多信道Buffer感知机会路由协议

崔文洋

摘要摘要：针对无线电频谱资源不足和现有机会路由方案存在的问题，通过将认知无线电技术和机会路由有效结合起来，提出了一种能够同时对无线电频谱和节点Buffer进行感知的机会路由协议（SBA-OR：Spectrum and Buffer Aware Opportunistic Routing）。OMNET++仿真结果表明，相对于经典的机会路由方案，Buffer感知机会路由的平均端到端延时更小，吞吐量更大，负载更均衡。采用多信道后，性能进一步提升。

关键词关键词：认知无线电；机会路由协议；Buffer感知；负载均衡

DOIDOI：10.11907/rjdk.171110

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）005015803

0引言

随着网络的快速发展，各种网络用户急剧增加，各种无线电技术与应用的竞争愈演愈烈，无线电频谱资源的有限性日益凸显。与此同时，在全球范围内，普遍采用固定的频谱分配策略来管理无线电频谱资源，因而产生了频谱资源利用效率低下的问题。近年来，认知无线电技术发展成为提高频谱使用效率的主要研究方向[1]。

对于无线多跳网络而言，路由是影响网络整体性能的最重要因素之一。与传统路由按照事先选好的路径进行数据包传输不同，机会路由在传输数据包时，充分利用了无线电媒介的广播特性，通过多个候选节点的协同工作，动态、自主地选择下一跳节点来转发数据包，从而提高了链路的稳定性和系统整体的吞吐量[2]。现有的机会路由方案大都忽略了中继节点Buffer中的数据包个数对网络路由性能的影响，在高速率无线多跳网络中，可能造成最短路径上的中继节点Buffer中积累大量的数据包，从而影响网络传输性能。

针对现有机会路由方案存在的不足，本文提出了一种能够同时对无线电频谱和候选中继节点Buffer进行感知的机会路由协议（SBA-OR），该协议在有效结合认知网络技术和机会路由技术的基础上，引入了对候选中继节点的Buffer进行动态感知的机制，进一步提高无线传感器网络的传输性能，真正实现了对无线电频谱资源的动态利用，并综合候选中继节点的位置和Buffer信息动态、自主地进行路由决策。

1多信道Buffer感知机会路由协议实现

在机会路由方案（OR：Opportunistic Routing）中，通常有4种类型的数据要发送，即RTS、CTS、DATA、ACK[34]。节点在发送正式的数据包DATA之前，需要与其候选节点集中的节点完成一次RTS/CTS握手，具体过程如下：节点在选取的数据传输信道上广播RTS，候选节点集的节点在接收到节点广播的RTS后，会调度一个时长为TBackoff的定时器。TBackoff的计算公式如下：

TBackoff=C0Di，dst-Dk，dst+SIFS，k≠dst（1）

其中，Di，dst表示发送节点和目的节点之间的距离，Dk，dst表示候选节点和目的节点之间的距离，C0是一个与距离相关的常数。在TBackoff的定时时间结束后，候选节点会在同一信道上向发送节点回复一个CTS。发送节点在该信道上成功接收到第一个CTS后，就会忽略掉后续接收到的CTS。这样就完成了一次RTS/CTS握手，而第一个回复CTS的候选节点就被选为了最佳中继节点。

由式（1）可知，候选节点与目的节点的距离越近，TBackoff就越小，候选节点在回复CTS之前等待的时间就越短，竞争最佳中继节点的优先级就越高。

在完成RTS/CTS握手后，发送节点就会向选定的中继节点发送数据包DATA，中继节点会立即回复一个确认包ACK。

Buffer感知机会路由（BAOR：Buffer Aware Opportunistic Routing）与经典机会路由的数据包传输过程大致相同。两者的不同之处在于候选节点集中的候选节点在接收到发送节点广播的RTS后的处理方式。在BAOR中，候选节点在接收到RTS后，同样会调度一个时长为TBackoff的定时器。计算公式如下：

TBackoff=C0Di，dst-Dk，dst+C1×BUFNUMBUFSIZE+SIFS，k≠dst（2）

其中，BUFNUM表示候选节点Buffer中实际存储的数据包的个数，BUFSIZE表示候选节点Buffer中能够存储的最大数据包个数，C1是一个常数。

显然，TBackoff的大小由节点位置和Buffer中的数据包个数共同决定。如果候选节点Buffer中存储的数据包个数较多，即便距离目的节点较近，也可能不会被选为最佳中继节点。

在多信道方案中，节点在进行RTS/CTS握手之前，首先需要对无线电环境进行频谱感知，获取频谱使用信息，然后采用一定的信道选择算法，从若干条可用的信道中选出一条最佳信道作为数据传输信道[3，56]。

2实验配置及结果

在一个1 000×130m2的矩形区域内，对应于不同的实验场景分别布置特定数量的传感器节点。为了使数据包的传输路径分布更加合理，同时使实验结果更具有说服力，传感器节点在网络中的分布设置为随机均匀分布。实验参数值是在IEEE.802.15.4的基础上选取的，主要参数如表1所示（根据表中参数值，数据包的有效传输范围大约为62m）[7]。

对每一种路由方案都进行一组仿真实验，固定源节点坐标位置为（0，65），目的节点坐标为（1 000，65），源节点和目的节点的距离为1 000m。通过改变网络中的节点总数，即调节网络节点密度，设置了6个不同的实验场景。节点总数的变化范围为150～400，增长间隔为50。

为了充分发挥BAOR在高数据率无线传感器网络中的性能优势，将源节点的发包速率设置为最大，即在完成了前一个数据包的发送后，源節点会立即启动后一个数据包的发送过程。

在仿真实验结束后，对实验结果进行了统计处理，并用MATLAB绘制了相应的二维曲线图，从数据包的平均端到端延时、吞吐量和网络负载均衡等3个方面对不同的路由方案进行了比较分析。

2.1平均端到端延时（End to End Delay）

平均端到端延时是网络中的数据包从源节点传递到目的节点的平均延时。单信道BAOR、单信道OR、多信道BAOR、多信道OR的平均端到端延时随网络节点密度的变化曲线如图1所示。由图1可知，4种机会路由方案的平均端到端延时都随着网络节点密度的增加而单调减少，多信道机会路由方案的平均端到端延时明显小于单信道；在单信道和多信道两种情况下，BAOR的平均端到端延时都比OR小；而相对于单信道情况下，在多信道方案中，BAOR对平均端到端延时的改善幅度较小。

原因如下：

在OR中，候选节点的位置是选择最佳中继节点的唯一考虑因素。候选节点距离目的节点越近，其被选为最佳中继节点的优先级就越高。由于每一跳都按照这样的标准进行路由，数据包实际走过的路径通常是最短路径或者接近最短路径。通常情况下，中继节点在接收到一个数据包后，会立即将数据包转发出去。而在高数据率的无线传感器网络中，由于网络负载较大，一个中继节点在接收到一个数据包时，因为网络的实际情况，可能还没来得及将该数据包转发出去，而后续的数据包又到达了。因此，在这种情况下，会造成最短路径以及附近路径上的中继节点积累过多数量的数据包。由于数据包在中继节点Buffer中的平均排队时间较长，数据包的平均端到端延时也较大。

而在BAOR中，数据包在选择最佳中继节点时，不仅要考虑候选节点的位置，还要考虑候选节点Buffer中存储的数据包个数。候选节点Buffer中存储的数据包个数越少，距离目的节点越近，被选为最佳中继节点的优先级就越高。因此，数据包在传输过程中，会绕过已经存储了较多数量数据包的最短路径中继节点，避免了最短路径上积压过多数量的数据包。显然，这种路由方式能够比较充分地利用网络中相对空闲的路径，有效减少数据包在中继节点Buffer中的平均排队时间，从而使数据包的平均端到端延时明显减少。因此，BAOR的平均端到端延时会明显小于OR。

在单信道的机会路由方案中，当信道被邻居节点占用时，节点就无法发送数据包。只能等到信道空闲时，节点才能成功接入信道。而在多信道的机会路由方案中，由于有多条信道可以使用，当一条信道被邻居节点占用时，节点还可以接入其它信道。总体而言，节点成功接入信道的概率极大增加，因而减少了数据包在节点Buffer中排队的平均时间。因此，相对于单信道的机会路由方案，多信道机会路由方案的平均端到端延时会大幅度减小。

显然，在多信道情况下，OR的传输性能已经比较良好，BAOR在OR的基础上提升性能的空间较为有限。因此，相对于单信道情况下，在多信道的方案中，BAOR对平均端到端延时的改善幅度较小。

随着网络中节点密度的增加，更多路径较短、跳数较少的可用路径会出现，机会路由的性能优势也就更加明显。因此，数据包的平均端到端延时会单调减少。

2.2吞吐量（Throughput）

吞吐量指单位时间内传输的数据量。吞吐量可以由目的节点接收到的数据包的总字节数除以目的节点接收数据包的总用时得到。

4种方案的吞吐量随网络节点密度的变化曲线如图2所示。吞吐量变化情况与平均端到端延时的比较相近，这里不再赘述。

在单信道机会路由方案中，由于只有一条信道可用，所有数据包都只能在这条信道上传输。一旦信道被邻居节点占用，节点就不能再接入信道发送数据包。而在多信道机会路由方案中，有若干条信道可以使用，邻居节点可以同时在各自的信道上传输数据包，即数据包可以同时沿着多条信道向前传输。显然，多信道的传输能力更强，在单位时间内能够传输更多的数据包。因此，多信道机会路由方案的吞吐量明显大于单信道。

2.3负载均衡（Load Balance）

对网络中每个节点转发的数据包个数进行统计，并计算出这些数据的标准差，用以表征网络的负载均衡。计算公式如下：

stdDev=1N∑Ni=1（ni-μ）2（3）

其中，stdDev就是上述的标准差，N表示网络中的节点总数，ni表示节点转发的数据包个数，μ表示所有节点转发的数据包个数的平均值。

4种方案的stdDev随网络节点密度的变化曲线如图3所示。由图3可知，随着网络中节点密度的增加，4种机会路由方案的stdDev都单调减小。在单信道和多信道两种情况下，BAOR的stdDev都比OR的小。4种方案中，单信道OR的stdDev最大，多信道OR次之，而多信道BAOR的stdDev小于多信道OR，单信道BAOR的stdDev最小。

原因如下：

在单信道OR中，当一个中继节点的Buffer中存储的数据包数量达到最大值后，该节点就不再对后续数据包的发送请求（RTS）作出响应。同时，由于网络中只有一条信道可用，当一个节点在发送数据时，由于信道被占用，处于其传输范围内的邻居节点就不能再发送数据。因此，当一个中继节点在转发数据包时，其上一跳节点就不能发送数据包，只有等到信道空闲后，上一跳节点才开始發送过程，通常上述中继节点仍是最佳中继节点。综上所述，一般情况下，只有当最短路径上的中继节点Buffer已满时，单信道OR才会选择其它路径传输数据包。

在多信道OR中，当最短路径上的一个中继节点在转发数据包时，其上一跳节点可以在其它信道上发送数据包，空闲的候选节点可以对该数据发送请求作出响应，即上一跳节点发送的后续数据包可以沿着其它路径进行传输。因此，多信道OR的stdDev要比单信道的小。

在单信道BAOR中，由于只有一条信道可以使用，中继节点成功接入信道的概率比较小，发送数据包很容易失败，最短路径及其附近路径上积累较多数据包的可能性也就比较大。因此，后续数据包绕过这些存储了较多数据包的中继节点，而选择其它相对空闲的路径的机会也就较多，从而使得网络流量分布于更多的路径上。相对而言，在多信道BAOR中，由于有多条信道可以使用，数据传输的速率明显增大，最短路径上积累较多数据包的可能性较小，后续数据包绕行的机会也较少。因此，多信道BAOR中的网络流量分布更加集中，stdDev自然就比单信道的大。

3结语

针对现有机会路由方案中存在的问题，本文提出了一种能够同时对频谱和Buffer进行感知的机会路由方案（SBA-OR）。仿真结果表明，在单信道和多信道两种情况下，相对于经典的机会路由方案（OR），Buffer感知机会

路由（BAOR）的平均端到端延时更小、吞吐量更高、负载更均衡。在4种方案中，多信道Buffer感知机会路由（SBA-OR）具有最小的端到端延时和最大的吞吐量。

参考文献参考文献：

[1]AKYILDIZ I F，LEE W Y，VURAN M C，et al.Next generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks： a survey[J].Computer Networks，2006，50（13）：21272159.

[2]HSU C J，LIU H I，SEAH W K G.Survey paper： opportunistic routinga review and the challenges ahead[J].Computer Networks，2011，55（15）：35923603.

[3]SPACHOS P，CHATZIMISIOS P，HATZINAKOS D.Cognitive networking with opportunistic routing in wireless sensor networks[C].IEEE International Conference on Communications，2013：24332437.

[4]SPACHOS P，CHATZIMISIOS P，HATZINAKOS D.Energy aware opportunistic routing in wireless sensor networks[C].IEEE Globecom Workshops，2012：405409.

[5]SONG L，HATZINAKOS D.Cognitive networking of large scale wireless systems[J].International Journal of Communication Networks&Distributed Systems，2009，2（2）：452475.

[6]LIN S C，CHEN K C.Spectrum aware opportunistic routing in cognitive radio networks[C].In IEEE 2010 Global Telecommunication Conference，2010：16.

[7]OMNET++[BE/OL].http：//www.omnetpp.org.

責任编辑（责任编辑：孙娟）