認知無線自組織網絡技術研究

張同 王欽為 劉杰

【摘 要】本文討論分析了無線自組織網絡產生的背景，詳細介紹了認知無線自組織網絡的相關技術特點，研究和設計了無線自組織的網絡。針對多跳無線自組織網絡中路由不穩定且效率低的問題，提出了基于多路徑路由發現及最優路由選擇的方法，設計了離線計算與在線計算結合的方式，從而提高了路由選擇策略計算效率。

【關鍵詞】認知無線自組織網絡；多徑路由；路由選擇

認知無線網絡數據傳輸技術的需求已經從兩跳、單跳擴展到多跳，建立高效、穩定的路由在認知無線自組織網絡中次用戶網絡的目的端和源端之間成為網絡層的認知無線自組織網絡關鍵技術之一。因此，在動態頻譜認知的無線網絡環境下，次用戶可靠路由的建立，多跳數據傳輸需求的滿足，數據傳輸效率目標的提高，成為網絡層在認知無線自組織網絡的一個關鍵的問題。

一、技術挑戰

傳統認知自組網是基于基礎設施的輔助，維護簡單，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，導致整個網絡失去控制。

為了清晰、全面的理解路由策略在認知無線自組織網絡中的設計需要，下面從網絡、次用戶和信道三個方面來詳細分析路由策略設計在認知無線自組織網絡中所面臨的技術挑戰。

（一）信道方面

首先，很多個因素變化可以導致信道可用性在認知無線自組織網絡中發生變化，包括地理位置（次用戶）、對于信道的使用情況（主用戶）和空閑的信道數的變化。因此，在認知無線自組織網絡的路由過程中，次用戶發現主用戶在其需要的頻譜上，將會發生信道的切換，信道動態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，從而路由維護開銷需要額外增加；其次，由于多種多樣認知無線自組織網絡的信道，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據傳輸時速率的差異；最后，由于次用戶在認知無線自組織網絡的動態頻譜中的環境，因此對于次用戶節點來說，接入頻譜的可用性影響到路由的發現過程。

（二）次用戶方面

首先，在頻譜使用上授權的主用戶享有優先權，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），路由策略在認知無線自組織網絡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質量等待時延。其次，由于次用戶在網絡中處理速度和傳輸功率等能力的差異，用戶次數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，并且無法預測，會導致網絡服務質量的下降，并且干擾到主用戶。

（三）網絡方面

首先，要衡量跳數和網絡覆蓋范圍，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路由成本的增加。其次，在發現路由、選擇路由、維護路由和傳輸數據包方面都會消耗不同程度的能量。最后，路由自適應和高效的恢復機制對認知無線自組織網絡十分重要。

對認知無線自組織網絡中，不穩定底層頻譜資源，高成本的頻繁信道切換造成消耗等問題，需要設計高效、穩定、合理的認知無線自組織網絡路由機制。

二、多路徑路由協議設計

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

分為發現路由、選擇路由和反饋路由三個階段：

發現路由：發生在信道上的源端次用戶鄰居節點間。用于判斷相鄰節點之間是否存在干擾關系。

路由選擇主要在目的端節點進行。通過計算，獲得多條可達的路由路徑。

路徑反饋發生在自組織網絡的目的端節點上。反饋節點的下一個節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，同時存在主用戶網絡和次用戶網絡，并共享一段授權頻譜。其中，主用戶網絡對于授權頻譜享有優先使用權，次用戶網絡采用自組織網絡形式組網，對于授權頻譜進行探測，當授權頻譜空閑時接入。

次用戶網絡采用多路徑傳輸模式。其中S和D分別表示數據發送源端和目的端，與之共存的主用戶網絡中存在正在傳輸的主用戶發射端和接收端以及處于空閑狀態的主用戶，當主用戶與次用戶使用相同信道同時發送數據吋，必然導致如虛線所示的干擾。

四、選擇路由機制

在選擇動態路由之前，必須構建備選的集合路由。而后，通過離線方式進行路徑優先級索引的計算，而選擇路由則通過優先級索引進行在線方式的動態選擇。

（一）建立路由備選集階段

節點在認知無線自組織網絡中的能量是有限的，如果數據在所有路徑上發送，會造成數據高效傳輸節點上的能量無法使用，從而浪費了頻譜資源和節點能量。因此，需要選擇路由，挑選發送數據的最優多徑路由。

（二）選擇路由階段

自組織網絡中，根據可利用的節點頻譜和能量的消耗情況，動態選擇多條路徑進行發送。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行路徑的激活。分為離線和在線兩個階段。

離線階段：根據各路徑上中間節點的頻譜可用性、無線信道狀態以及能量狀態，確立各動態因素的狀態轉移矩陣。

在線計算：當認知無線自組織網絡中源端次用戶需進行數據傳輸時，備選路徑的第一跳節點將存儲的優先級索引按照升序進行排序，如果節點發現該路徑屬于前個之一，則激活該路徑進行數據發送。

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，機制具有良好的可擴展性。

五、小結

本文對認知無線自組織網絡中多路徑路由能效較低的問題，對動態最優路由選擇問題進行理論建模，實現了最小化認知無線自組織網絡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，并設計了離線計算與在線計算結合的方式，從而提高了路由選擇策略計算效率。

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