趙雄鷹，史邇冬，汪一鳴

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州215021）

認(rèn)知無線電CR(Cognitive Radio)的概念由Joseph Mitola于1999年首先提出[1-3]，并在其博士論文中對此進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述[4]。認(rèn)知無線電作為一種新型的頻譜共享技術(shù)，通過智能感知并機(jī)會式利用授權(quán)頻段中的頻譜空洞 (即已分配給授權(quán)用戶但未被其占用的空閑頻譜)，實現(xiàn)不可再生頻譜資源的再次利用，為有效解決當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開辟了新的途徑，是解決通信發(fā)展瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)。路由研究是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要方面。由于頻譜動態(tài)接入帶來的節(jié)點可用信道隨時間和空間變化的特性，使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)路由問題呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特質(zhì)，在研究方法上也有重要的區(qū)別?，F(xiàn)有路由協(xié)議如DSR、AODV等在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中失去原有的性能。所以需要設(shè)計能夠反映認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)特點及適用于在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中工作的路由算法和協(xié)議。

目前關(guān)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議研究成果主要可以分成兩類：一類主要集中在路由拓?fù)渌惴ê蛥f(xié)議的設(shè)計上，一般也同時提出了路由的優(yōu)化方案；另一類主要集中在路由優(yōu)化方案的設(shè)計和實現(xiàn)上，對于路由算法和協(xié)議本身考慮得并不多。參考文獻(xiàn)[5]考慮了從源節(jié)點到目的節(jié)點路徑上信道切換次數(shù)和信道可使用概率，從最小延時和使用可用概率最高的信道兩個方面建立路由。參考文獻(xiàn)[6]描述了一種非控制信道依賴型按需路由協(xié)議MSCRP(Multi-hop Single-transceiver CRN Rout-ing Protocol)。參考文獻(xiàn)[7]綜合考慮了鏈路分配、信道干擾、節(jié)點無線電接口限制和多徑路由流量限制,運(yùn)用混合整數(shù)線性規(guī)劃MILP(Mixed Integer Linear Programming)方法優(yōu)化了路由算法。參考文獻(xiàn)[8]在考慮了同步開銷，定義了路由開銷函數(shù)，對路由算法進(jìn)行了優(yōu)化。以上協(xié)議都是在路由建立上進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。然而隨著可用信道的動態(tài)變化，路由將不可避免地面臨建立和撤銷的情況。這將帶來本條路由工作信道的頻繁切換，不利于路由上數(shù)據(jù)持續(xù)流暢地傳輸。所以，本文從路由上數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)流暢性方面提出了一種改進(jìn)的路由協(xié)議方法。

1 路由維護(hù)方案設(shè)計

如圖1所示，假設(shè)已知一條認(rèn)知用戶路由SUS、SU1、SU2、SU3、…、SUR，其中 SU 為認(rèn)知用 戶節(jié) 點，PU 為 主 用戶節(jié)點，V為主用戶的運(yùn)動速度，雙線箭頭為主用戶的運(yùn)動方向。虛線圓是認(rèn)知用戶節(jié)點的發(fā)射功率覆蓋范圍，實線圓是主用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍。點M、N為SU2的相鄰兩節(jié)點SU1、SU3圓形覆蓋范圍的兩個交點。假設(shè)當(dāng)前可用頻率有 F1、F2、F3…，其中 F1為 PU的授權(quán)頻率。假設(shè)在認(rèn)知用戶路由中，SU2當(dāng)前使用的頻率為PU的授權(quán)頻率F1，那么在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前，SU2需要對頻率F1進(jìn)行檢測，若此時PU開始使用 F1，SU2將檢測到 PU的存在。如果SU2繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)在傳送過程中可能與PU發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，所以SU2需要回避，原認(rèn)知用戶路由面臨著失效與重建。為了減小認(rèn)知用戶路由失效重建的頻率，維持認(rèn)知用戶路由上數(shù)據(jù)高效地傳輸，本文提出了一種新的回避方法。即SU2在檢測到PU在使用授權(quán)頻率F1后，通過一定的方法收集相關(guān)參數(shù)以計算PU的運(yùn)動速度、運(yùn)動方向、射頻覆蓋范圍等信息。經(jīng)計算，若通過認(rèn)知節(jié)點SU2的避讓，PU在短時間內(nèi)不會離開SU2的干擾范圍，則SU2將重新尋找工作頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。若PU在短時間內(nèi)將離開SU2的干擾范圍，SU2節(jié)點就可以進(jìn)行地理位置的移動(如圖1中虛線箭頭所示)，與主用戶之間保持一定的距離，同時計算退避時間，暫停數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為提高運(yùn)行的可靠性，退避時間結(jié)束后，SU2節(jié)點需要再一次對PU是否存在進(jìn)行檢測，只有當(dāng)檢測到PU已經(jīng)離開，SU2節(jié)點才能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

當(dāng)測得主用戶的運(yùn)動信息和發(fā)射半徑信息之后可以進(jìn)一步判斷認(rèn)知用戶能否避讓和退避時間。先不考慮暴露終端和隱藏終端的問題，認(rèn)知用戶的避讓距離應(yīng)為主用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍與認(rèn)知用戶的發(fā)射功率覆蓋范圍之交集。考慮到認(rèn)知用戶先是檢測到主用戶的存在再對主用戶進(jìn)行定位，所以主用戶第一次出現(xiàn)的地點與認(rèn)知用戶的距離小于主用戶的發(fā)射功率覆蓋半徑。

如圖1所示，當(dāng)主用戶PU靠近時，PU與SU2的距離只能越來越小，數(shù)據(jù)碰撞概率會越來越高。由于認(rèn)知用戶SU2的避讓范圍不能超出其相鄰兩節(jié)點（SU1，SU3）發(fā)射功率覆蓋范圍的重疊區(qū)域（圖中陰影部分），所以在主用戶PU靠近的過程中，SU2不能完全避讓。當(dāng)主用戶遠(yuǎn)離時，認(rèn)知用戶可以根據(jù)主用戶實際的運(yùn)動方向在圖中陰影部分實施避讓。若主用戶的運(yùn)動速度非?？?，認(rèn)知用戶SU2也可以原地退避一段時間后繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，以上兩種情況下原認(rèn)知用戶路由都不需要改變。

2 路由維護(hù)方案實現(xiàn)過程

認(rèn)知路由中當(dāng)前具有轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的節(jié)點稱為轉(zhuǎn)發(fā)點。本次改進(jìn)的路由維護(hù)方案為認(rèn)知用戶增加了測試功能。在轉(zhuǎn)發(fā)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，該轉(zhuǎn)發(fā)點需要對主用戶存在與否進(jìn)行檢測，若檢測結(jié)果顯示主用戶未使用其授權(quán)頻率，轉(zhuǎn)發(fā)點可以使用當(dāng)前工作頻率繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若檢測結(jié)果顯示主用戶正在使用其授權(quán)頻率，轉(zhuǎn)發(fā)點需要進(jìn)一步測試主用戶相關(guān)參數(shù)，再對收集的參數(shù)進(jìn)行處理得到主用戶運(yùn)動速度、運(yùn)動方向和發(fā)射功率覆蓋范圍，以此判斷主用戶在短時間內(nèi)能不能離開干擾范圍，轉(zhuǎn)發(fā)點能不能避讓等。轉(zhuǎn)發(fā)點將協(xié)同鄰居節(jié)點完成對主用戶信息的檢測，工作過程如圖2所示，具體方法如下：

(1)假設(shè)當(dāng)前認(rèn)知路由使用頻率為F1；

(2)轉(zhuǎn)發(fā)點：

①當(dāng)接收到測試主用戶信息的命令之后，先啟動循環(huán)檢測功能尋找到當(dāng)前可用頻率，假設(shè)是頻率F2；

②按順序分別在 F1、F2、F3…Fn上第一次廣播， 通知鄰居節(jié)點將接收頻率調(diào)整到F2；

③在F2上進(jìn)行第二次廣播，通知鄰居節(jié)點對F1頻率的信號強(qiáng)度進(jìn)行測試；

④等待鄰居節(jié)點回應(yīng)；

⑤收集多個鄰居節(jié)點發(fā)回的數(shù)據(jù)包，比較信號強(qiáng)度參數(shù)，從中選擇信號強(qiáng)度參數(shù)大的2～6組數(shù)據(jù)對主用戶進(jìn)行定位計算；

(3)鄰居節(jié)點：

①當(dāng)接收到轉(zhuǎn)發(fā)點廣播的頻率調(diào)整到F2的命令后，將自己的工作頻率改成F2，等待接收下一個命令；

②接收到對F1頻率進(jìn)行測試的命令后，將自己的接收頻率調(diào)整到F1，對主用戶的信號強(qiáng)度進(jìn)行檢測，同時記錄檢測時刻；

③若沒有檢測到主用戶的信號，則回到初始狀態(tài)；若檢測到主用戶的信號，則將主用戶的信號強(qiáng)度、測得信號的時間以及本節(jié)點地理位置加載到數(shù)據(jù)包上；

④將工作頻率調(diào)整到F2，隨機(jī)退避一段時間，若檢測到F2仍然沖突，則繼續(xù)退避；若F2空閑就將數(shù)據(jù)包發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)點；

⑤進(jìn)入等待應(yīng)答的狀態(tài)；

⑥收到應(yīng)答后，本節(jié)點回到初始狀態(tài)。

在對主用戶的信息收集與處理之后，轉(zhuǎn)發(fā)點需要判斷能否通過主動避讓避免與主用戶之間的干擾，其判斷步驟如下：

(1)在可移動范圍內(nèi)（圖1中陰影部分），依據(jù)主用戶的運(yùn)動速度和運(yùn)動方向、轉(zhuǎn)發(fā)點的運(yùn)動速度以及兩者的干擾半徑，轉(zhuǎn)發(fā)點確定一個新的位置；

(2)若該新位置在可避讓范圍內(nèi)且轉(zhuǎn)發(fā)點移動到該新位置后，與主用戶之間將不再產(chǎn)生干擾，計算移動所需要的時間T。若該新位置在可避讓范圍的邊緣且轉(zhuǎn)發(fā)點移動到該新位置后，需再等待一段時間才與主用戶之間不再產(chǎn)生干擾，則計算移動與等待的總時間T；

(3)將 T與預(yù)先設(shè)定的等待閾值（如 1～2 min）和變頻閾值（如 8～10 min）進(jìn)行比較,若 T小于等待閾值，則轉(zhuǎn)發(fā)點等待相應(yīng)的時間實現(xiàn)避讓；若T大于等待閾值而小于變頻閾值，則轉(zhuǎn)發(fā)點移動到步驟(1)確定的新位置實現(xiàn)避讓；若 T遠(yuǎn)大于變頻閾值（如 10 min），則轉(zhuǎn)發(fā)點放棄當(dāng)前頻率。

3 仿真及結(jié)果分析

為了研究路由維護(hù)方案的可行性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以事件驅(qū)動模擬實際場景進(jìn)行方案驗證[9]。就認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的場景進(jìn)行設(shè)定，不失一般性，考慮主網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)都是節(jié)點可移動的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)存在僅有一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的一條路由，如圖3所示，其中start、1、dest分別為認(rèn)知用戶路由的源節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)點和目的節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)地址分別設(shè)為（1，2，3）。 dis為主用戶，其余的節(jié)點為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的其他鄰居節(jié)點。黑色線條為預(yù)設(shè)的主用戶運(yùn)動軌跡，主用戶將以預(yù)先設(shè)定的速度沿著黑色線條勻速運(yùn)動。假設(shè)各認(rèn)知節(jié)點自身的位置是已知的。

圖3中三條黑色線段的參數(shù)如表1所示，表中X、Y為某條線段的起點或終點的橫縱坐標(biāo)，“第一段”對應(yīng)的上面兩個參數(shù)為這條線段起點的橫縱坐標(biāo)，下面兩個參數(shù)為終點的橫縱坐標(biāo)，以上兩點確定了圖中主用戶運(yùn)動路徑的第一段?！暗谝欢巍弊詈笠粋€參數(shù)為主用戶在這段路徑上運(yùn)動的速度。表中“第二段”和“第三段”后面對應(yīng)的是第二段和第三段路徑的參數(shù)。

表1 路徑參數(shù)

仿真結(jié)果如圖4～圖6所示，以圖中矩形框中轉(zhuǎn)發(fā)點為研究對象，轉(zhuǎn)發(fā)點的原始坐標(biāo)為(0.397，0.561)。當(dāng)主用戶dis靠近但與轉(zhuǎn)發(fā)點之間沒有產(chǎn)生干擾時，轉(zhuǎn)發(fā)點仍不斷傳送數(shù)據(jù)，如圖4所示。當(dāng)主用戶漸漸靠近并與轉(zhuǎn)發(fā)點之間產(chǎn)生干擾時，轉(zhuǎn)發(fā)點暫停數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過對相關(guān)參數(shù)的收集與計算，退避到一個新的地理位置（0.604，0.363），同時計算得到退避時間 164.8 s（約2.7 min），如圖5所示。退避結(jié)束后，轉(zhuǎn)發(fā)點需要再次對主用戶dis是否存在進(jìn)行檢測，若檢測到主用戶dis已經(jīng)離開干擾范圍，轉(zhuǎn)發(fā)點將繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6中主用戶 dis的地理坐標(biāo)為（0.334，0.604）。 仿真限定每個節(jié)點的發(fā)射功率覆蓋半徑為0.3 km，則主用戶dis與轉(zhuǎn)發(fā)點之間的距離約為0.36 km＞0.3 km，所以主用戶與轉(zhuǎn)發(fā)點之間不再存在干擾。再由轉(zhuǎn)發(fā)點的原始坐標(biāo)、新坐標(biāo)以及退避時間可得轉(zhuǎn)發(fā)點的退避距離為0.286 km，速度為6.36 km/hr。此速度相當(dāng)于人的步行速度，所以在實際應(yīng)用中該方案可實現(xiàn)。

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，主用戶使用其授權(quán)頻段時間的不確定性將帶來認(rèn)知用戶路由頻繁地失效與重建。為了減少這種失效重建的頻率，本文對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的路由維護(hù)提出了一種改進(jìn)的方案，對網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)節(jié)點協(xié)議及功能作了簡單的仿真分析?？紤]到實際電磁環(huán)境的復(fù)雜性，所涉及的具體算法(例如定位算法)及其性能分析將在后續(xù)論文中進(jìn)一步闡述。

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