《電子技術(shù)應(yīng)用》
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認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
朱 江,郭 兵,段 昂
重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065
摘要: 針對(duì)認(rèn)知無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)用戶的活動(dòng)將影響認(rèn)知用戶間路由穩(wěn)定性的問題,提出了一種實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議。該協(xié)議采用動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制,在路由建立階段,提出綜合路由度量標(biāo)準(zhǔn)來選擇路由;在數(shù)據(jù)發(fā)送階段引入IN MESSAGE數(shù)據(jù)包,使路由中間節(jié)點(diǎn)可以掌握其下一跳節(jié)點(diǎn)信道環(huán)境的變化,從而進(jìn)行實(shí)時(shí)信道分配。仿真對(duì)比表明,實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議有效提高了分組的投遞率,減少了路由重建次數(shù)。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.12.022

中文引用格式: 朱江,郭兵,段昂. 認(rèn)知Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(12):83-86.
英文引用格式: Zhu Jiang,Guo Bing,Duan Ang. A real-time channel allocation routing protocol for cognitive radio Ad-Hoc network[J].Application of Electronic Technique,2015,41(12):83-86.
A real-time channel allocation routing protocol for cognitive radio Ad-Hoc network
Zhu Jiang,Guo Bing,Duan Ang
Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, China
Abstract: In cognitive radio Ad-Hoc networks, the stability of a route is highly influenced by the behavior of the primary users. In order to adapt this circumstance, a real-time channel allocation routing protocol(RT-CAR) was proposed. The RT-CAR protocol adopts the discovery mechanism of the dynamic source routing(DSR) protocol. In routing establishing stage, an integrated routing metric is proposed to select the route. In data transmission phase, IN MESSAGE packets were introduced to transmit the SOP information between the adjacent nodes. So that the intermediate nodes can grasp the channel environment of their next hop to realize the real-time channel allocation. Simulation shows that the RT-CAR protocol improves the packets delivery ratio effectively, and it has a fewer route reconstruction times.
Key words : cognitive radio Ad Hoc network;routing;channel allocation;packet delay;packet delivery ratio

   

0 引言

    目前,頻譜資源稀缺問題越來越被受到重視。認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)[1]的提出使得頻譜資源可以通過動(dòng)態(tài)的分配而得到更充分利用。動(dòng)態(tài)頻譜接入所帶來的頻譜在時(shí)間和空間上的間斷性,使得認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的路由呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),在研究方法上更是需要在以往路由設(shè)計(jì)思路上做出適應(yīng)性的改變。

    針對(duì)認(rèn)知環(huán)境下的路由問題,國內(nèi)外學(xué)者提出了一些算法。文獻(xiàn)[2]提出的SSRP算法從頻譜異構(gòu)性和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方面考慮,引入網(wǎng)絡(luò)連通性和最弱鏈路持續(xù)時(shí)間,由于最弱鏈路持續(xù)時(shí)間需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向、速度等,對(duì)節(jié)點(diǎn)定位功能有較高的要求。文獻(xiàn)[3]重點(diǎn)研究了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,并引入馬爾科夫狀態(tài)預(yù)測,在選擇路徑前預(yù)判節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置,削弱節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)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(xiàn)[4]依據(jù)DSR路由協(xié)議,提出了聯(lián)合路由和信道分配算法,在路由回復(fù)階段進(jìn)行信道分配,簡化了算法,但信道分配的實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)。

    為了更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻譜環(huán)境,提高路由穩(wěn)定性,本文提出了實(shí)時(shí)信道分配的路由協(xié)議。該協(xié)議在數(shù)據(jù)的傳輸階段引入了IN MESSAGE數(shù)據(jù)包,IN MESSAGE數(shù)據(jù)包在相鄰節(jié)點(diǎn)間傳遞,為路由節(jié)點(diǎn)傳遞周邊頻譜環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。這樣,路由的中間節(jié)點(diǎn)可以通過實(shí)時(shí)的信道分配避免與授權(quán)用戶的沖突,減少路由錯(cuò)誤的發(fā)生。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    假設(shè)在一個(gè)認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)認(rèn)知用戶(SU)和M個(gè)授權(quán)用戶(PU)。每個(gè)授權(quán)用戶占用一個(gè)授權(quán)信道,記授權(quán)信道的帶寬分別為W1,W2,…,WM,授權(quán)用戶按照自身業(yè)務(wù)需求使用其授權(quán)信道。為了不對(duì)授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸造成影響,認(rèn)知用戶n只能選擇性地接入機(jī)會(huì)頻譜SOP。所謂的機(jī)會(huì)頻譜是指認(rèn)知用戶n處在授權(quán)用戶m的傳輸范圍外,因而可接入的信道cm或者認(rèn)知用戶n處在授權(quán)用戶m的傳輸范圍內(nèi),但授權(quán)用戶m當(dāng)前沒有傳輸數(shù)據(jù)而空閑出來的信道cm,多數(shù)情況下,認(rèn)知用戶可接入的SOP信道不止一個(gè)。

1.2 路由的度量

    網(wǎng)絡(luò)中,授權(quán)用戶對(duì)信道的使用服從ON-OFF模型[5],αm為授權(quán)用戶m對(duì)信道cm的占用率:

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    只有當(dāng)信道cm對(duì)節(jié)點(diǎn)n和n+1同時(shí)可用時(shí),它們之間才能相互通信,所以信道cm對(duì)鏈路(n,n+1)的可用概率為:

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    假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的某路由共有H跳,n=0代表源節(jié)點(diǎn),n=H代表目的節(jié)點(diǎn),本文記U為路由的度量值:

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    該路由度量綜合考慮了信道帶寬、路由跳數(shù)以及信道的可用性。對(duì)不同的路徑而言,U值越小,路由的綜合性能越好。假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)有K條路徑可選,則目標(biāo)路由選擇條件為:

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1.3 路由過程中的信道分配

    認(rèn)知無線電路由屬于多信道環(huán)境的路由,路由的過程不僅要進(jìn)行路徑選擇,而且要對(duì)每個(gè)鏈路進(jìn)行信道分配。為了避免對(duì)授權(quán)用戶造成影響,同時(shí)提高認(rèn)知用戶間路由的穩(wěn)定性,當(dāng)某鏈路擁有多個(gè)可用信道時(shí),信道選擇的方法是選取具有最大可用概率的信道:

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    P(n,n+1)為信道分配后鏈路(n,n+1)的穩(wěn)定性概率,鏈路的穩(wěn)定性關(guān)系到整條路由的可用性。如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中,由于授權(quán)用戶的出現(xiàn),導(dǎo)致信道不可用,認(rèn)知用戶就必須停止發(fā)送,進(jìn)行等待,或者重新建立路由,這樣就會(huì)增加時(shí)延,并增大系統(tǒng)開銷,所以需要盡量保證每條鏈路具有較高的穩(wěn)定性。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜的動(dòng)態(tài)性,固定的信道分配方式缺乏靈活性和實(shí)時(shí)性,所以本文提出了實(shí)時(shí)的信道分配路由協(xié)議。

2 實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議

2.1 數(shù)據(jù)包格式

    RT-CAR協(xié)議中主要有RREQ、RREP以及IN MESSAGE 3種數(shù)據(jù)包。

    圖1為RREQ數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)。

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    RREP數(shù)據(jù)包和IN MESSAGE數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

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    圖3中PU-Freq.表示某時(shí)刻檢測到授權(quán)用戶使用的授權(quán)信道,αm指該授權(quán)用戶的活動(dòng)概率。

2.2 路由建立

    (1)源節(jié)點(diǎn)S將自身的PAL信息寫入RREQ數(shù)據(jù)包內(nèi),同時(shí)將U值設(shè)置為0,然后向周圍節(jié)點(diǎn)廣播該RREQ包。

    (2)節(jié)點(diǎn)處理RREQ的算法:

    根據(jù)式(3)~式(5)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的度量U值。

If 本節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值,記錄該路由,開啟定時(shí)器

  Else 

    If  U小于記錄值

        更新記錄值U,記錄該路由

    Else 丟棄該RREQ

  End

End

If 本節(jié)點(diǎn)不是目的節(jié)點(diǎn)

  If 首次收到該RREQ

    記錄U值,更新RREQ,繼續(xù)廣播該RREQ

  Else 

    If  U小于記錄值。

        1.更新記錄值U,更新RREQ

        2.繼續(xù)廣播該RREQ

    Else

        丟棄該RREQ

  End

End

    其中對(duì)RREQ的更新包括更新數(shù)據(jù)包中的PAL、TTL、R-Table以及U值。

    (3)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)設(shè)定的定時(shí)器到時(shí)之后,目的節(jié)點(diǎn)不再接收RREQ,而將生成RREP數(shù)據(jù)包,將其收到的具有最優(yōu)度量值的路徑寫入RREP數(shù)據(jù)包的R-Table當(dāng)中,并將自身的PAL列表寫入數(shù)據(jù)包,然后沿反向單播至源節(jié)點(diǎn)。在RREP的傳播過程中,路由中間節(jié)點(diǎn)收到RREP時(shí),將記錄數(shù)據(jù)包中的來自下一跳節(jié)點(diǎn)的PAL列表信息,同時(shí)將自身的PAL列表更新到RREP中。

    (4)源節(jié)點(diǎn)收到來自目的節(jié)點(diǎn)的RREP消息后,建立起路由然后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

    圖4是數(shù)據(jù)傳輸階段中間節(jié)點(diǎn)的流程圖。在此階段中間節(jié)點(diǎn)主要有兩個(gè)任務(wù):一是維護(hù)PAL列表,包括自身的PAL列表和其下一跳節(jié)點(diǎn)的PAL列表;二是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

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    向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP消息時(shí),路由中間節(jié)點(diǎn)記錄了自身的上一跳節(jié)點(diǎn)和下一跳節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID,以及其下一跳節(jié)點(diǎn)的PAL列表信息。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身記錄的PAL列表信息用式(7)進(jìn)行信道的分配,選擇當(dāng)前最穩(wěn)定的信道作為傳輸信道。數(shù)據(jù)傳輸過程中,若某節(jié)點(diǎn)感知到某授權(quán)用戶的出現(xiàn),則更新自身的PAL列表信息,并發(fā)送IN MESSAGE至其上一跳節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到其下一跳節(jié)點(diǎn)的IN MESSAGE時(shí),就根據(jù)IN MESSAGE的內(nèi)容更新其對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)PAL列表信息的記錄。為保證時(shí)效性,節(jié)點(diǎn)所維護(hù)的PAL列表信息每隔一段時(shí)間τ就自動(dòng)更新一次,若節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)沒有檢測到授權(quán)用戶m的活動(dòng),就將PAL列表中的PAm置為1,直到節(jié)點(diǎn)再次檢測到m的出現(xiàn)時(shí),PAm值被更新為1-αm

    當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送至節(jié)點(diǎn)n時(shí),節(jié)點(diǎn)n首先確定其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)所用的信道cm,如果此時(shí)檢測到授權(quán)用戶m的出現(xiàn),則向上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送RRER消息,使其停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果未檢測到m的活動(dòng),則節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳節(jié)點(diǎn)。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)n根據(jù)自身所維護(hù)的PAL列表信息,利用式(7)選擇信道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于PAL列表隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化不斷被更新,所以信道的選擇也是隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而不同的,這種信道的分配方式更具時(shí)效性,這在一定程度上避免了因網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性而導(dǎo)致的路由失效。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

    采用OPNET軟件對(duì)本文提出的協(xié)議進(jìn)行仿真驗(yàn)證,具體仿真參數(shù)如表1所示。

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    為了對(duì)比,本文對(duì)3種協(xié)議進(jìn)行了仿真,包括DSR動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議[7],PUB-JRCA基于授權(quán)用戶行為的路由和信道分配協(xié)議[4]和本文提出的RT-CAR實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議。

3.2 分組投遞率

    分組投遞率指目的節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組數(shù)之比,反映了數(shù)據(jù)分組投遞成功的概率。授權(quán)用戶的活動(dòng)造成路由失效是數(shù)據(jù)包丟失的主要原因,圖5和圖6分別反映了授權(quán)用戶活動(dòng)概率和分組到達(dá)時(shí)間間隔對(duì)分組投遞率的影響。圖5中PU1、 PU3對(duì)應(yīng)的活動(dòng)概率分別為0.1和0.2,平均分組到達(dá)時(shí)間間隔為0.5 s。圖6中PU1、PU2、PU3的活動(dòng)概率分別是0.1、0.2、0.3,平均分組到達(dá)時(shí)間間隔從0.01 s遞增至0.1 s。

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    從圖5中可以看出,分組投遞率隨著PU2活動(dòng)概率的增加而減小,這是因?yàn)槭跈?quán)用戶2的頻繁活動(dòng)降低了路由的穩(wěn)定性,同時(shí)使得信道c2對(duì)認(rèn)知用戶而言變得不可用。路由穩(wěn)定性的降低以及信道資源的減少導(dǎo)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(dá)時(shí)間間隔的增大,分組投遞率趨于穩(wěn)定。而從3種協(xié)議的對(duì)比來看,無論在不同的授權(quán)用戶活動(dòng)概率下,還是在不同的分組到達(dá)時(shí)間間隔下,PUB-JRCA與RT-CAR協(xié)議都明顯優(yōu)于DSR,這是由于DSR路由協(xié)議建立路由時(shí)沒有考慮授權(quán)用戶活動(dòng)對(duì)路由穩(wěn)定性的影響而造成的。而從RT-CAR和PUB-JRCA的對(duì)比來看,由于RT-CAR協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段加入了實(shí)時(shí)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(shí)的決策,信道的分配更具適應(yīng)性,因此在分組投遞率的表現(xiàn)上RT-CAR協(xié)議更優(yōu)一些。

3.3 路由重建次數(shù)

    路由的錯(cuò)誤次數(shù)指源節(jié)點(diǎn)收到的RRER數(shù)據(jù)包的數(shù)量。路由錯(cuò)誤的次數(shù)越多,需要重建路由的次數(shù)就越多,引起的丟包率也就越大。圖7和圖8反映了3種協(xié)議平均每小時(shí)內(nèi)路由重建次數(shù)的對(duì)比??梢钥闯鲭S著分組到達(dá)時(shí)間間隔的增大,路由的重建次數(shù)趨于穩(wěn)定,而隨著PU2活動(dòng)概率的增大,路由的重建次數(shù)也在增大。從對(duì)比來看RT-CAR協(xié)議的路由重建次數(shù)最少,這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸階段實(shí)時(shí)的信道分配避免了一部分路由錯(cuò)誤的發(fā)生,從而減少了路由重建的次數(shù),提升了路由的穩(wěn)定性。

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4 結(jié)論

    本文提出的實(shí)時(shí)信道分配路由協(xié)議,考慮到了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動(dòng)態(tài)性對(duì)路由的影響。通過在路由建立之后引入IN MESSAGE數(shù)據(jù)包,在鄰居節(jié)點(diǎn)間傳遞認(rèn)知用戶頻譜環(huán)境的變化情況,改變了只在路由建立階段進(jìn)行信道分配的路由模式,將信道分配過程引入到數(shù)據(jù)傳送階段,這使得信道的分配更具實(shí)時(shí)性。從協(xié)議性能分析來看,RT-CAR協(xié)議在實(shí)質(zhì)上減小了系統(tǒng)開銷,同時(shí)增加了鏈路的持續(xù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,RT-CAR協(xié)議的分組投遞率更高,路由出現(xiàn)錯(cuò)誤的次數(shù)也更少,更加適合頻譜環(huán)境多變的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。

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