算法選路，選出“最短路”，即選中路徑的權重最小。

我們將這個實驗重復50次，最后取各次的平均值得到仿真結果。

圖5、圖6和圖7分別表示應用不同路由尺度選出路徑的端到端性能。在圖5、圖6中，因為LD路由尺度考慮鏈路時延選路，其端到端時延最小，平均吞吐量最大。而MH以最小跳為尺度并沒有考慮鏈路的狀況，其吞吐量最小。LRI考慮了各種因素的權衡，時延較小吞吐量較大。INSR路由尺度并沒有考慮任何時延的因素所以時延最大。圖7表示一個數據單元接收的正確概率，INSR路由尺度考慮到鏈路的干擾情況，由它選出的路徑單元數據在目的節點接收的正確概率最大，MH和LD均沒有考慮任何信噪的關系，正確率很小。綜合這幾個仿真結果可以看出，由于LRI考慮到各種因素的權衡，其端到端的性能都相對較好。）

圖6 根據不同路由尺度選出路徑的歸一化的時延（α=0.5，β=0.4）

圖7 根據不同路由尺度選出路徑單元數據的正確概率（α=0.5，β=0.4）

5 結束語

認知無線Ad Hoc網絡有其獨特的特點，路由尺度應該考慮主用戶的使用模型。為保證認知用戶的數據可靠性，還應考慮認知用戶之間相互干擾的情況，為此我們定義了兩類路由尺度。仿真結果表明這兩類路由參數都能夠準確反映各自的端到端性能，并且優于通過最小跳選路的路由性能。

1 FCC.Establishment of an interference temperature metric to quantify and manage interference and to expand available unlicensed operation in certain fixed,mobile and satellite frequency bands.ET Docket No.03-237，FCC 03-289

2 Mitola J.Cognitive radio：an integrated agent architecture for software defined radio.Royal Institute of Technology，2000

3 Haykin S. Cognitive radio： brain-empowered wireless communications.Selected Area in communications，2005，2(23)：201～220

4 Chu Fengseng，Chen Kwangcheng.Radio resource allocation in OFDMA cognitive radio systems.In：Personal Indoor and Mobile Radio Communications，Greece，Athens，September 2007

5 Thomas K，Roido A，Aloutsos M， et al.Transport layer identification of P2P traffic.In：Proceedings of the 2004 ACM SIGCOMM Internet Measurement Conference，Taormina，Italy，October 2004