認知Ad-Hoc網絡中一種實時信道分配路由協議*

朱 江，郭 兵，段 昂

(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065)

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的分配而得到更充分利用。動態頻譜接入所帶來的頻譜在時間和空間上的間斷性，使得認知無線電網絡中的路由呈現出不同于傳統網絡的特點，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。

針對認知環境下的路由問題，國內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點移動方面考慮，引入網絡連通性和最弱鏈路持續時間，由于最弱鏈路持續時間需要計算節點移動方向、速度等，對節點定位功能有較高的要求。文獻[3]重點研究了節點移動對網絡性能的影響，并引入馬爾科夫狀態預測，在選擇路徑前預判節點的相對位置，削弱節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DSR路由協議，提出了聯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頻譜環境，提高路由穩定性，本文提出了實時信道分配的路由協議。該協議在數據的傳輸階段引入了IN MESSAGE數據包，IN MESSAGE數據包在相鄰節點間傳遞，為路由節點傳遞周邊頻譜環境的動態變化。這樣，路由的中間節點可以通過實時的信道分配避免與授權用戶的沖突，減少路由錯誤的發生。

1 系統模型

1.1 網絡模型

假設在一個認知Ad Hoc網絡中有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，…，WM，授權用戶按照自身業務需求使用其授權信道。為了不對授權用戶的數據傳輸造成影響，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cm或者認知用戶n處在授權用戶m的傳輸范圍內，但授權用戶m當前沒有傳輸數據而空閑出來的信道cm，多數情況下，認知用戶可接入的SOP信道不止一個。

1.2 路由的度量

網絡中，授權用戶對信道的使用服從ON-OFF模型[5]，αm為授權用戶 m對信道 cm的占用率：

假設認知用戶可以精確地感知到頻譜機會[6]，記為信道cm對節點n的可用概率，則：

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

記 B(n，n+1)為節點 n和 n+1之間的連通性：

假設從源節點到目的節點的某路由共有H跳，n=0代表源節點，n=H代表目的節點，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。假設從源節點到目的節點有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)的穩定性概率，鏈路的穩定性關系到整條路由的可用性。如果在數據傳輸過程中，由于授權用戶的出現，導致信道不可用，認知用戶就必須停止發送，進行等待，或者重新建立路由，這樣就會增加時延，并增大系統開銷，所以需要盡量保證每條鏈路具有較高的穩定性。由于認知無線電網絡頻譜的動態性，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議。

2 實時信道分配路由協議

2.1 數據包格式

RT-CAR協議中主要有RREQ、RREP以及IN MESSAGE 3種數據包。

圖1為RREQ數據包的結構。

圖1 RREQ結構圖

RREP數據包和IN MESSAGE數據包的結構如圖2和圖3所示。

圖2 RREP結構圖

圖3 IN MESSAGE結構圖

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

2.2 路由建立

(1)源節點S將自身的PAL信息寫入RREQ數據包內，同時將U值設置為0，然后向周圍節點廣播該RREQ包。

(2)節點處理RREQ的算法：

根據式(3)～式(5)計算源節點到本節點的度量U值。

其中對RREQ的更新包括更新數據包中的PAL、TTL、R-Table以及 U值。

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

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

2.3 數據傳輸

圖4是數據傳輸階段中間節點的流程圖。在此階段中間節點主要有兩個任務：一是維護PAL列表，包括自身的PAL列表和其下一跳節點的PAL列表；二是轉發數據。

圖4 數據傳輸階段中間節點流程圖

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

當數據包傳送至節點n時，節點n首先確定其上一跳節點發送時所用的信道cm，如果此時檢測到授權用戶m的出現，則向上一跳節點發送RRER消息，使其停止發送數據。如果未檢測到m的活動，則節點接收該數據包并將其轉發至下一跳節點。在轉發數據時節點n根據自身所維護的PAL列表信息，利用式(7)選擇信道進行數據轉發。由于PAL列表隨著網絡環境的變化不斷被更新，所以信道的選擇也是隨著網絡環境的變化而不同的，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絡環境的動態性而導致的路由失效。

3 仿真分析

3.1 仿真參數

采用OPNET軟件對本文提出的協議進行仿真驗證，具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

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

3.2 分組投遞率

圖5 PU2活動概率對分組投遞

圖6 平均分組到達時間間隔對分組投遞率

分組投遞率指目的節點接收到的分組數和源節點發送的分組數之比，反映了數據分組投遞成功的概率。授權用戶的活動造成路由失效是數據包丟失的主要原因，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定性，同時使得信道c2對認知用戶而言變得不可用。路由穩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，分組投遞率趨于穩定。而從3種協議的對比來看，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協議都明顯優于DSR，這是由于DSR路由協議建立路由時沒有考慮授權用戶活動對路由穩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協議在數據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上RT-CAR協議更優一些。

3.3 路由重建次數

路由的錯誤次數指源節點收到的RRER數據包的數量。路由錯誤的次數越多，需要重建路由的次數就越多，引起的丟包率也就越大。圖7和圖8反映了3種協議平均每小時內路由重建次數的對比?？梢钥闯鲭S著分組到達時間間隔的增大，路由的重建次數趨于穩定，而隨著PU2活動概率的增大，路由的重建次數也在增大。從對比來看RT-CAR協議的路由重建次數最少，這是因為在數據傳輸階段實時的信道分配避免了一部分路由錯誤的發生，從而減少了路由重建的次數，提升了路由的穩定性。

圖7 PU2活動概率對路由重建次數

圖8 平均分組到達時間間隔對路由重建次數

4 結論

本文提出的實時信道分配路由協議，考慮到了認知無線電網絡中頻譜的動態性對路由的影響。通過在路由建立之后引入IN MESSAGE數據包，在鄰居節點間傳遞認知用戶頻譜環境的變化情況，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據傳送階段，這使得信道的分配更具實時性。從協議性能分析來看，RT-CAR協議在實質上減小了系統開銷，同時增加了鏈路的持續時間。實驗結果表明，RT-CAR協議的分組投遞率更高，路由出現錯誤的次數也更少，更加適合頻譜環境多變的認知無線電網絡。

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