認知無線電網絡中基于動態吞吐量的路由算法

沈毅斌 陳元亨 畢春艷

摘 要： 針對認知無線電網絡中傳統路由協議的不足，提出基于動態吞吐量的認知無線電網絡路由算法（LSAR）。LSAR協議利用動態傳輸吞吐量（DTT）作為選擇轉發節點判決指標。只有節點滿足比當前節點更靠近于目的節點，比當前節點具有更低的傳輸時延兩個條件才可以作為候選轉發節點。LSAR協議再從候選轉發節點中選擇具有最大DTT的節點作為轉發節點。仿真結果表明，提出的LSAR協議能減少信道切換次數及傳輸時延，并提高路徑建立的成功率。

關鍵詞： 認知無線電； 路由協議； 動態頻率接入； 吞吐量； 傳輸時延； 轉發節點

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0079?04

Abstract： The conventional routing protocol in cognitive radio networks has some shortage. Therefore， the location aided spectrum aware routing （LSAR） protocol in cognitive radio network is proposed in this paper. The LSAR protocol uses dynamic transport throughput （DTT） as the judgment index to select the forwarding node. The nodes satisfying the following two conditions can be selected as the candidate forwarding node， one condition is that the node is closer to the destination node than the current node， the other condition is that the node has lower transmission delay than the current node. LSAR protocol selects the node with maximum DTT from the candidate forwarding nodes as the forwarding node. The simulation results show that the LSAR protocol can reduce the channel switching times and transmission delay， and improve the success rate of path establishment.

Keywords： cognitive radio； routing protocol； dynamic frequency access； throughput； transmission delay； forwarding node

0 引 言

隨著無線用戶數量急劇的增加和無線通信技術的迅速發展，無線頻譜資源日益緊張，認知無線電CR（Cognitive Radio）技術受到廣泛關注[1]。然而，FCC對頻率利用率的研究表明：有執照頻段的頻譜利用率[1]小于0.85。為了提高頻率利用率，文獻[2]首次提出認知無線電的概念，并改變傳統的頻譜管理方式。傳統的頻道管理規定某段頻譜只給有執照用戶單獨使用，即使空閑，也不安排其他用戶使用。執照用戶也稱為主級用戶（Primary User，PU），其他用戶是指非主級用戶，將其稱為次級用戶（Secondary User，SU）。

為了提高頻率利用率，需改變傳統的管理方式，規定主級用戶PU對頻譜使用具有高的優先級，但SU可以檢測周圍頻譜使用情況，一旦發現空閑頻譜，就可使用。

換而言之，認知無線電CR就是在不影響PU正常通信的前提下，SU動態地感知PU是否正在使用頻譜，如果沒有，就接入頻譜，并使用該空閑頻譜。目前，人們對認知無線電網絡的研究集中在物理層以及媒體訪問控制層的關鍵技術和路由協議。其中，路由協議已成為認知無線電領域的研究熱點[3?6]。

針對認知無線電的網絡特性，文獻[7]提出基于連接率的路由協議，利用拉普拉斯算子矩陣計算不同路徑間的連接率，并選擇連接率高的路徑傳輸數據，提高了數據傳輸成功率。文獻[8]提出基于機會的頻譜感知路由算法，利用節點感知的局部信息繪制頻譜地圖，并計算機會鏈路傳輸質量指標，擇優選擇具有高指標的鏈路組建傳輸路徑，提高路由協議的吞吐量。文獻[9]提出基于傳輸功率控制和機會路由的路由協議，并引用差別服務概念，提高了路由的穩定性。此外，文獻[10]提出了基于AODV的認知無線電路由CAODV（Cognitive Ad Hoc On?demand Distance Vector）協議。在CAODV協議中，節點利用路由請求、路由回復控制包進行信道分配及路由決策，并采用專用控制信道傳輸這些控制包，以避免對PU的干擾。

盡管上述路由協議改善了路由性能，但沒有根據認知無線電網絡的特點，綜合考慮影響路由協議的因素，如節點間距離。為此，本文提出動態吞吐量的路由協議LSAR。LSAR協議首先定義動態吞吐量的變量，并將其作為選擇候選轉發節點的指標。動態吞吐量融合了源節點與目的節點的距離以及傳輸時延信息。為此，LSAR協議擇優選擇具有最大動態傳輸吞吐量的節點作為下一跳轉發節點。仿真結果表明，本文提出的LSAR協議能夠有效地降低傳輸時延，并提高路徑建立成功率。

1 LSAR協議

LSAR協議分為頻譜感測、下一跳轉發節點選擇和數據傳輸三個階段。

1.1 頻譜感測

次級用戶SU（假定[SUi]）利用頻譜感測與鄰居節點一起搜索空閑信道。一旦感測到數據信道[ChDatai]，[SUi]就在控制信道CCC廣播一條短的感測通知消息SIM（Sensed Informed Message），其包含自己和目的節點的位置信息。SIM消息的傳輸采用CSMA/CA機制[11]。一旦收到SIM消息，鄰居次級用戶SUs就將此信道[ChDatai]標記為不可接入，致使在[SUi]感測時期內，不與[SUi]進行信道競爭，進而緩解次級用戶傳輸干擾問題。消息SIM的格式如圖1所示。

利用SIM消息，鄰居次級用戶SUs檢測自己是否可成為中間的轉發節點，即如果鄰居次級用戶比[SUi]離目的節點更近，且可產生轉發距離增益，便可納入候選轉發節點集[Setrelay]。[Setrelay]內節點與[SUi]在同一數據信道[ChDatai]內，并執行轉發節點選擇過程。未納入[Setrelay]集的節點就不能在數據信道[ChDatai]傳輸數據。

當數據信道[ChDatai]是空閑的，即沒有主級用戶PU使用，次級用戶[SUi]就與集[Setrelay]內節點進行握手通信。反之，若有主級用戶使用，次級用戶[SUi]就重復信道感測階段。

1.2 轉發節點選擇

SIM消息的發送節點[SUi]從集[Setrelay]選擇一個次級用戶作為轉發節點。具體而言，當感測到信道是空閑時，[SUi]首先向集[Setrelay]內的所有節點廣播路由請求消息RREQ（Routing Request）。一旦接收節點RREQ消息，集[Setrelay]內用戶就向[SUi]回復RREP消息。如果[SUi]沒有接收到RREP消息，就表示在數據信道[ChDatai]內沒有合適的轉發節點，它就重復感測階段和轉發節點選擇過程。

[SUi]從集[Setrelay]內選擇最優的用戶作為轉發節點。LSAR協議采用動態吞吐量DTT（Dynamic Transport Throughput）作為選擇轉發節點的判決指標。一個好的判決指標對路由協議性能有直接影響。例如，貪婪轉發路由協議GPSR采用鄰居節點與目的節點的距離作為判決指標，選擇離目的節點近的節點作為轉發節點。盡管這降低了端到端轉發時延，但是它忽略了路由的穩定性。

為此，LSAR協議引用DTT作為選擇轉發節點的判決指標。DTT指標考慮了距離和時延信息。因此，被選為轉發節點需要滿足以下兩個條件：

1） 距離增益：比發送節點離目的節點更近；

2） 時延最小化：具有短的時延。

1.3 數據傳輸

一旦選擇了下一跳轉發節點，發送節點[SUi]向其發送數據包，然后等待轉發節點回復的確認ACK消息。當轉發節點成功接收了數據包，就向發送節點回復ACK確認消息。當發送節點[SUi]接收了ACK消息，表明數據包已成功傳輸至轉發節點。

1.4 LSAR協議流程

在LSAR協議中，次級用戶[SUi]首先感測空閑的數據信道，一旦感知有空閑信道，就利用CCC信道廣播SIM消息，并將此數據信道標識為忙。在整個數據傳輸過程中，次級用戶[SUi]一直檢測信道是否被主級用戶占用。一旦占用，就尋找其他空閑信道并切換，具體流程如圖2所示。

2 仿真分析

2.1 仿真環境及性能指標

利用NS2建立仿真平臺，分析LSAR協議性能，并與CAODV協議[10]進行比較。選擇CAODV協議的原因在于：首先，CAODV協議是基于經典的AODV協議，具有代表性；其次，CAODV協議在路由發現階段也采用了RREQ，ACK等控制包，與LSAR協議相似。主級用戶PU數從2～4變化，次級用戶從10～28變化，并且信道數CH為4。仿真區域為1 000 m×1 000 m，仿真時間為50 s，具體的仿真參數如表1所示。

2.2 數值分析

2.2.1 路徑建立成功率

本次實驗主要考查主級用戶數和次級用戶數對路徑建立的影響。考慮2、4主級用戶以及次級用戶從4～28變化場景，且信道數為4，分析路徑建立的成功率在此場景下的變化情況。實驗結果如圖3所示。

從圖3可知，用戶數對路徑建立成功率有著積極的影響，且成功率隨著用戶數的增加而上升。在實驗中，主級用戶的發射功率為-90 dBm，兩個主級用戶可以覆蓋幾乎整個仿真區域內的次級用戶。因此，當主級用戶數為2或4時，路徑建立成功率均趨于定值，并且在同等條件下4個主級用戶的路徑建立成功率優于2個主級用戶。此外，由于LSAR協議能夠實時檢測空閑信道，它的路徑建立成功率優于CAODV。

為了更好地分析信道數對路徑建立的成功率的影響，建立不同信道數的實驗場景：信道數為2、4，次級用戶數從4～28變化，主級用戶數為4。實驗結果如圖4所示。從圖4可知，隨著次級用戶數的增加，路徑建立成功率隨之增加，原因在于用戶數的增加提高了可建立路徑的條數。此外，本文提出的LSAR路徑建立成功率明顯優于CAODV。例如，在4個信道、28個次級用戶時，LSAR路徑建立成功率接近于1，而CAODV僅為0.5。

2.2.2 信道切換頻率

信道切換頻率能夠充分反映路徑的穩定性，切換頻率越高，表明穩定性越差，協議性能越差。為此，通過實驗分析信道切換次數。在4個信道、主級用戶分別為2、4以及次級用戶數從4變化至30的條件下，CAODV和LSAR協議的信道切換次數如圖5所示。

從圖5可知，信道切換次數隨次級用戶數的增加而下降，隨主級用戶數的增加而上升，這與圖3數據相融合。此外，CAODV協議的信道切換頻率遠高于LSAR協議，增加了近80%。

2.2.3 端到端數據傳輸時延

本次實驗分析了數據傳輸時延隨次級用戶的變化情況。主級用戶數為4，信道數為4，次級用戶數從4～30變化，實驗結果如圖6所示。

從圖6可知，端到端傳輸時延隨次級用戶數的增加而上升。原因在于：隨著次級用戶數的增加，整個網絡規模變大，使得數據傳輸跳數增加，進而提高了端到端的傳輸時延。與CAODV相比，本文提出的LSAR協議的端到端傳輸時延得到了控制，這主要是因為：次級用戶的增加，也提升了可選路由數，而LSAR協議能及時調整路由，并選擇傳輸時延更小的路由，進而能對跳數增加所帶來的傳輸時延作出一定補償。

3 結 論

本文針對認知無線電網絡的路由協議進行分析，提出動態吞吐量感知路由LSAR。LSAR協議首先定義了DTT，依據DTT選擇下一跳轉發節點。DTT變量融合了距離增益和時延信息，提高了路徑的穩定性，降低了傳輸時延。仿真結果表明，本文提出的LSAR協議能夠有效地減少傳輸時延，提高路徑穩定性。

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