一种基于主动避让的认知无线网络路由维护方案*

赵雄鹰，史迩冬，汪一鸣

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州215021）

认知无线电CR(Cognitive Radio)的概念由Joseph Mitola于1999年首先提出[1-3]，并在其博士论文中对此进行了进一步的阐述[4]。认知无线电作为一种新型的频谱共享技术，通过智能感知并机会式利用授权频段中的频谱空洞 (即已分配给授权用户但未被其占用的空闲频谱)，实现不可再生频谱资源的再次利用，为有效解决当今无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛盾开辟了新的途径，是解决通信发展瓶颈问题的关键技术。路由研究是认知无线网络研究的一个重要方面。由于频谱动态接入带来的节点可用信道随时间和空间变化的特性，使得认知无线网络路由问题呈现出不同于传统网络的特质，在研究方法上也有重要的区别。现有路由协议如DSR、AODV等在认知无线电网络中失去原有的性能。所以需要设计能够反映认知无线网络特点及适用于在认知无线网络中工作的路由算法和协议。

目前关于认知无线网络中的路由协议研究成果主要可以分成两类：一类主要集中在路由拓扑算法和协议的设计上，一般也同时提出了路由的优化方案；另一类主要集中在路由优化方案的设计和实现上，对于路由算法和协议本身考虑得并不多。参考文献[5]考虑了从源节点到目的节点路径上信道切换次数和信道可使用概率，从最小延时和使用可用概率最高的信道两个方面建立路由。参考文献[6]描述了一种非控制信道依赖型按需路由协议MSCRP(Multi-hop Single-transceiver CRN Rout-ing Protocol)。参考文献[7]综合考虑了链路分配、信道干扰、节点无线电接口限制和多径路由流量限制,运用混合整数线性规划MILP(Mixed Integer Linear Programming)方法优化了路由算法。参考文献[8]在考虑了同步开销，定义了路由开销函数，对路由算法进行了优化。以上协议都是在路由建立上进行设计和优化。然而随着可用信道的动态变化，路由将不可避免地面临建立和撤销的情况。这将带来本条路由工作信道的频繁切换，不利于路由上数据持续流畅地传输。所以，本文从路由上数据传输的持续流畅性方面提出了一种改进的路由协议方法。

1 路由维护方案设计

如图1所示，假设已知一条认知用户路由SUS、SU1、SU2、SU3、…、SUR，其中 SU 为认知用 户节 点，PU 为 主 用户节点，V为主用户的运动速度，双线箭头为主用户的运动方向。虚线圆是认知用户节点的发射功率覆盖范围，实线圆是主用户的发射功率覆盖范围。点M、N为SU2的相邻两节点SU1、SU3圆形覆盖范围的两个交点。假设当前可用频率有 F1、F2、F3…，其中 F1为 PU的授权频率。假设在认知用户路由中，SU2当前使用的频率为PU的授权频率F1，那么在转发数据前，SU2需要对频率F1进行检测，若此时PU开始使用 F1，SU2将检测到 PU的存在。如果SU2继续转发数据，那么数据在传送过程中可能与PU发送的数据发生碰撞，所以SU2需要回避，原认知用户路由面临着失效与重建。为了减小认知用户路由失效重建的频率，维持认知用户路由上数据高效地传输，本文提出了一种新的回避方法。即SU2在检测到PU在使用授权频率F1后，通过一定的方法收集相关参数以计算PU的运动速度、运动方向、射频覆盖范围等信息。经计算，若通过认知节点SU2的避让，PU在短时间内不会离开SU2的干扰范围，则SU2将重新寻找工作频率发送数据。若PU在短时间内将离开SU2的干扰范围，SU2节点就可以进行地理位置的移动(如图1中虚线箭头所示)，与主用户之间保持一定的距离，同时计算退避时间，暂停数据转发。为提高运行的可靠性，退避时间结束后，SU2节点需要再一次对PU是否存在进行检测，只有当检测到PU已经离开，SU2节点才能继续转发数据。

当测得主用户的运动信息和发射半径信息之后可以进一步判断认知用户能否避让和退避时间。先不考虑暴露终端和隐藏终端的问题，认知用户的避让距离应为主用户的发射功率覆盖范围与认知用户的发射功率覆盖范围之交集。考虑到认知用户先是检测到主用户的存在再对主用户进行定位，所以主用户第一次出现的地点与认知用户的距离小于主用户的发射功率覆盖半径。

如图1所示，当主用户PU靠近时，PU与SU2的距离只能越来越小，数据碰撞概率会越来越高。由于认知用户SU2的避让范围不能超出其相邻两节点（SU1，SU3）发射功率覆盖范围的重叠区域（图中阴影部分），所以在主用户PU靠近的过程中，SU2不能完全避让。当主用户远离时，认知用户可以根据主用户实际的运动方向在图中阴影部分实施避让。若主用户的运动速度非常快，认知用户SU2也可以原地退避一段时间后继续传送数据，以上两种情况下原认知用户路由都不需要改变。

2 路由维护方案实现过程

认知路由中当前具有转发任务的节点称为转发点。本次改进的路由维护方案为认知用户增加了测试功能。在转发点转发数据之前，该转发点需要对主用户存在与否进行检测，若检测结果显示主用户未使用其授权频率，转发点可以使用当前工作频率继续转发数据。若检测结果显示主用户正在使用其授权频率，转发点需要进一步测试主用户相关参数，再对收集的参数进行处理得到主用户运动速度、运动方向和发射功率覆盖范围，以此判断主用户在短时间内能不能离开干扰范围，转发点能不能避让等。转发点将协同邻居节点完成对主用户信息的检测，工作过程如图2所示，具体方法如下：

(1)假设当前认知路由使用频率为F1；

(2)转发点：

①当接收到测试主用户信息的命令之后，先启动循环检测功能寻找到当前可用频率，假设是频率F2；

②按顺序分别在 F1、F2、F3…Fn上第一次广播， 通知邻居节点将接收频率调整到F2；

③在F2上进行第二次广播，通知邻居节点对F1频率的信号强度进行测试；

④等待邻居节点回应；

⑤收集多个邻居节点发回的数据包，比较信号强度参数，从中选择信号强度参数大的2～6组数据对主用户进行定位计算；

(3)邻居节点：

①当接收到转发点广播的频率调整到F2的命令后，将自己的工作频率改成F2，等待接收下一个命令；

②接收到对F1频率进行测试的命令后，将自己的接收频率调整到F1，对主用户的信号强度进行检测，同时记录检测时刻；

③若没有检测到主用户的信号，则回到初始状态；若检测到主用户的信号，则将主用户的信号强度、测得信号的时间以及本节点地理位置加载到数据包上；

④将工作频率调整到F2，随机退避一段时间，若检测到F2仍然冲突，则继续退避；若F2空闲就将数据包发送给转发点；

⑤进入等待应答的状态；

⑥收到应答后，本节点回到初始状态。

在对主用户的信息收集与处理之后，转发点需要判断能否通过主动避让避免与主用户之间的干扰，其判断步骤如下：

(1)在可移动范围内（图1中阴影部分），依据主用户的运动速度和运动方向、转发点的运动速度以及两者的干扰半径，转发点确定一个新的位置；

(2)若该新位置在可避让范围内且转发点移动到该新位置后，与主用户之间将不再产生干扰，计算移动所需要的时间T。若该新位置在可避让范围的边缘且转发点移动到该新位置后，需再等待一段时间才与主用户之间不再产生干扰，则计算移动与等待的总时间T；

(3)将 T与预先设定的等待阈值（如 1～2 min）和变频阈值（如 8～10 min）进行比较,若 T小于等待阈值，则转发点等待相应的时间实现避让；若T大于等待阈值而小于变频阈值，则转发点移动到步骤(1)确定的新位置实现避让；若 T远大于变频阈值（如 10 min），则转发点放弃当前频率。

3 仿真及结果分析

为了研究路由维护方案的可行性，利用网络仿真软件，以事件驱动模拟实际场景进行方案验证[9]。就认知无线网络的场景进行设定，不失一般性，考虑主网络和认知网络都是节点可移动的Ad Hoc网络，认知网络存在仅有一个转发节点的一条路由，如图3所示，其中start、1、dest分别为认知用户路由的源节点、转发点和目的节点，其网络地址分别设为（1，2，3）。 dis为主用户，其余的节点为认知网络中的其他邻居节点。黑色线条为预设的主用户运动轨迹，主用户将以预先设定的速度沿着黑色线条匀速运动。假设各认知节点自身的位置是已知的。

图3中三条黑色线段的参数如表1所示，表中X、Y为某条线段的起点或终点的横纵坐标，“第一段”对应的上面两个参数为这条线段起点的横纵坐标，下面两个参数为终点的横纵坐标，以上两点确定了图中主用户运动路径的第一段。“第一段”最后一个参数为主用户在这段路径上运动的速度。表中“第二段”和“第三段”后面对应的是第二段和第三段路径的参数。

表1 路径参数

仿真结果如图4～图6所示，以图中矩形框中转发点为研究对象，转发点的原始坐标为(0.397，0.561)。当主用户dis靠近但与转发点之间没有产生干扰时，转发点仍不断传送数据，如图4所示。当主用户渐渐靠近并与转发点之间产生干扰时，转发点暂停数据转发，通过对相关参数的收集与计算，退避到一个新的地理位置（0.604，0.363），同时计算得到退避时间 164.8 s（约2.7 min），如图5所示。退避结束后，转发点需要再次对主用户dis是否存在进行检测，若检测到主用户dis已经离开干扰范围，转发点将继续传送数据，如图6所示。

图6中主用户 dis的地理坐标为（0.334，0.604）。 仿真限定每个节点的发射功率覆盖半径为0.3 km，则主用户dis与转发点之间的距离约为0.36 km＞0.3 km，所以主用户与转发点之间不再存在干扰。再由转发点的原始坐标、新坐标以及退避时间可得转发点的退避距离为0.286 km，速度为6.36 km/hr。此速度相当于人的步行速度，所以在实际应用中该方案可实现。

在认知无线网络中，主用户使用其授权频段时间的不确定性将带来认知用户路由频繁地失效与重建。为了减少这种失效重建的频率，本文对认知无线网络中的路由维护提出了一种改进的方案，对网络中相关节点协议及功能作了简单的仿真分析。考虑到实际电磁环境的复杂性，所涉及的具体算法(例如定位算法)及其性能分析将在后续论文中进一步阐述。

[1]滑楠，曹志刚.认知无线电网络路由研究综述[J].电子学报，2010，38(4)：910-918.

[2]MITOLA J，MAGUIRE G J.Cognitive radio:making software radio more personal[J].IEEE Personal Communications Magazine，1999，6(4)：13-18.

[3]MITOLA J.Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[C].Pro ceedings of IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications(MoMuC%-99).SanDiego:IEEE，1999：3-10.

[4]MITOLA J III.Cognitive radio:an integrated agent architecture for software defined radio[D].Stockholm,Sweden:KTH Royal Institute of Technology，2000.

[5]KRISHNAMURTHY S，THOPPIAN M，VENKATESAN S，et al.Control channel based MAC—layer configuration,routing and situation awareness for cognitive radio networks[C].Proceedings of Military Communications Conference(MILCOM).Atlantic City：IEEE，2005(1)：455-460.

[6]Ma Huisheng，Zheng Lili，Ma Xiao，et al.Spectrum aware routing for multi-hop cognitive radio networks with a single transceiver[C].Proceeding s of Third International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications(CrownCom).Singapore：IEEE Press，2008：1-6.

[7]Ma Miao，TSANG D H K.Joint spectrum sharing and fair routing in cognitive radio networks[C].Proceedings of Consumer Communications and Networking Conference(CCNC).IEEE Press，2008：978-982.

[8]BENEDETTO D M G，NARDIS D L.Cognitive routing in UWB networks[C].Proceedings of IEEE International Conference on Ultra—Wideband.IEEE Press，2006：381-386.

[9]王文博，张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社，2003.