張同 王欽為 劉杰

【摘 要】本文討論分析了無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的背景，詳細(xì)介紹了認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)了無(wú)線自組織的網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)多跳無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中路由不穩(wěn)定且效率低的問(wèn)題，提出了基于多路徑路由發(fā)現(xiàn)及最優(yōu)路由選擇的方法，設(shè)計(jì)了離線計(jì)算與在線計(jì)算結(jié)合的方式，從而提高了路由選擇策略計(jì)算效率。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)；多徑路由；路由選擇

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的需求已經(jīng)從兩跳、單跳擴(kuò)展到多跳，建立高效、穩(wěn)定的路由在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中次用戶網(wǎng)絡(luò)的目的端和源端之間成為網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在動(dòng)態(tài)頻譜認(rèn)知的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，次用戶可靠路由的建立，多跳數(shù)據(jù)傳輸需求的滿足，數(shù)據(jù)傳輸效率目標(biāo)的提高，成為網(wǎng)絡(luò)層在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。

一、技術(shù)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)認(rèn)知自組網(wǎng)是基于基礎(chǔ)設(shè)施的輔助，維護(hù)簡(jiǎn)單，但在頻帶選擇上非常受限，并隨時(shí)面臨專用公共控制信道不可用的情況，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失去控制。

為了清晰、全面的理解路由策略在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)需要，下面從網(wǎng)絡(luò)、次用戶和信道三個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析路由策略設(shè)計(jì)在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

（一）信道方面

首先，很多個(gè)因素變化可以導(dǎo)致信道可用性在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生變化，包括地理位置（次用戶）、對(duì)于信道的使用情況（主用戶）和空閑的信道數(shù)的變化。因此，在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由過(guò)程中，次用戶發(fā)現(xiàn)主用戶在其需要的頻譜上，將會(huì)發(fā)生信道的切換，信道動(dòng)態(tài)變化造成鏈路的失效，同時(shí)還可能引入信道競(jìng)爭(zhēng)在次用戶之間，從而路由維護(hù)開(kāi)銷需要額外增加；其次，由于多種多樣認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)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(shí)存在較大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速率的差異；最后，由于次用戶在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜中的環(huán)境，因此對(duì)于次用戶節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，接入頻譜的可用性影響到路由的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

（二）次用戶方面

首先，在頻譜使用上授權(quán)的主用戶享有優(yōu)先權(quán)，次用戶由于存在信道切換時(shí)延和釋放頻譜等待時(shí)延（主用戶），路由策略在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)上需要滿足一下要求，信道切換的最小化時(shí)延和端到端服務(wù)質(zhì)量等待時(shí)延。其次，由于次用戶在網(wǎng)絡(luò)中處理速度和傳輸功率等能力的差異，用戶次數(shù)的有限性會(huì)阻礙端到端的整體性能；最后，次用戶的移動(dòng)性方面，次用戶的移動(dòng)速度影響到信道的接入時(shí)間，速度越快接入時(shí)間越短，信道的切換次數(shù)越多，從而消耗更多的信道資源，次用戶的移動(dòng)時(shí)間太快，并且無(wú)法預(yù)測(cè)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的下降，并且干擾到主用戶。

（三）網(wǎng)絡(luò)方面

首先，要衡量跳數(shù)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，次用戶距離太長(zhǎng)主用戶的干擾也越大，鏈路也會(huì)頻繁的失效，從而消耗更多的能量和維護(hù)路由成本的增加。其次，在發(fā)現(xiàn)路由、選擇路由、維護(hù)路由和傳輸數(shù)據(jù)包方面都會(huì)消耗不同程度的能量。最后，路由自適應(yīng)和高效的恢復(fù)機(jī)制對(duì)認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)十分重要。

對(duì)認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中，不穩(wěn)定底層頻譜資源，高成本的頻繁信道切換造成消耗等問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定、合理的認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制。

二、多路徑路由協(xié)議設(shè)計(jì)

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

分為發(fā)現(xiàn)路由、選擇路由和反饋路由三個(gè)階段：

發(fā)現(xiàn)路由：發(fā)生在信道上的源端次用戶鄰居節(jié)點(diǎn)間。用于判斷相鄰節(jié)點(diǎn)之間是否存在干擾關(guān)系。

路由選擇主要在目的端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算，獲得多條可達(dá)的路由路徑。

路徑反饋發(fā)生在自組織網(wǎng)絡(luò)的目的端節(jié)點(diǎn)上。反饋節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)和所以使用的下一個(gè)信道。

三、多路徑路由建模

在圖1場(chǎng)景中，同時(shí)存在主用戶網(wǎng)絡(luò)和次用戶網(wǎng)絡(luò)，并共享一段授權(quán)頻譜。其中，主用戶網(wǎng)絡(luò)對(duì)于授權(quán)頻譜享有優(yōu)先使用權(quán)，次用戶網(wǎng)絡(luò)采用自組織網(wǎng)絡(luò)形式組網(wǎng)，對(duì)于授權(quán)頻譜進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)授權(quán)頻譜空閑時(shí)接入。

次用戶網(wǎng)絡(luò)采用多路徑傳輸模式。其中S和D分別表示數(shù)據(jù)發(fā)送源端和目的端，與之共存的主用戶網(wǎng)絡(luò)中存在正在傳輸?shù)闹饔脩舭l(fā)射端和接收端以及處于空閑狀態(tài)的主用戶，當(dāng)主用戶與次用戶使用相同信道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)吋，必然導(dǎo)致如虛線所示的干擾。

四、選擇路由機(jī)制

在選擇動(dòng)態(tài)路由之前，必須構(gòu)建備選的集合路由。而后，通過(guò)離線方式進(jìn)行路徑優(yōu)先級(jí)索引的計(jì)算，而選擇路由則通過(guò)優(yōu)先級(jí)索引進(jìn)行在線方式的動(dòng)態(tài)選擇。

（一）建立路由備選集階段

節(jié)點(diǎn)在認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的能量是有限的，如果數(shù)據(jù)在所有路徑上發(fā)送，會(huì)造成數(shù)據(jù)高效傳輸節(jié)點(diǎn)上的能量無(wú)法使用，從而浪費(fèi)了頻譜資源和節(jié)點(diǎn)能量。因此，需要選擇路由，挑選發(fā)送數(shù)據(jù)的最優(yōu)多徑路由。

（二）選擇路由階段

自組織網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)可利用的節(jié)點(diǎn)頻譜和能量的消耗情況，動(dòng)態(tài)選擇多條路徑進(jìn)行發(fā)送。通過(guò)本路徑和其它路徑的信息計(jì)算值，來(lái)確定在什么時(shí)刻進(jìn)行路徑的激活。分為離線和在線兩個(gè)階段。

離線階段：根據(jù)各路徑上中間節(jié)點(diǎn)的頻譜可用性、無(wú)線信道狀態(tài)以及能量狀態(tài)，確立各動(dòng)態(tài)因素的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

在線計(jì)算：當(dāng)認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中源端次用戶需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，備選路徑的第一跳節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的優(yōu)先級(jí)索引按照升序進(jìn)行排序，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)該路徑屬于前個(gè)之一，則激活該路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

由于索引的計(jì)算和存儲(chǔ)采用離線方式，而對(duì)于路徑的選擇僅需使用在線方式查找索引列表，優(yōu)化問(wèn)題的整體計(jì)算量得到精簡(jiǎn)。同時(shí)由于該索引的計(jì)算方式并非集中式計(jì)算，機(jī)制具有良好的可擴(kuò)展性。

五、小結(jié)

本文對(duì)認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中多路徑路由能效較低的問(wèn)題，對(duì)動(dòng)態(tài)最優(yōu)路由選擇問(wèn)題進(jìn)行理論建模，實(shí)現(xiàn)了最小化認(rèn)知無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)源端目的端傳輸時(shí)延和最大化能量使用效率方面性能的折衷，通過(guò)計(jì)算路徑索引列表確定多路徑路由激活策略，并設(shè)計(jì)了離線計(jì)算與在線計(jì)算結(jié)合的方式，從而提高了路由選擇策略計(jì)算效率。

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