认知Ad-Hoc网络中一种实时信道分配路由协议*

朱 江，郭 兵，段 昂

(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065)

0 引言

目前，频谱资源稀缺问题越来越被受到重视。认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术[1]的提出使得频谱资源可以通过动态的分配而得到更充分利用。动态频谱接入所带来的频谱在时间和空间上的间断性，使得认知无线电网络中的路由呈现出不同于传统网络的特点，在研究方法上更是需要在以往路由设计思路上做出适应性的改变。

针对认知环境下的路由问题，国内外学者提出了一些算法。文献[2]提出的SSRP算法从频谱异构性和节点移动方面考虑，引入网络连通性和最弱链路持续时间，由于最弱链路持续时间需要计算节点移动方向、速度等，对节点定位功能有较高的要求。文献[3]重点研究了节点移动对网络性能的影响，并引入马尔科夫状态预测，在选择路径前预判节点的相对位置，削弱节点移动对路由的破坏，此算法在信道切换方面考虑不足，没有充分利用频谱资源。文献[4]依据DSR路由协议，提出了联合路由和信道分配算法，在路由回复阶段进行信道分配，简化了算法，但信道分配的实时性不够强。

为了更好地适应动态频谱环境，提高路由稳定性，本文提出了实时信道分配的路由协议。该协议在数据的传输阶段引入了IN MESSAGE数据包，IN MESSAGE数据包在相邻节点间传递，为路由节点传递周边频谱环境的动态变化。这样，路由的中间节点可以通过实时的信道分配避免与授权用户的冲突，减少路由错误的发生。

1 系统模型

1.1 网络模型

假设在一个认知Ad Hoc网络中有N个认知用户（SU）和M个授权用户（PU）。每个授权用户占用一个授权信道，记授权信道的带宽分别为 W1，W2，…，WM，授权用户按照自身业务需求使用其授权信道。为了不对授权用户的数据传输造成影响，认知用户n只能选择性地接入机会频谱SOP。所谓的机会频谱是指认知用户n处在授权用户m的传输范围外，因而可接入的信道cm或者认知用户n处在授权用户m的传输范围内，但授权用户m当前没有传输数据而空闲出来的信道cm，多数情况下，认知用户可接入的SOP信道不止一个。

1.2 路由的度量

网络中，授权用户对信道的使用服从ON-OFF模型[5]，αm为授权用户 m对信道 cm的占用率：

假设认知用户可以精确地感知到频谱机会[6]，记为信道cm对节点n的可用概率，则：

只有当信道cm对节点n和n+1同时可用时，它们之间才能相互通信，所以信道 cm对链路(n，n+1)的可用概率为：

记 B(n，n+1)为节点 n和 n+1之间的连通性：

假设从源节点到目的节点的某路由共有H跳，n=0代表源节点，n=H代表目的节点，本文记U为路由的度量值：

该路由度量综合考虑了信道带宽、路由跳数以及信道的可用性。对不同的路径而言，U值越小，路由的综合性能越好。假设从源节点到目的节点有K条路径可选，则目标路由选择条件为：

1.3 路由过程中的信道分配

认知无线电路由属于多信道环境的路由，路由的过程不仅要进行路径选择，而且要对每个链路进行信道分配。为了避免对授权用户造成影响，同时提高认知用户间路由的稳定性，当某链路拥有多个可用信道时，信道选择的方法是选取具有最大可用概率的信道：

P(n，n+1)为信道分配后链路(n，n+1)的稳定性概率，链路的稳定性关系到整条路由的可用性。如果在数据传输过程中，由于授权用户的出现，导致信道不可用，认知用户就必须停止发送，进行等待，或者重新建立路由，这样就会增加时延，并增大系统开销，所以需要尽量保证每条链路具有较高的稳定性。由于认知无线电网络频谱的动态性，固定的信道分配方式缺乏灵活性和实时性，所以本文提出了实时的信道分配路由协议。

2 实时信道分配路由协议

2.1 数据包格式

RT-CAR协议中主要有RREQ、RREP以及IN MESSAGE 3种数据包。

图1为RREQ数据包的结构。

图1 RREQ结构图

RREP数据包和IN MESSAGE数据包的结构如图2和图3所示。

图2 RREP结构图

图3 IN MESSAGE结构图

图3中PU-Freq.表示某时刻检测到授权用户使用的授权信道，αm指该授权用户的活动概率。

2.2 路由建立

(1)源节点S将自身的PAL信息写入RREQ数据包内，同时将U值设置为0，然后向周围节点广播该RREQ包。

(2)节点处理RREQ的算法：

根据式(3)～式(5)计算源节点到本节点的度量U值。

其中对RREQ的更新包括更新数据包中的PAL、TTL、R-Table以及 U值。

(3)当目的节点设定的定时器到时之后，目的节点不再接收RREQ，而将生成RREP数据包，将其收到的具有最优度量值的路径写入RREP数据包的R-Table当中，并将自身的PAL列表写入数据包，然后沿反向单播至源节点。在RREP的传播过程中，路由中间节点收到RREP时，将记录数据包中的来自下一跳节点的PAL列表信息，同时将自身的PAL列表更新到RREP中。

(4)源节点收到来自目的节点的RREP消息后，建立起路由然后进入数据传输阶段。

2.3 数据传输

图4是数据传输阶段中间节点的流程图。在此阶段中间节点主要有两个任务：一是维护PAL列表，包括自身的PAL列表和其下一跳节点的PAL列表；二是转发数据。

图4 数据传输阶段中间节点流程图

向源节点回复RREP消息时，路由中间节点记录了自身的上一跳节点和下一跳节点的节点ID，以及其下一跳节点的PAL列表信息。在数据传输时，节点根据自身记录的PAL列表信息用式(7)进行信道的分配，选择当前最稳定的信道作为传输信道。数据传输过程中，若某节点感知到某授权用户的出现，则更新自身的PAL列表信息，并发送IN MESSAGE至其上一跳节点。而当某个节点接收到其下一跳节点的IN MESSAGE时，就根据IN MESSAGE的内容更新其对下一跳节点PAL列表信息的记录。为保证时效性，节点所维护的PAL列表信息每隔一段时间τ就自动更新一次，若节点在这段时间内没有检测到授权用户m的活动，就将PAL列表中的PAm置为1，直到节点再次检测到m的出现时，PAm值被更新为 1-αm。

当数据包传送至节点n时，节点n首先确定其上一跳节点发送时所用的信道cm，如果此时检测到授权用户m的出现，则向上一跳节点发送RRER消息，使其停止发送数据。如果未检测到m的活动，则节点接收该数据包并将其转发至下一跳节点。在转发数据时节点n根据自身所维护的PAL列表信息，利用式(7)选择信道进行数据转发。由于PAL列表随着网络环境的变化不断被更新，所以信道的选择也是随着网络环境的变化而不同的，这种信道的分配方式更具时效性，这在一定程度上避免了因网络环境的动态性而导致的路由失效。

3 仿真分析

3.1 仿真参数

采用OPNET软件对本文提出的协议进行仿真验证，具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

为了对比，本文对3种协议进行了仿真，包括DSR动态源路由协议[7]，PUB-JRCA基于授权用户行为的路由和信道分配协议[4]和本文提出的RT-CAR实时信道分配路由协议。

3.2 分组投递率

图5 PU2活动概率对分组投递

图6 平均分组到达时间间隔对分组投递率

分组投递率指目的节点接收到的分组数和源节点发送的分组数之比，反映了数据分组投递成功的概率。授权用户的活动造成路由失效是数据包丢失的主要原因，图5和图6分别反映了授权用户活动概率和分组到达时间间隔对分组投递率的影响。图5中PU1、PU3对应的活动概率分别为0.1和0.2，平均分组到达时间间隔为 0.5 s。图 6中 PU1、PU2、PU3的活动概率分别是 0.1、0.2、0.3，平均分组到达时间间隔从0.01 s递增至0.1 s。

从图5中可以看出，分组投递率随着PU2活动概率的增加而减小，这是因为授权用户2的频繁活动降低了路由的稳定性，同时使得信道c2对认知用户而言变得不可用。路由稳定性的降低以及信道资源的减少导致了分组投递率的降低。从图6可以看出随着平均分组到达时间间隔的增大，分组投递率趋于稳定。而从3种协议的对比来看，无论在不同的授权用户活动概率下，还是在不同的分组到达时间间隔下，PUB-JRCA与RT-CAR协议都明显优于DSR，这是由于DSR路由协议建立路由时没有考虑授权用户活动对路由稳定性的影响而造成的。而从RT-CAR和PUB-JRCA的对比来看，由于RT-CAR协议在数据传输阶段加入了实时的信道分配，路由过程中信道的选择不只依赖于路由建立时的决策，信道的分配更具适应性，因此在分组投递率的表现上RT-CAR协议更优一些。

3.3 路由重建次数

路由的错误次数指源节点收到的RRER数据包的数量。路由错误的次数越多，需要重建路由的次数就越多，引起的丢包率也就越大。图7和图8反映了3种协议平均每小时内路由重建次数的对比。可以看出随着分组到达时间间隔的增大，路由的重建次数趋于稳定，而随着PU2活动概率的增大，路由的重建次数也在增大。从对比来看RT-CAR协议的路由重建次数最少，这是因为在数据传输阶段实时的信道分配避免了一部分路由错误的发生，从而减少了路由重建的次数，提升了路由的稳定性。

图7 PU2活动概率对路由重建次数

图8 平均分组到达时间间隔对路由重建次数

4 结论

本文提出的实时信道分配路由协议，考虑到了认知无线电网络中频谱的动态性对路由的影响。通过在路由建立之后引入IN MESSAGE数据包，在邻居节点间传递认知用户频谱环境的变化情况，改变了只在路由建立阶段进行信道分配的路由模式，将信道分配过程引入到数据传送阶段，这使得信道的分配更具实时性。从协议性能分析来看，RT-CAR协议在实质上减小了系统开销，同时增加了链路的持续时间。实验结果表明，RT-CAR协议的分组投递率更高，路由出现错误的次数也更少，更加适合频谱环境多变的认知无线电网络。

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[4]刘婧，任品毅，薛少丽，等.认知无线网络中基于授权用户行为的联合路由和信道分配算法[J].通信学报，2011(11)：183-190.

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