基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡的最優(yōu)路徑算法

劉期烈，張智慧，黃 巍，李廣德，楊 軍

(1.重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室，重慶 400065;2.總裝備部重慶軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610036;3.重慶有線電視網(wǎng)絡有限公司，重慶 400060)

隨著人們?nèi)找嬖鲩L的需求和綠色信息通信技術的發(fā)展，頻譜使用率低下問題受到了人們的極大關注。為了解決這個問題，傳統(tǒng)的通信技術通過避免多徑效應帶來的信道間符號干擾以提供單位頻譜上更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可提高頻譜利用率，如正交頻分復用［1］(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術;另一方面，認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術的提出使非授權用戶能動態(tài)感知和精確地接入當前空閑的授權信道，從而提高了頻譜利用率。近年來人們對認知無線電網(wǎng)絡路由算法［2-5］做了大量相關的工作，但是現(xiàn)有研究沒有綜合考慮頻譜移動特性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼J知用戶之間干擾的影響，而這些因素會明顯降低路由路徑的穩(wěn)定性，大大增加路由的時延，降低網(wǎng)絡的吞吐量。

基于上述方面的考慮，提出一種最優(yōu)路徑的基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡的路由算法(Optimal Route for OFDM-based Cognitive Routing，OROCR)。該算法使得路由路徑具有最小的累積期望傳輸時延和最大的平均吞吐量。頻譜移動由主用戶的到達率決定，主用戶到達率高，則認知用戶占用授權信道概率小，將導致網(wǎng)絡性能下降，同時在相互干擾范圍內(nèi)的多個認知用戶且經(jīng)過不同的路徑使用相同的信道時，就會相互產(chǎn)生干擾［6-7］。首先，該算法考慮頻譜移動性、認知用戶使用授權信道的概率和認知用戶之間的干擾計算期望傳輸時間;其次，通過類似于按需路由協(xié)議的基本流程，得到所有可能的路徑;最后，根據(jù)最小累積期望傳輸時間和最大的路徑平均吞吐量的指標來選擇最優(yōu)路徑。仿真結果表明，OROCR算法可以明顯地減少平均端到端時延，大大提高了平均端到端吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

基于OFDM認知無線電是一種新型的智能無線技術，提供了一種靈活的頻譜分配方案，其包含兩種類型的用戶:主用戶和認知用戶。在不影響主用戶優(yōu)先通信的前提下，認知用戶智能地利用空閑的授權信道，而當主用戶到來時，認知用戶必須快速退出正在使用的授權信道而不干擾主用戶，這種機會頻譜分配的方式實現(xiàn)了兩類用戶之間的頻譜共享，極大地提高了頻譜利用率。任意兩個認知用戶之間通過感知可用的授權信道組成信道集，每一個認知用戶的發(fā)送范圍和干擾范圍都相同，對于任意一個用戶，其發(fā)送范圍和干擾范圍不相同。認知用戶之間設置一個傳統(tǒng)的公共控制信道來交換信息并傳輸控制信息，且通常選擇使用低頻率、傳輸距離較遠的信道作為公共控制信道(Common Control Channel，CCC)。每個用戶周期地接入控制信道獲取信道中的控制消息，這樣認知用戶可了解網(wǎng)絡的拓撲結構，并能及時切換傳輸信道或重建路由，使網(wǎng)絡的連通度達到最好的狀態(tài)。假設任意兩個相鄰認知用戶之間公共信道的帶寬不同，信道可用概率將在后面具體給出來。網(wǎng)絡模型如圖1所示，其中SU1～SU16表示認知用戶，PU1～PU3表示主用戶，圖中實線表示用戶之間通信鏈路。

圖1 網(wǎng)絡模型圖

2 最優(yōu)路徑路由算法

根據(jù)前文可知，認知無線電網(wǎng)絡路由［8-9］的選擇需要考慮兩個方面的因素，即期望傳輸時間和信道干擾。

2.1 期望傳輸時間尺度的計算

根據(jù)雙線地面?zhèn)鞑ツＰ涂芍邮展?jié)點的接收的信號的功率為

式中:Pt是發(fā)送節(jié)點的發(fā)送功率;Gt，Gr分別是發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的天線增益，當其天線是全方位的定向天線，則有Gt·Gr=1;ht，hr分別是發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的天線高度;dtr是發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，這里設為Psignal=－101 dB。對于節(jié)點i與節(jié)點j的公共信道k帶寬為，其范圍為［1 MHz，10 MHz］根據(jù)香農(nóng)公式可得信道k的信道容量為

式中:N0表示噪聲功率譜密度，信道的干擾在2.2節(jié)中計算得到。根據(jù)上面的公式可得，信息大小為D的數(shù)據(jù)在公共信道k上的傳輸?shù)臅r間為

2.2 干擾尺度的計算

在認知無線電網(wǎng)絡［10］中，兩個認知用戶在相互的干擾范圍內(nèi)同時使用同一個授權信道通信，就會造成相互的干擾，對于信道k，認知用戶m對認知用戶i的干擾可以表示為

根據(jù)文獻［6］可知，在時間(0，T］內(nèi)，認知用戶i的干擾范圍內(nèi)認知用戶的數(shù)目s服從參數(shù)為λs的泊松分布，得到

設λs=8。因此，在認知節(jié)點i的干擾范圍內(nèi)其他認知用戶對節(jié)點i的總的干擾為

2.3 路徑選擇尺度描述

基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡最優(yōu)路徑的路由算法的基本思想就是選擇最小累積期望傳輸時延和最大路徑平均吞吐量的路徑，但是要避免在其干擾范圍內(nèi)其他節(jié)點的干擾，避免多條鏈路對同一信道的競爭造成頻譜移動，以此提高路徑的穩(wěn)定和認知節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＜僭O從源節(jié)點到目的節(jié)點之間共有N個節(jié)點，根據(jù)上述討論，這條路徑的平均吞吐量為

定義TMET(Tradeoff of Minimum Expectations Transmission Time and Average Throughput)如下

將式(12)的最小值作為目的節(jié)點選擇路由路徑的指標，其中β是一個可調(diào)參數(shù)，設為β=0.2。

2.4 路由算法詳細描述

源節(jié)點與目的節(jié)點之間存在多條路徑，選擇質(zhì)量好的信道至關重要。在一段時間內(nèi)，當目的節(jié)點收到多個路由請求包后，以最小TMET為路由指標選擇最優(yōu)的路徑進行通信，詳細的路由算法如下描述:

1)若源節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到目的節(jié)點，但是源節(jié)點到目的節(jié)點之間沒有通信的路徑。此時，源節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播路由請求包(Route Request，RREQ)，該請求包包含該節(jié)點可用授權信道集合、信道的期望傳輸時間和可用授權信道的干擾的大小。最初，路徑的累積期望傳輸時間設置為零。當且只當相鄰兩個節(jié)點之間存在公共的傳輸節(jié)點時，才轉(zhuǎn)發(fā)RREQ給下一個節(jié)點。

2)假設中間節(jié)點接收到RREQ數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括從源節(jié)點到該節(jié)點的可用信道的列表、路徑的累積期望傳輸時間和可用授權信道干擾的大小，若兩個節(jié)點之間有公共可用授權信道則轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包，并且將該授權信道添加到可用授權信道集合的列表中。

3)一旦目的節(jié)點收到RREQ數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點計算路徑的累積期望傳輸時延和平均吞吐量，選擇最小累積期望傳輸時延和最大平均吞吐量的路徑。然后，目的節(jié)點的路由應答數(shù)據(jù)包(Route Reply，RREP)復制RREQ中可用授權信道集合，并且根據(jù)該授權信道集合選擇合適的路徑將數(shù)據(jù)包沿著原始的反向路徑傳給源節(jié)點。隨后源節(jié)點與目的節(jié)點之間可以進行通信，在通信過程中各節(jié)點周期地與鄰居節(jié)點廣播HELLO消息維持鏈路的完整。

4)若是中間節(jié)點間的鏈路斷開了，RREQ數(shù)據(jù)包將無法到達目的節(jié)點。對中斷鏈路的處理有三種方式:從中斷的鏈路的路由切換到其他可用的公共授權信道;或者先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包保存在本節(jié)點的緩存中，然后對鏈路進行本地修復。該節(jié)點查找自己的路由表信息找到存在到目的節(jié)點的鏈路，將保存的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。否則該節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播RREQ數(shù)據(jù)包進行路由發(fā)現(xiàn)建立路由，再將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去;或者若沒有找到相關路徑，則向源節(jié)點回復路由錯誤數(shù)據(jù)包(Route Error，RERR)，隨后源節(jié)點將廣播RREQ數(shù)據(jù)包重新建立從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由路徑。

3 性能分析

本文提出了一個基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡最優(yōu)路徑的路由算法(OROCR)，本章節(jié)通過性能評估驗證該算法在認知無線電網(wǎng)絡中的性能。性能評估的環(huán)境設置如下:網(wǎng)絡的大小設置為1000 m×1000 m，認知節(jié)點的傳輸范圍和干擾范圍分別是250 m和550 m。頻譜移動的平均時延和頻譜感知周期分別是0.01 s和0.04 s，網(wǎng)絡的平均時延為5 ms，調(diào)節(jié)頻譜的平均時間為10 ms。根據(jù)文獻［7］，取=80 ms，重建路由的時間 trerouting=50 ms，數(shù)據(jù)的大小為D=10 Mbit。根據(jù)式(5)在仿真的時間里可計算出該信道的可用概率在［0.10，0.99］范圍內(nèi)。鑒于文獻［3］中經(jīng)典的穩(wěn)健性路由，將從平均端到端時延和平均端到端吞吐量兩個方面的性能進行仿真，平均端到端時延是指數(shù)據(jù)包D從源節(jié)點到目的節(jié)點傳遞到目的節(jié)點的各個鏈路的所需時間累積和，再重復實驗十次得到其平均值。平均端到端吞吐量是指數(shù)據(jù)包D從源節(jié)點到目的節(jié)點傳遞到目的節(jié)點的路徑中各個鏈路的最大吞吐量，然后再重復實驗十次得到其平均值。

3.1 節(jié)點數(shù)和信道數(shù)與網(wǎng)絡性能

當主用戶占用授權信道的概率為0.8時，節(jié)點數(shù)和信道數(shù)不同，其網(wǎng)絡的性能也不同。其結果為如圖2和圖3所示。

從圖2中可知，可用信道數(shù)確定時，平均端到端時延隨著節(jié)點數(shù)增加而增加。而節(jié)點數(shù)確定時，隨著可用信道數(shù)增加而減小，OROCR路由算法比現(xiàn)有的算法具有更小的平均端到端時延。從圖3可以看出，可用信道數(shù)確定時，平均端到端吞吐量隨著節(jié)點數(shù)增加而減少。而節(jié)點數(shù)確定時，隨著可用信道數(shù)增加而增加，OROCR算法比現(xiàn)有的路由算法具有更大的平均端到端吞吐量。節(jié)點數(shù)增加使得跳數(shù)增加，信道的移動概率和切換時延增加，重建路由的次數(shù)相應增加，導致平均端到端時延隨著節(jié)點數(shù)增加而增加，平均端到端吞吐量減小。當可用信道數(shù)增加時，可使路由重建次數(shù)減少，選擇質(zhì)量好的信道的概率增加，平均端到端時延減小，平均端到端吞吐量增加。

3.2 主用戶占用率與網(wǎng)絡性能

當網(wǎng)絡中認知用戶的數(shù)目為20，信道數(shù)為10時，當主用戶占用率不同時，網(wǎng)絡的性能也不同。其結果如圖4和圖5所示。

從圖4可知，平均端到端的時延隨著主用戶占用信道概率的增加而增加。這是因為主用戶占用可用信道的概率增加，對于認知用戶來說，其使用可用信道的概率減小，相應的信道傳輸時延增加，這樣導致端到端的時延增加，但是提出的算法的平均時延比健壯性路由算法要小。從圖5可知，平均端到端的吞吐量隨著主用戶占用信道的概率增加而減小。這是因為該路徑的相對帶寬減少了，所以平均端到端的吞吐量相應地減小，但是新提出的路由算法比健壯性路由算法具有更大的平均端到端吞吐量。

4 結論

針對現(xiàn)有認知路由算法中沒有綜合考慮頻譜移動和用戶之間的相互干擾的不足，提出了一種基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡的最優(yōu)路徑路由算法，主要綜合考慮了期望傳輸時間和在干擾范圍內(nèi)其他認知用戶的干擾對路徑選擇的影響，基于類似于按需路由協(xié)議的基本流程，得到最優(yōu)端到端性能的路由算法。實驗結果表明，在基于OFDM認知無線電網(wǎng)絡的環(huán)境下，OROCR算法能明顯地降低平均端到端時延，大大提高了平均端到端吞吐量。

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