认知无线Ad-hoc网络中的按需路由协议

郭飞燕，成艳真

(济源职业技术学院，河南 济源 459000)

认知无线Ad-hoc网络中的按需路由协议

郭飞燕，成艳真

(济源职业技术学院，河南 济源 459000)

认知无线Ad-hoc网络(CRAHN)近年来受到了广泛的研究，相应的路由协议也随之被提出。在这些协议中按需路由被认为是最具优势的。这主要是由于对AODV路由协议和DSR路由协议的适当改进可以很好的适应CRAHN网络。对一些基于AODV，DSR以及混合型的CRAHN按需路由的改进协议进行了总结，阐述了协议设计的基本原则，对比了不同协议之间的特点和性能。对其优缺点进行了总结和讨论，并分析了未来的研究难点。

认知Ad-hoc网络；按需路由；路由协议；AODV；DSR

0 引言

认知无线电技术可以自适应的利用无线频谱。它引入了一个不同的物理层概念，并影响到了整个上层协议。尽管面临着研究挑战，认知无线电技术的研究近年来十分流行。主要原因在于它为次用户(SUs)提供了使用和共享授权频谱的机会，并支持授权用户的传输优先权。因此，认知无线电在提高频谱利用率方面十分有效。如果采用固定频带使用方式下的通信协议，那么动态的频谱利用方式将不能适应，协议性能会大大降低。因此，需要设计新的协议以适应认知无线电网络环境。目前，许多学者提出了新的认知无线电网络路由协议，由于认知环境的独特性，研究者从改进现有路由协议到直接设计新路由协议等不同角度分别进行了研究，以寻求最适合认知无线电网络的路由协议。

本文将认知无线电网络中的按需路由协议进行了分类和综述，然后对研究挑战和开放问题进行了讨论。文中参考的协议主要是基于Ad-hoc按需距离矢量协议(AODV)、动态源路由协议(DSR)和混合按需路由而改进的路由协议。由于CRAHNs网络的特殊性，在路由协议设计的过程中会遇到一些特定的问题。研究表明，设计完整可行的CRAHN网络路由协议仍面临着许多挑战。

1 CRAHNs网络中的路由分析

CRAHNs网络不具备固定的基础设施和中心控制实体，次用户间必须通过合作来交换信息来获取必要的环境信息。如图1所示，CRAHNs网络的路由协议必须能够同时满足认知无线电网络的要求和Ad-Hoc网络的要求。认知无线电通信中次用户首要考虑的问题在于如何避免对授权用户通信的干扰，因此必须寻找能够同时满足避免对授权用户干扰且满足次用户端到端通信的路由。信道可用性信息从物理层的频谱感知机制获取或者从频谱占用数据库中获取，而频谱信息是路由决策中的一个至关重要的部分，因此路由协议的设计需要与物理层应该考虑跨层设计，因此“频谱意识”[1]的概念被提出。

节点的移动性使谱的利用不仅在时域而且在空域存在多样性，对于移动的次用户，当它移动到另外的新位置时其频谱可用性需要立即被检测，对实时的频谱感知结果进行调整和适应非常具有挑战性。因此，设计CRAHNs路由时，频谱的移动性过程需要被合理的考虑。认知Ad-Hoc网络的另一个特点是自我配置，由于缺乏中心控制实体，所有的节点需要通过控制信道以分布式的方式对网络相关信息进行交换，以使得它们可以对自己的数据传输进行自组织，并通过共享无线介质，减小传输失败的概率。

除了上述问题，一些传统的网络协议的设计要求也应该被考虑。这些要求包括能量有效性、服务质量(QoS)和安全性问题。特别是在电池供电的移动节点中，能量有效性问题尤为重要。使用按需路由机制是提高能量有效性的有效方式之一，按需路由协议只在有通信需求时建立路径，从而减少能源消耗。同时有很多关于提高服务质量和安全性的讨论，可以由其它层的设计来保证。

图1 CRAHNs网络路由协议设计需求

2 基于传统按需路由协议的改进

在无线Ad-hoc网络中，AODV[2]协议和DSR[3]协议是两个代表性的协议，它们都属于按需路由协议。在AODV和DSR路由协议中，当有数据通信需求时，源节点将会开启路由发现过程，寻找到达目的节点的路由，路由发现由源节点广播路由请求包(RREQ)开始，中间节点对该数据包进行中继和传播，目的节点或具有路由信息的中间节点通过单播回复路由回复(RREP)数据包给源节点，当源节点接收到RREP后，路由被建立，进入数据的发送阶段。AODV协议的两个主要特点是引入了正反向的路径指针和目标节点/源节点的序列号。AODV使用节点序列号作为路径更新指标和环路避免措施。DSR路由协议的主要特点是RREQ和RREP数据包格式，作为源路由协议，源节点决定了到达目的节点的每一跳中间节点的完整序列。因此RREQ和RREP包包含了所有中间节点的地址。AODV不存储任何路由条目但仍然能够正常通信，而DSR协议维护路由缓存并使用现有的路由条目，直到该路由条目被标记失效。

在移动Ad-hoc网络(MANETs)中，按需式路由比主动式路由有更少的网络资源和能量消耗，因为主动式路由需要定期广播控制信息并且存储所有路由表中的路由信息。一般来说，主动路由更适合稳定性更强的Ad-hoc网络，而按需路由则更适合动态的Ad-hoc网络。由于CRAHNs网络中授权用户活动的不可预测性使得它比MANETs网络更为不稳定。因此，按需路由比主动式路由更加适合CRAHNs网络。AODV和DSR都是标准化的MANETs网络路由协议。它们能够适应Ad-hoc网络的特性包括自组织性、自配置性和移动性，它们也都具有路由维护程序，可以用来应对频繁的链接变化。

2.1 基于AODV协议的改进方案

将AODV协议进行改进以适应CRAHNs网络的一种最简单的方式是设计新的包含频谱意识性能的路由度量。这类协议包括SORP[4]，DORP[5]和WHAT[6]路由协议。其中DORP协议是SORP的后续工作，它们都设计了累积时延度量，WHAT协议考虑到了路径长度，信道可用性，和信道切换频率。在SORP和DORP协议中的累积时延引入了信道切换时延，切换时延指传输信道在不同频带之间进行切所换造成的时延。另一时延因素是退避时延，这是由多条数据流在同一信道上相互干扰所造成的，累积时延是切换时延和退避时延的总和。DORP协议加入了排队时延，排队时延指其他数据流在该节点上传输所占用的时间。由于SORP和DORP对时延有着重的考虑，因此这两个协议比较适合时延敏感性的网络。WHAT协议认为其可以获得全局的路径质量，提高网络的吞吐量，然而WHAT协议在决定和路径选择时，需要设置一个可调的预定义参数，这种静态的、预定义的可调参数可能会降低认知节点的学习能力。

不依赖新路由度量来提供频谱意识的路由协议有：基于连通性的路由协议Gymkhana[7]，认知的按需距离矢量路由协议(CAODV)[8]等。Gymkhana协议通过基于授权用户信道利用情况和图论以及数学的分析获取网络的连通性，它通过AODV的路由发现方式搜索所有可能路径，然后目的节点通过对路径跳数、授权用户活动情况、信道切换情况等选择最优路径。CAODV协议通过路由间和路由内的频谱差异来利用频谱的多样性，路由之间的频谱多样性指：路径不同但它们使用着相同的信道。路由内的频谱多样性指：同一条路径使用了不同的信道。CAODV引入了一个额外的控制分组，授权用户路由出错数据包(PU-RERR)，它显示了在特定信道上对授权用户活动的检测结果。PU-RERR数据包在通过授权用户活动的信道上在本地进行广播，在数据发送过程中CAODV提供了一种适应动态频谱可用性的方法。

路由协议则是针对具体问题而提出的：比如MSCRP协议试图解决“耳聋”问题[9]、基于本地协作的路由协议[10]着重解决负载均衡问题。MSCRP引入了节点状态和“耳聋”约束条件，在该协议中每个节点必须处在三种状态中的一种：单信道状态，开关状态或非自由状态。当没有数据流或者数据流只在本节点的所在信道上流动时，节点处在单信道状态；当数据流分布在不同的信道上时，节点处在切换状态；当一个节点的邻节点是切换状态节点时，那么该节点被认为是非自由状态。为节点设置状态之后，“耳聋”约束被定义为两个数据流中的邻节点不能同时处在切换状态。

基于本地协作的路由协议是SORP协议的后续工作，该协议采用本地节点进行协同交互的方式来实现负载均衡，协议中当一个节点成为交互节点时，本地协调方案被调用，该方案允许交互节点通过对负载的计算来决定是否接入某数据流或者为该数据流进行重新定向。如图2：数据流2经过节点1，数据流3经过节点2，当新的数据流1出现时，最初建立的路由节点1和2都作为其中间节点。这两个交互节点执行当地协调方案，为数据流选择合适的重定向节点。协调的最终结果是节点1将数据流1重定向至其邻接点3，节点2将数据流3重定向至其邻接点4。

也有一些协议的设计思路是为路由协议提供保障，路由保障可以由路径预订或备份路径所提供。频谱意识路由协议(SREAR)[11]设计了一个信道预约算法，旨在提高网络吞吐量。备份信道及合作信道切换(BCCCS)路由协议[12]设计了新的路由维护策略，提供了一个备份信道。SPEAR允许多个路径向目的节点传输数据，并通过添加少许的额外参数限制同一节点参与转发数据的路径数目，在目的节点利用传统的路由度量进行路由选择时，其在RREP中嵌入信道分配结果，并将其发送给源节点，在路径中的每个节点通过在其干扰范围内向邻节点传递特定的信道预留信息来运行路由建立和信道预留算法。

在BCCCS协议中，每个节点维护一个可用频道和一个优先级列表并定期更新它们。BCCCS路由协议中包括了信道请求(CREQ)、信道回复(CREP)、信道信息(CINFO)控制数据包。CREQ的作用类似于AODV的RREQ数据包，其添加了认知标识符(CRID)：包括源节点信息和信道计数。CREP类似于AODV的RREP数据包，它也添加了CRID：包含源节点和目的节点、链路度量和优先信道列表。信道信息被定期的发送给邻节点用来更新信道可用列表和信道优先权。在数据传输时，目的节点参考信道计数结果选择最少被用到的信道。当这条路径被中断后，节点简单的切换到第二个优先信道并更新下一个备用信道。

图2 本地协作路由中的负载均衡机制

2.2 基于DSR协议及混合型协议的改进方案

两个相关性较强的协议研究了间歇性连接的问题，它们分别是anti-intermittence(AiSorp)源路由协议[13]和具有频谱意识的anti-intermittence路由协议[14]。AiSorp结合了DSR协议的路由发现过程和AODV协议的路由回复过程。在路由发现阶段，当路由请求到达目的节点时，目的节点停止数据传输并计算相应的路径度量。路径度量考虑了授权用户的信道利用情况、链路权重和两个预定义的参数。在路由维护中，当路径失效时受影响的节点并不会立即发送一个路由错误(CR3ER)数据包给源节点，而是等待一段时间，在这段时间结束之前，如果节点仍然无法传输数据，再进行路由的维护，发送路由错误(CR3ER)数据包给源节点。

同样，具有频谱意识的anti-intermittence路由协议也主要针对间歇性连接问题并且有着和AiSorp协议相似的流程。它们的区别在于，具有频谱意识的anti-intermittence路由协议所设计的路由度量通过对信道空闲时间、数据流之间的干扰以及三个权重参数的考虑以最大化路由持续时间为目的。在路由维护中，当信道失效时，路由错误数据包将发送至目的节点而非源节点，目的节点会重新收集所有链路信息。如果仍然有路径存在，目的节点将会进行信道选择，为整条路径选择信道，否则就重新发起路由。

基于频谱树的路由协议(STOD-RP)[15]是一个混合式的改进路由协议，它结合了基于树的主动式路由和AODV路由协议的路由发现过程。STOD-RP引入了一个新的路由度量，称为通话时间成本，用来评估一个链接的资源消耗。通话时间成本考虑了信道访问开销、协议开销和数据包大小来量化链路效率和数据包的出错率。信道可用时间的估计被作为链路稳定性的一个估计，一个累计的认知路由成本被定义为时间总成本加上总的信道切换时延。在STOD-RP协议中，处在不同可用信道的次用户形成一棵树，称之为频谱树，每个频谱树都有一个根。某些节点可能属于多个频谱树，被称为重叠节点或网关节点。重叠节点配置了频谱敏捷型的无线装置，同时工作在多个频谱树当中。每个节点在其所在的频谱树中拥有其独特CRID。因此，重叠节点工作在多频段中有多个CRID，通过这种方式，CRID指示了通往根节点的主动路由。

3 目前研究存在的问题和挑战

3.1 路由度量

在认知无线电环境中，路由协议需要保证次用户之间的通信不能干扰授权用户的活动。因此，路由机制需要从物理层获取信道分配信息以便节点可以按照被分配的路径和信道进行通信。一个简单而可行的方法是采用频谱信息相关的路由度量，例如：授权用户出现概率、授权用户占用期限、干扰等级等。

一些研究所涉及的路由度量考虑了授权用户的频谱占用时间。然而，这种方法只适用于授权用户对频谱的占用是以一种确定规律的方式的网络，因此当授权用户活动不可预测时这种方式将不再适用。另一种比较符合实际的路由度量是基于对授权用户干扰情况的度量，通过设置监控等级，次用户可以获取授权用户对信道的所有占用情况和正在传输的功率等级，从而在其数据传输时避免对这些信道的使用。美国联邦通信委员会(FCC)提出的干扰温度就是一种基于干扰的路由度量。

3.2 网络异构性

CRAHNs的异构性不仅是由于频谱的动态性所造成的，也是由次用户的重配置性造成的。不同次用户之间的频谱可用性大不相同，大部分的路由协议通过联合信道和路径选择以及信道切换来解决频谱异构性问题。如ARDC[16]协议采用图论模型有效地解决了网络拓扑不断变化的问题，然而ARDC并没有考虑次用户的重新配置能力。当正在使用的信道由于检测到授权用户的出现而被中断时，该路由协议直接将通信重定向到一个空闲信道，而忽略了重新配置功能。次用户的重新配置功能有很多，包括传输功率，调制方案，编码率等都可以被重新配置，这些重配置选项可以结合到路由决策当中去。如通过调整传输功率和调制方案，次用户可以从表层通信转换到底层通信，而不必切换到另一个频道。通过考虑次用户的重新配置，可以为路由策略提供了更多选择。

3.3 能量消耗

在考虑由移动节点所部署的网络时，节能是不可避免的话题，原因在于移动节点通常是由电池驱动的。在CRAHNs中节能是至关重要的，由于认知节点较非认知网络中的节点有更多的额外的任务需要完成。前面的讨论中可看出由于新的路由度量，学习模型以及路由维护等要求CRAHNs网络的路由协议复杂性不可避免的会被提高。然而，最重要的是，所有路由协议都需要被简化从而减少能量损耗。为了延长网络寿命，对额外任务的能量损耗分析是十分有必要的。如将频谱相关信息加入到路由控制数据包时(RREQ、RREP和RERR)会增加相应的数据包大小，节点必须执行额外的任务把频谱相关信息发送出去，这些额外活动都会增加能量消耗。因此，如果不能达到相应的性能提升目的，额外的节点任务需要被避免。能量损耗和节点额外任务之间的权衡需要被合理的评估。

3.4 服务质量

CRAHNs的路由设计也需要支持服务质量需求(QoS)，这也同时增加了路由设计的难度。由于CRAHNs的应用方式与其它网络有很大不同，所以网络的QoS需求也不同。基本的类别有：带宽、时延、抖动和包丢失率等。应用程序可能只需要单一的服务保证或者几种服务的组合，在本文引用的参考文献中，没有涉及支持QoS的路由协议。提供QoS保证需要增加额外计算量，但这对次用户是有利的，尤其在针对不同应用程序需要不同的服务需求时。通过对服务需求的定义，频谱管理将更加有效。例如，给定一组可用的频谱，次用户同时存在着两种服务需求：数据传输服务和语音通信服务，支持QoS的路由协议能够识别这两种服务需求，并选择具有最小数据丢失率，最小端到端时延以及最小抖动的路径为语音通信提供服务。如果没有提供QoS支持，那么路由协议将会只根据路由度量进行路径选择，而不能提供完全符合需求的应用服务。

4 总 结

根据对CRAHNs网络路由设计的现有工作和讨论，可以得出以下的结论：首先，按需路由被证明更加适合移动的认知Ad-Hoc网络。其次，新的路由度量需要被设计，需要加入对频谱相关信息的计算，这样可以使得在路由选择时不仅可以进行路径选择，同时可以直接进行信道的分配，基于干扰等级路由度量比较有前景，因为它可以降低对授权用户的干扰。同时，路由协议的设计需要考虑网络开销。此外，路由协议需要考虑到网络的异构性，将次用户的重配置能力作为新的路由选项。为节约能量，路由协议应该尽可能的简单有效。对能量消耗和额外节点任务的权衡需要被有效评估，尤其是要避免增加了额外的节点任务却没有使得网络整体性能得到提升。最后，应该考虑对服务质量的支持，这对次用户是有利的。

[1] G Ko，AA Franklin，SJ You，et al．Channel management in IEEE 802.22 WRAN systems[J]．IEEE Comm Mag，2010，48(9)：88-94．

[2] C Perkins，E Belding-Royer．Ad hoc on-demand distance vector (AODV) routing[M]．IETF RFC 3561，2011．

[3] D Johnson，Y Hu，D Maltz．The dynamic source routing protocol (DSR) for mobile ad hoc networks for Ipv4[M]．IETF RFC 4728，2007．

[4] G Cheng，W Liu，Y Li，et al．Spectrum aware on-demand routing in cognitive radio networks [A]．In Proceedings of the 2nd IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks[C]．Dublin，2007(4)：17-20．

[5] G Cheng，W Liu，Y Li，et al．Joint on-demand routing and spectrum assignment in cognitive radio networks[A]．In Proceedings of the IEEE International Conference on Communications[C]．Glasgow，2007(9)：24-28．

[6] J Chen，H Li，J Wu．WHAT：a novel routing metric for multi-hop cognitive wireless networks[A]．In Proceedings of the 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference[C]．Shanghai，2010(5)：14-15．

[7] A Abbagnale，F Cuomo．Gymkhana：a connectivity-based routing scheme for cognitive radio ad hoc networks[A]．In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM) Workshops[C]．San Diego，2010(3)：15-19．

[8] AS Cacciapuoti，M Caleffi，L Paura．Reactive routing for mobile cognitive radio ad hoc networks[J]．Ad Hoc Network，2012，10(5)：803-815．

[9] H Ma，L Zheng，X Ma，et al．Spectrum aware routing for multi-hop cognitive radio networks with a single transceiver[A]．In Proceedings of the 3rd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications [C]．Singapore，2008(5)：15-17．

[10] Z Yang，G Cheng，W Liu，et al．Local coordination based routing and spectrum assignment in multi-hop cognitive radio networks[J]．Mobile Network，2008，13(4)：67-81．

[11] A Sampath，L Yang，L Cao，et al．High throughput spectrumaware routing for cognitive radio based ad-hoc networks[A]．In Proceedings of the 3rd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications[C]．Singapore，2008(5)：86-89．

[12] M Zeeshan，MF Manzoor，J Qadir．Backup channel and cooperative channel switching on-demand routing protocol for multi-hop cognitive radio ad hoc networks (BCCCS)[A]．In Proceedings of the 6th International Conference on Emerging Technologies[C]．Islamabad，2010(10)：18-19．

[13] L Gong，S Deng，W Tang，et al．Anti-intermittence source routing protocol in distributed cognitive radio network[A]．In Proceedings of the 4th International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing[C]．Network，2008(10)：12-14．

[14] H He，L Gong，W Tang，et al．Spectrum-aware anti-intermittence routing in distributed cognitive radio network[A]．In Proceedings of the International Conference on Communications，Circuits and Systems[C]．Milpitas，2009(7)：23-25．

[15] G Zhu，IF Akyildiz，G Kuo，et al．A spectrum-tree based on-demand routing protocol for multi-hop cognitive radio networks[A]．In Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference[C]．New Orleans，2008(10)：30-32．

[16] J Li，Y Zhou，L Lamont．Routing schemes for cognitive radio mobile ad hoc networks[M]．Cognitive Radio Mobile Ad Hoc Networks，New York：Springer Press，2011：227-248．

[责任编辑：崔海瑛]

郭飞燕(1981-)，女，河南省济源市人，讲师，从事网络与信息安全方向研究。

河南省科技厅基础与前沿技术研究计划项目(142300410391)。

TN92

A

2095-0063(2016)06-0028-05

2016-09-05

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.008