周坤曉　袁華強(qiáng)　趙慧

(東莞理工學(xué)院　計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東東莞　523808)

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認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由綜述

周坤曉袁華強(qiáng)趙慧

(東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東東莞523808)

認(rèn)知無(wú)線電用戶節(jié)點(diǎn)能夠感知自身周圍的無(wú)線環(huán)境，并且能使用授權(quán)用戶未占用的無(wú)線頻譜資源。由于認(rèn)知用戶可用頻譜機(jī)會(huì)的動(dòng)態(tài)特性，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。目前，研究者們已經(jīng)提出了多種在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行有效組播的方案，包括基于優(yōu)化理論，網(wǎng)絡(luò)編碼，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方案等。本文陳述了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)已有的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播協(xié)議進(jìn)行了全面的綜述，最后給出了未來(lái)的研究方向。

組播；認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)；路由；優(yōu)化理論

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Networks，CRNs)可以實(shí)現(xiàn)任何維度無(wú)限制的無(wú)線通信，即無(wú)處不在的連接能夠超越異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜多樣性、各種地域界限以及不同的通信規(guī)則和管制政策等多種限制，構(gòu)成最高級(jí)的自適應(yīng)系統(tǒng)。從目前的技術(shù)發(fā)展水平來(lái)看，盡管這種理想的智能網(wǎng)絡(luò)還難以實(shí)現(xiàn)，但是認(rèn)知無(wú)線電所具備的頻譜捷變以及協(xié)議獨(dú)立等特點(diǎn)，使得構(gòu)建多頻段環(huán)境下提供無(wú)縫系統(tǒng)操作的平臺(tái)成為可能。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使得其在網(wǎng)絡(luò)租借服務(wù)、公共應(yīng)急服務(wù)及軍事方面都有較好的應(yīng)用前景。

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知無(wú)線電用戶(SU)能夠利用認(rèn)知無(wú)線電的技術(shù)來(lái)探測(cè)和感知周圍的環(huán)境，在不影響授權(quán)用戶(PU)利益的前提下去接入感知到的空閑信道從而提高網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的利用率。然而，由于不同的認(rèn)知無(wú)線電用戶所處的地理位置不同，他們感知到環(huán)境情況也各不相同。從信道的角度上來(lái)說(shuō)就是每個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶所感知到的可用信道各有差異。這一特征大大增加了節(jié)點(diǎn)之間相互通信的難度，同時(shí)也給在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)這種獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行組播通信帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

多播或組播通信是眾多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一種基本的網(wǎng)絡(luò)原語(yǔ)。一些設(shè)想的應(yīng)用包括多媒體應(yīng)用程序的支持(如視頻會(huì)議)，文件分發(fā)，新聞或更新傳播。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上的多播是一個(gè)重要的，但具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。在能夠部署它之前需要很多的問(wèn)題要解決，包括帶寬，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包丟失，路由，可靠性，安全問(wèn)題和服務(wù)質(zhì)量。在穩(wěn)定性，吞吐量和數(shù)據(jù)包丟失，減少帶寬的要求和較少的功耗之間進(jìn)行權(quán)衡是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中多播的主要目的。此外，由于CRNs中拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，CRNs多播具有較大的挑戰(zhàn)性。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)鍵取決于PU到達(dá)的時(shí)間和空間方面，這使得它常常要在未知的無(wú)線環(huán)境中運(yùn)行，從而可能導(dǎo)致各種認(rèn)知節(jié)點(diǎn)擁有異構(gòu)可用信道集合的場(chǎng)景。這種信道異構(gòu)的特點(diǎn)使多播的問(wèn)題復(fù)雜化，并且可能意味著相鄰結(jié)點(diǎn)之間缺乏一個(gè)公共的信道[1]。文獻(xiàn)[2]給出了多跳CRNs所面臨的挑戰(zhàn)更詳細(xì)的分析。

本文對(duì)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播問(wèn)題算法、技術(shù)和協(xié)議進(jìn)行了綜述。首先介紹了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由面臨的挑戰(zhàn)，接著對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播現(xiàn)有工作進(jìn)行了總結(jié)，最后對(duì)這一領(lǐng)域未來(lái)研究中所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。

1　認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播面臨的挑戰(zhàn)

為了充分利用多播給認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，克服隨之而來(lái)的巨大挑戰(zhàn)至關(guān)重要。在描述各種用于CRNs的特定組播協(xié)議之前，我們首先描述CRNs中與組播相關(guān)的各種挑戰(zhàn)。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上說(shuō)是動(dòng)態(tài)的，CRNs拓?fù)涞淖兓Q于授權(quán)用戶的位置及活動(dòng)。相比于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組播，這些頻繁的變化引發(fā)了大量的問(wèn)題。信道的異質(zhì)性就是其中一個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)可能沒(méi)有一個(gè)共同的信道可用，使得他們必須使用不同的信道進(jìn)行組播。因此，一個(gè)多播傳輸被分解成許多小的單播傳輸，從而導(dǎo)致顯著的切換時(shí)延。實(shí)現(xiàn)路由的穩(wěn)定性是另一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)到一個(gè)授權(quán)用戶活動(dòng)時(shí)，認(rèn)知用戶的傳輸就會(huì)被中斷。路由算法應(yīng)該能夠處理這樣的變化，并相應(yīng)地調(diào)整?？上驳氖?，已經(jīng)有工作表明，如果它們是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的組播容量，和主網(wǎng)絡(luò)一樣，可以從理論上實(shí)現(xiàn)相同的性能界限[3]。然而，要實(shí)現(xiàn)這些性能界限，必須要解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播中的主要挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：1) PU動(dòng)態(tài)性[4]；2) 信道多樣性[5-6]；3) 頻譜異質(zhì)性[2]；4) 頻譜機(jī)會(huì)性[7]。這對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題具有重大意義。例如，如果一個(gè)認(rèn)知用戶使用高的傳輸功率以達(dá)到一個(gè)大的接收用戶組，由于產(chǎn)生了更大的干擾區(qū)域，那么為了確保沒(méi)有授權(quán)用戶接收器是活躍的，它可能需要等待更長(zhǎng)的時(shí)間。另一方面，采用較低發(fā)射功率進(jìn)行傳輸將減少由于PU接收而中斷的幾率，但可能會(huì)導(dǎo)致更多的傳輸——由于傳輸功率的降低，每一個(gè)發(fā)送端現(xiàn)在能夠達(dá)到接收器的數(shù)量較少。這突出了“功率多樣性”或不同發(fā)射功率傳輸能力之間的潛在的權(quán)衡。類似的權(quán)衡存在于現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的“速率多樣性”，一個(gè)較低的速率傳輸有一個(gè)更大的接收面積，而更高的速率傳輸能夠在一個(gè)較短的范圍內(nèi)可靠地解碼。

2　認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由協(xié)議

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組播路由是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了各種協(xié)議。文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了許多多播協(xié)議用來(lái)解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的能量效率[8]，吞吐量[9-11]，和延遲[12-13]等重要指標(biāo)。由于在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由研究的主體大部分集中在單播路由協(xié)議的發(fā)展，有相當(dāng)多的工作致力于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的單播路由指標(biāo)。但是單播和組播路由是根本不同的(特別是多播路由通常利用無(wú)線組播的優(yōu)勢(shì)使用鏈路層廣播)，研究者們一直致力于自定義基于鏈路質(zhì)量單播路由度量用于組播路由應(yīng)用。例如，Roy等人采用各種路由度量來(lái)為組播通信量構(gòu)建高吞吐量的單播路由樹[14]。在技術(shù)層面上有采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播協(xié)議[15-16]； 基于優(yōu)化的組播協(xié)議[17-19]；基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的組播協(xié)議[20- 23]；基于博弈論的組播協(xié)議[24-25]。

為了解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播部署時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，研究者們提出了相應(yīng)的解決方案。這些解決方案被歸為如下三類：授權(quán)用戶感知的彈性組播協(xié)議，組播調(diào)度協(xié)議，其它一般CRN組播協(xié)議。

2.1授權(quán)用戶感知(PU-aware)的彈性組播

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，為了應(yīng)對(duì)授權(quán)用戶可能會(huì)破壞認(rèn)知用戶的通信的問(wèn)題，為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)開發(fā)PU感知的彈性組播路由引起了越來(lái)越大的興趣。由于授權(quán)用戶可能會(huì)干擾甚至打斷認(rèn)知用戶的通信，因此研究授權(quán)用戶感知的彈性路由變得至關(guān)重要?；诖_保認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中保持通信會(huì)話不被干擾的重要性，文獻(xiàn)[26]提出了一個(gè)基于備份路徑的方法。當(dāng)授權(quán)用戶在工作路徑活動(dòng)的情況下，該方法通過(guò)把通信流切換到備份路徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。備份路徑問(wèn)題被建模為一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題。備份路徑通信的切換由基于貝葉斯決策框架的統(tǒng)計(jì)規(guī)則觸發(fā)。通過(guò)在一個(gè)多跳CRN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于平均包時(shí)延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作者證明了有接近于50 %的降低。

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，基于多層超圖(multi-layer hyper-graph，MLHG)概念，文獻(xiàn)[27]提出了一種彈性組播路由框架，該框架對(duì)于失效或者信道缺失有一定的魯棒性。CRN被建模成一個(gè)MLHG，MLHG的每一層代表著一個(gè)不同的信道，認(rèn)知無(wú)線電用戶組共享一個(gè)公共信道，該信道被建模為一條超邊?？紤]信道切換和傳輸時(shí)延，在選擇從源SU到目標(biāo)SU的首選路徑的同時(shí)，為了保護(hù)組播會(huì)話，算法同時(shí)計(jì)算一條備份路徑，此路徑盡可能的選擇和首要路徑不相交的超邊。為了決定組播首選和備份路徑來(lái)最小化最大路徑時(shí)延和最小化選擇信道鏈路的條數(shù)，作者提出了一個(gè)ILP模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者證實(shí)了基于組播備份的可行性，同時(shí)表明隨著信道數(shù)量的增加，能夠用于路由的首選和備份路徑的條數(shù)也相應(yīng)隨著變大。

最近，文獻(xiàn)[28-29]提出了一種用于授權(quán)用戶感知組播的機(jī)制，該方法能夠保護(hù)信道的失效和缺失。為了防止PU導(dǎo)致的頻譜干擾,同時(shí)保證最小化組播會(huì)話的成本和最大化可用多播會(huì)話的數(shù)量，該研究的首要目標(biāo)是提供多個(gè)多播會(huì)話。這項(xiàng)工作提出了組播會(huì)話保護(hù)的三種方法。在第一種方法(無(wú)鏈路共享保護(hù)),為了防止一個(gè)PU的一次中斷，為每個(gè)多播會(huì)話分別建立主要和備份多播樹(共享授權(quán)用戶風(fēng)險(xiǎn)組)。第二種方法(鏈路共享保護(hù))像第一種方法一樣生成首要和備份組播樹，但允許備份樹增加共享資源(備份的樹可以跟同一會(huì)話的主要樹分享一些鏈接,也包括備份樹任何會(huì)話的鏈路)，同時(shí)限制可以在一個(gè)或多個(gè)會(huì)話中共享的鏈接的數(shù)量，這是為了避免特定PU出現(xiàn)所導(dǎo)致的主要和備份樹的共同失效。第三種方法(保護(hù)環(huán))為每個(gè)多播會(huì)話產(chǎn)生一個(gè)環(huán)，此環(huán)在源節(jié)點(diǎn)開始和結(jié)束，同時(shí)通過(guò)所有的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此舉是確保沿著環(huán)的路徑的共享授權(quán)用戶風(fēng)險(xiǎn)組，獨(dú)立于其他任何沿著相同的環(huán)路徑，此路徑使得當(dāng)PU變得活躍,導(dǎo)致一條路沿著環(huán)失敗時(shí)每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)能夠接收多播消息的副本。結(jié)果表明,一般而言，網(wǎng)絡(luò)中滿足會(huì)話的數(shù)量增加，多播會(huì)話的成本就會(huì)減少，因?yàn)榭捎玫男诺涝谠黾踊蛘邥?huì)話的規(guī)模變得越來(lái)越小。因?yàn)榄h(huán)共享方法以最少的成本生成組播會(huì)話，在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)共享方法可以支持的組播會(huì)話的數(shù)量最多。

在文獻(xiàn)[30]中，作者提出了一種基于聯(lián)盟博弈論的算法來(lái)解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播中的資源分配問(wèn)題。他們的后續(xù)研究[31]又提出了一個(gè)基于Stackelberg競(jìng)價(jià)博弈論的組播協(xié)議來(lái)處理PU與SU之間的交互以及資源分配問(wèn)題。

2.2認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播調(diào)度協(xié)議

組播調(diào)度協(xié)議的提出主要是為了應(yīng)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的信道異質(zhì)性問(wèn)題。文獻(xiàn)[32]提出了輔助組播調(diào)度協(xié)議來(lái)減少認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的端到端組播時(shí)延。該方案使用三個(gè)操作：協(xié)助，偵聽(tīng)和碼字交換。協(xié)助操作允許多播接收者在組播的過(guò)程中提供協(xié)助，也把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他接收器。偵聽(tīng)引入了兩個(gè)不同的組播組之間的援助。這發(fā)生在屬于某一組的用戶無(wú)意中聽(tīng)到預(yù)期為另一組的傳輸時(shí)。當(dāng)偵聽(tīng)到后，這些節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在可以向目標(biāo)組轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。引入碼字交換也是為了通過(guò)使用編碼的數(shù)據(jù)包來(lái)協(xié)助組播調(diào)度。預(yù)期的組播接收者很容易解碼和提取數(shù)據(jù)。這三個(gè)操作能夠有效減少總的組播時(shí)間。在組播的吞吐量和總組播時(shí)間方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輔助組播有更好的性能。同時(shí)結(jié)果表明，當(dāng)使用沒(méi)有援助，發(fā)送方為了向組播接收方傳輸數(shù)據(jù)使用多達(dá)六個(gè)時(shí)隙。組內(nèi)協(xié)助允許通過(guò)援助操作，使得所需要的傳輸數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)降低到五個(gè)。此外，當(dāng)偵聽(tīng)操作啟用并允許組內(nèi)援助，所需的時(shí)隙數(shù)量減少到四個(gè)。最后，當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)編碼和編碼數(shù)據(jù)包用于交換時(shí)，用于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)減少到三個(gè)。

為了解決認(rèn)知無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中協(xié)助組播調(diào)度問(wèn)題，他們?cè)诮诠ぷ鱗33]中提出了兩種用于協(xié)作組播的方法：一種依靠組播接收者在分發(fā)組播數(shù)據(jù)到其他接收者中的輔助，第二種采用了網(wǎng)絡(luò)編碼的方法。在另外一個(gè)文獻(xiàn)[34]中，作者提出了一個(gè)貪心的調(diào)度協(xié)議來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在這個(gè)工作中，用戶之間的公平性也被認(rèn)為是與高效的頻譜利用率相一致。為了鼓勵(lì)更多的認(rèn)知用戶參與合作通信，一個(gè)協(xié)作傳輸鏈路最多分配一個(gè)信道。他們還采用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)減少開銷和實(shí)現(xiàn)更好的錯(cuò)誤控制。該問(wèn)題被建模成一個(gè)非線性整數(shù)規(guī)劃，同時(shí)提出了一個(gè)在線調(diào)度協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信道分配和功率控制策略。

2.3其它CRN組播協(xié)議

近期，研究人員提出了一些CRN特定的組播路由協(xié)議。文獻(xiàn)[35]提出了一個(gè)用于引入認(rèn)知無(wú)線電的移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的組播路由協(xié)議(CoCast)來(lái)減輕與著名組播協(xié)議ODMRP[36]相關(guān)的可擴(kuò)展性問(wèn)題。所有節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為是移動(dòng)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)收發(fā)器，在網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)信道可用。CoCast和ODMRP以相似的方式工作，但區(qū)別在于樹和網(wǎng)的構(gòu)造。ODMRP在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要確保一旦有受損路徑，有可選路徑可以使用。與ODMRP相比，CoCast構(gòu)造一棵不同于網(wǎng)絡(luò)的可選路徑，減少了路由開銷。仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中組播來(lái)源數(shù)增加時(shí)，該算法CoCast執(zhí)行得更好。同時(shí)該算法和ODMRP相比更具有可伸縮性。

近來(lái)，也有一些研究[34，37-38]提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播調(diào)度協(xié)議。為了優(yōu)化認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的整體性能，整合協(xié)作技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼，文獻(xiàn)[34]提出了一個(gè)優(yōu)化組播調(diào)度框架。本工作使用網(wǎng)絡(luò)編碼減少開銷，并執(zhí)行錯(cuò)誤控制和恢復(fù)。特別地，與認(rèn)知用戶盲目推送對(duì)于其他用戶沒(méi)用的包的簡(jiǎn)單方法相比，網(wǎng)絡(luò)編碼是用來(lái)解決以合作方式進(jìn)行調(diào)度傳輸而不產(chǎn)生太多開銷的挑戰(zhàn)性任務(wù)?；诩惺截澬膬?yōu)化和隨機(jī)Lyapunov優(yōu)化，此文還提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播調(diào)度協(xié)議，同時(shí)作者目前的分析以及仿真結(jié)果證明對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的組播性能能夠得到顯著改善。文獻(xiàn)[39]提出了一種基于自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)技術(shù)的多經(jīng)組播路由協(xié)議。

還有一些研究[7]把認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題作為一個(gè)最小能量組播(MEM)樹問(wèn)題來(lái)考慮。目的是為了節(jié)省一個(gè)組播樹的建設(shè)中使用的整體能量。除了樹的構(gòu)建過(guò)程中的能量消耗，我們也必須要考慮在頻譜感知方面的能量消耗。在這項(xiàng)工作中，頻譜的機(jī)會(huì)性不僅取決于PU的傳輸，也取決于SU的傳輸功率和PU的流量負(fù)載。由于高首要流量負(fù)載的MEM樹對(duì)于低首要流量負(fù)載的MEM樹不一定是最優(yōu)，反之亦然。因此，需要一個(gè)自適應(yīng)MEM樹來(lái)應(yīng)對(duì)。本文表明，MEM問(wèn)題等價(jià)于計(jì)算植根于源節(jié)點(diǎn)的直接Steiner樹問(wèn)題。作者提出了一個(gè)近似算法，在CRNs中構(gòu)建MEM樹的同事考慮頻譜機(jī)會(huì)的影響。結(jié)果表明，在主網(wǎng)絡(luò)不同的流量負(fù)載下的，在平均節(jié)能方面該算法的性能優(yōu)于基線近似算法(為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出的)。更好的性能是基于這樣的事實(shí)，一方面，基于不變的主通信負(fù)載基線近似算法對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就像主網(wǎng)絡(luò)一樣構(gòu)建一個(gè)無(wú)向加權(quán)節(jié)點(diǎn)組播樹。另一方面，本文提出的近似算法構(gòu)建了一個(gè)有向Steiner樹，為了適應(yīng)主要通信量負(fù)荷，還集成了傳感能量來(lái)產(chǎn)生組播樹。

除了解決MEM問(wèn)題的工作，我們最近的工作[40]提出了一個(gè)構(gòu)建最小組播帶寬樹的協(xié)議。為了構(gòu)造一個(gè)組播樹來(lái)滿足最小組播帶寬消耗，我們提出了兩種方法。第一種方法首先構(gòu)造一棵最小生成樹，然后通過(guò)提出的算法來(lái)進(jìn)行時(shí)隙分配。第二種方法是把構(gòu)建最小生成樹和時(shí)隙分配結(jié)合起來(lái)考慮，使得整體的帶寬消耗最小化。用于評(píng)價(jià)所提出的算法的指標(biāo)是傳輸時(shí)隙數(shù)和成功率，這些指標(biāo)都優(yōu)于基線算法。Matam等人的研究[41]以節(jié)省帶寬的目標(biāo)解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題。通過(guò)一種啟發(fā)式算法，他們提出一種計(jì)算最小化帶寬消耗組播樹的協(xié)議。性能評(píng)估表明，即使在最壞的情況下，該算法比其他的基線算法有著更好的性能。最新的一些關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播可見(jiàn)于文獻(xiàn)[42-44]。

3　未來(lái)的研究方向

如何把人工智能應(yīng)用于組播框架是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)通常要在動(dòng)態(tài)不可預(yù)測(cè)和未知的環(huán)境中運(yùn)行，通過(guò)整合人工智能技術(shù)，使之無(wú)縫集成于路由框架的核心變得越發(fā)重要?！罢J(rèn)知組播協(xié)議”能夠智能的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的不斷變化，因此會(huì)是一個(gè)重要的，但尚未開發(fā)的研究領(lǐng)域。感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[45]獲取關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于人工智能的認(rèn)知路由協(xié)議的專題教程和詳細(xì)描述。

建立可信組播路由協(xié)議將會(huì)是另外一個(gè)值得注意的方向。在單播可靠的端到端的協(xié)議中采用的ARQ方案不適合組播，因?yàn)樗竺恳粋€(gè)數(shù)據(jù)包，或一組數(shù)據(jù)，都需要接收器確認(rèn)。文獻(xiàn)[46]提出了用于無(wú)線局域網(wǎng)的采用否定確認(rèn)的可靠組播，通過(guò)從多播組成員中選出一個(gè)作為組首領(lǐng)，它被作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組的代表用來(lái)發(fā)送可靠的數(shù)據(jù)包接收反饋到組播源。關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中可靠的無(wú)線組播協(xié)議，特別是高度動(dòng)態(tài)和容易出錯(cuò)的環(huán)境下仍有很多問(wèn)題需要研究。

組播路由體系結(jié)構(gòu)應(yīng)將頻譜建模納入其基本設(shè)計(jì)中。一種方法是將授權(quán)用戶的到達(dá)過(guò)程和通信量模型進(jìn)行概率建模，高概率避免由授權(quán)用戶需要的信道。例如，一個(gè)認(rèn)知用戶可以利用頻譜偵聽(tīng)數(shù)據(jù)來(lái)選擇在一天的一個(gè)特定的時(shí)間和一個(gè)特定的位置趨于長(zhǎng)時(shí)間可用的白色空間(由于沒(méi)有PU活動(dòng)出現(xiàn))。研究者們已經(jīng)提出了一些頻譜預(yù)測(cè)技術(shù)，包括：(a)隱馬爾科夫模型為基礎(chǔ)的，(b)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，(c)貝葉斯推斷為基礎(chǔ)的[47]。有關(guān)頻譜預(yù)測(cè)技術(shù)的更多細(xì)節(jié)，感興趣的讀者可以通過(guò)文獻(xiàn)[47]和其中的參考文獻(xiàn)獲取更詳細(xì)的信息。

另外一個(gè)未來(lái)的研究方向是與其他的自由度相結(jié)合，比如功率控制，鏈路層速率多樣性，接口多樣性和無(wú)縫連接流動(dòng)性技術(shù)，與網(wǎng)絡(luò)編碼，博弈論，和優(yōu)化應(yīng)用于組播體系結(jié)構(gòu)中。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行組播，需要在如何與這些自由度進(jìn)行相互作用中投入更多的研究。

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A Survey on Multicasting Routing in Cognitive Radio Networks

ZHOU KunxiaoYUAN HuaqiangZHAO Hui

(School of Computer and Network Security，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)

In cognitive radio networks, the secondary users equipped with cognitive radio can sense the wireless environment itself and access the “spectrum hole” unoccupied by the primary user. Multicasting in cognitive radio networks is a challenging problem due to the dynamic nature of spectrum opportunities available to the secondary users. Various approaches, including those based on optimization theory, network coding, reinforcement learning, have been proposed for performing efficient multicast in cognitive radio networks. This paper provides the challenges of multicasting in CRNs, provides a comprehensive survey of protocols that have been proposed for multicasting in cognitive radio networks, and finally gives future research directions.

multicasting; cognitive radio networks; routing; optimization theory

2016-06-30

廣東省自然科學(xué)基金(2014A030310375，2014A030313632)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61572131)。

周坤曉(1981—)，男，湖北鐘祥人，講師，博士，主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)計(jì)算研究。

TP311

A

1009-0312(2016)05-0046-06