认知无线电网络中基于动态吞吐量的路由算法

沈毅斌 陈元亨 毕春艳

摘 要： 针对认知无线电网络中传统路由协议的不足，提出基于动态吞吐量的认知无线电网络路由算法（LSAR）。LSAR协议利用动态传输吞吐量（DTT）作为选择转发节点判决指标。只有节点满足比当前节点更靠近于目的节点，比当前节点具有更低的传输时延两个条件才可以作为候选转发节点。LSAR协议再从候选转发节点中选择具有最大DTT的节点作为转发节点。仿真结果表明，提出的LSAR协议能减少信道切换次数及传输时延，并提高路径建立的成功率。

关键词： 认知无线电； 路由协议； 动态频率接入； 吞吐量； 传输时延； 转发节点

中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0079?04

Abstract： The conventional routing protocol in cognitive radio networks has some shortage. Therefore， the location aided spectrum aware routing （LSAR） protocol in cognitive radio network is proposed in this paper. The LSAR protocol uses dynamic transport throughput （DTT） as the judgment index to select the forwarding node. The nodes satisfying the following two conditions can be selected as the candidate forwarding node， one condition is that the node is closer to the destination node than the current node， the other condition is that the node has lower transmission delay than the current node. LSAR protocol selects the node with maximum DTT from the candidate forwarding nodes as the forwarding node. The simulation results show that the LSAR protocol can reduce the channel switching times and transmission delay， and improve the success rate of path establishment.

Keywords： cognitive radio； routing protocol； dynamic frequency access； throughput； transmission delay； forwarding node

0 引 言

隨着无线用户数量急剧的增加和无线通信技术的迅速发展，无线频谱资源日益紧张，认知无线电CR（Cognitive Radio）技术受到广泛关注[1]。然而，FCC对频率利用率的研究表明：有执照频段的频谱利用率[1]小于0.85。为了提高频率利用率，文献[2]首次提出认知无线电的概念，并改变传统的频谱管理方式。传统的频道管理规定某段频谱只给有执照用户单独使用，即使空闲，也不安排其他用户使用。执照用户也称为主级用户（Primary User，PU），其他用户是指非主级用户，将其称为次级用户（Secondary User，SU）。

为了提高频率利用率，需改变传统的管理方式，规定主级用户PU对频谱使用具有高的优先级，但SU可以检测周围频谱使用情况，一旦发现空闲频谱，就可使用。

换而言之，认知无线电CR就是在不影响PU正常通信的前提下，SU动态地感知PU是否正在使用频谱，如果没有，就接入频谱，并使用该空闲频谱。目前，人们对认知无线电网络的研究集中在物理层以及媒体访问控制层的关键技术和路由协议。其中，路由协议已成为认知无线电领域的研究热点[3?6]。

针对认知无线电的网络特性，文献[7]提出基于连接率的路由协议，利用拉普拉斯算子矩阵计算不同路径间的连接率，并选择连接率高的路径传输数据，提高了数据传输成功率。文献[8]提出基于机会的频谱感知路由算法，利用节点感知的局部信息绘制频谱地图，并计算机会链路传输质量指标，择优选择具有高指标的链路组建传输路径，提高路由协议的吞吐量。文献[9]提出基于传输功率控制和机会路由的路由协议，并引用差别服务概念，提高了路由的稳定性。此外，文献[10]提出了基于AODV的认知无线电路由CAODV（Cognitive Ad Hoc On?demand Distance Vector）协议。在CAODV协议中，节点利用路由请求、路由回复控制包进行信道分配及路由决策，并采用专用控制信道传输这些控制包，以避免对PU的干扰。

尽管上述路由协议改善了路由性能，但没有根据认知无线电网络的特点，综合考虑影响路由协议的因素，如节点间距离。为此，本文提出动态吞吐量的路由协议LSAR。LSAR协议首先定义动态吞吐量的变量，并将其作为选择候选转发节点的指标。动态吞吐量融合了源节点与目的节点的距离以及传输时延信息。为此，LSAR协议择优选择具有最大动态传输吞吐量的节点作为下一跳转发节点。仿真结果表明，本文提出的LSAR协议能够有效地降低传输时延，并提高路径建立成功率。

1 LSAR协议

LSAR协议分为频谱感测、下一跳转发节点选择和数据传输三个阶段。

1.1 频谱感测

次级用户SU（假定[SUi]）利用频谱感测与邻居节点一起搜索空闲信道。一旦感测到数据信道[ChDatai]，[SUi]就在控制信道CCC广播一条短的感测通知消息SIM（Sensed Informed Message），其包含自己和目的节点的位置信息。SIM消息的传输采用CSMA/CA机制[11]。一旦收到SIM消息，邻居次级用户SUs就将此信道[ChDatai]标记为不可接入，致使在[SUi]感测时期内，不与[SUi]进行信道竞争，进而缓解次级用户传输干扰问题。消息SIM的格式如图1所示。

利用SIM消息，邻居次级用户SUs检测自己是否可成为中间的转发节点，即如果邻居次级用户比[SUi]离目的节点更近，且可产生转发距离增益，便可纳入候选转发节点集[Setrelay]。[Setrelay]内节点与[SUi]在同一数据信道[ChDatai]内，并执行转发节点选择过程。未纳入[Setrelay]集的节点就不能在数据信道[ChDatai]传输数据。

当数据信道[ChDatai]是空闲的，即没有主级用户PU使用，次级用户[SUi]就与集[Setrelay]内节点进行握手通信。反之，若有主级用户使用，次级用户[SUi]就重复信道感测阶段。

1.2 转发节点选择

SIM消息的发送节点[SUi]从集[Setrelay]选择一个次级用户作为转发节点。具体而言，当感测到信道是空闲时，[SUi]首先向集[Setrelay]内的所有节点广播路由请求消息RREQ（Routing Request）。一旦接收节点RREQ消息，集[Setrelay]内用户就向[SUi]回复RREP消息。如果[SUi]没有接收到RREP消息，就表示在数据信道[ChDatai]内没有合适的转发节点，它就重复感测阶段和转发节点选择过程。

[SUi]从集[Setrelay]内选择最优的用户作为转发节点。LSAR协议采用动态吞吐量DTT（Dynamic Transport Throughput）作为选择转发节点的判决指标。一个好的判决指标对路由协议性能有直接影响。例如，贪婪转发路由协议GPSR采用邻居节点与目的节点的距离作为判决指标，选择离目的节点近的节点作为转发节点。尽管这降低了端到端转发时延，但是它忽略了路由的稳定性。

为此，LSAR协议引用DTT作为选择转发节点的判决指标。DTT指标考虑了距离和时延信息。因此，被选为转发节点需要满足以下两个条件：

1） 距离增益：比发送节点离目的节点更近；

2） 时延最小化：具有短的时延。

1.3 数据传输

一旦选择了下一跳转发节点，发送节点[SUi]向其发送数据包，然后等待转发节点回复的确认ACK消息。当转发节点成功接收了数据包，就向发送节点回复ACK确认消息。当发送节点[SUi]接收了ACK消息，表明数据包已成功传输至转发节点。

1.4 LSAR协议流程

在LSAR协议中，次级用户[SUi]首先感测空闲的数据信道，一旦感知有空闲信道，就利用CCC信道广播SIM消息，并将此数据信道标识为忙。在整个数据传输过程中，次级用户[SUi]一直检测信道是否被主级用户占用。一旦占用，就寻找其他空闲信道并切换，具体流程如图2所示。

2 仿真分析

2.1 仿真环境及性能指标

利用NS2建立仿真平台，分析LSAR协议性能，并与CAODV协议[10]进行比较。选择CAODV协议的原因在于：首先，CAODV协议是基于经典的AODV协议，具有代表性；其次，CAODV协议在路由发现阶段也采用了RREQ，ACK等控制包，与LSAR协议相似。主级用户PU数从2～4变化，次级用户从10～28变化，并且信道数CH为4。仿真区域为1 000 m×1 000 m，仿真時间为50 s，具体的仿真参数如表1所示。

2.2 数值分析

2.2.1 路径建立成功率

本次实验主要考查主级用户数和次级用户数对路径建立的影响。考虑2、4主级用户以及次级用户从4～28变化场景，且信道数为4，分析路径建立的成功率在此场景下的变化情况。实验结果如图3所示。

从图3可知，用户数对路径建立成功率有着积极的影响，且成功率随着用户数的增加而上升。在实验中，主级用户的发射功率为-90 dBm，两个主级用户可以覆盖几乎整个仿真区域内的次级用户。因此，当主级用户数为2或4时，路径建立成功率均趋于定值，并且在同等条件下4个主级用户的路径建立成功率优于2个主级用户。此外，由于LSAR协议能够实时检测空闲信道，它的路径建立成功率优于CAODV。

为了更好地分析信道数对路径建立的成功率的影响，建立不同信道数的实验场景：信道数为2、4，次级用户数从4～28变化，主级用户数为4。实验结果如图4所示。从图4可知，随着次级用户数的增加，路径建立成功率随之增加，原因在于用户数的增加提高了可建立路径的条数。此外，本文提出的LSAR路径建立成功率明显优于CAODV。例如，在4个信道、28个次级用户时，LSAR路径建立成功率接近于1，而CAODV仅为0.5。

2.2.2 信道切换频率

信道切换频率能够充分反映路径的稳定性，切换频率越高，表明稳定性越差，协议性能越差。为此，通过实验分析信道切换次数。在4个信道、主级用户分别为2、4以及次级用户数从4变化至30的条件下，CAODV和LSAR协议的信道切换次数如图5所示。

从图5可知，信道切换次数随次级用户数的增加而下降，随主级用户数的增加而上升，这与图3数据相融合。此外，CAODV协议的信道切换频率远高于LSAR协议，增加了近80%。

2.2.3 端到端数据传输时延

本次实验分析了数据传输时延随次级用户的变化情况。主级用户数为4，信道数为4，次级用户数从4～30变化，实验结果如图6所示。

从图6可知，端到端传输时延随次级用户数的增加而上升。原因在于：随着次级用户数的增加，整个网络规模变大，使得数据传输跳数增加，进而提高了端到端的传输时延。与CAODV相比，本文提出的LSAR协议的端到端传输时延得到了控制，这主要是因为：次级用户的增加，也提升了可选路由数，而LSAR协议能及时调整路由，并选择传输时延更小的路由，进而能对跳数增加所带来的传输时延作出一定补偿。

3 结 论

本文针对认知无线电网络的路由协议进行分析，提出动态吞吐量感知路由LSAR。LSAR协议首先定义了DTT，依据DTT选择下一跳转发节点。DTT变量融合了距离增益和时延信息，提高了路径的稳定性，降低了传输时延。仿真结果表明，本文提出的LSAR协议能够有效地减少传输时延，提高路径稳定性。

参考文献

[1] RAMJEE Y， ANAND M. LASAR： spectrum aware routing protocol for congitive radio wireless networks [C]// 2015 International Conference on Communication， Information and Compu?ting Technology. Mumbai： IEEE， 2015： 23?30.

[2] BENINI L， MICHELI G D. Network on chip： a new SoC paradigm [J]. IEEE computer， 2002， 35（1）： 70?78.

[3] 李云，沈小冬，曹傧，等. 认知无线电网络频谱动态变化实时路由算法[J].计算机应用研究，2013，30（7）：2265?2269.

LI Yun， SHEN Xiaodong， CAO Bin， et al. Dynamic spectrum variation real?time routing algorithm in cognitive radio networks [J]. Application research of computers， 2013， 30（7）： 2265?2269.

[4] TRAGOS E， ZEADALLY S， FRAGKIADAKIS A. Spectrum assignment in cognitive radio networks： a comprehensive survey [J]. IEEE communications surveys and tutorials， 2013， 15（3）： 1108?1135.

[5] 刘红，刘宴兵，安超，等.认知无线电网络中保证服务质量的优化路由协议[J].华中科技大学学报（自然科学版），2012，40（7）：84?88.

LIU Hong， LIU Yanbing， AN Chao， et al. Optimal routing protocol for guaranteeing QoS in cognitive radio networks [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology （natural science edition）， 2012， 40（7）： 84?88.

[6] 翟临博，刘元安.自组网中树型拓扑的认知无线电路由协议[J].北京邮电大学学报，2012，35（1）：85?90.

ZHAI Linbo， LIU Yuanan. A tree?based cognitive radio routing protocol in Ad Hoc networks [J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications， 2012， 35（1）： 85?90.

[7] ABBAGNALE A， CUOMO F. A connectivity?based routing scheme for cognitive radio Ad Hoc networks [C]// 2010 IEEE Conference on Computer Communications Workshops. San Diego： IEEE， 2010： 1?5.

[8] BAKHOUYA M， SUBOH S， GABER J. Performance evaluation and design tradeoffs of on?chip interconnect architectures [J]. Simulation modeling practice and theory， 2011， 19（6）： 1496?1505.

[9] 陈庆强，罗兴国，张帆，等.基于故障节点再利用的细粒度NoC容错路由算法[J].计算机应用研究，2012，29（7）：2586?2588.

CHEN Qingqiang， LUO Xingguo， ZHANG Fan， et al. Fine?grained fault?tolerance routing algorithm of NoC based on reuse of partly defective switches [J]. Application research of compu?ters， 2012， 29（7）： 2586?2588.

[10] CACCIAPUOTI A， CALCAGNO C， CALEFFI M. CAODV： rou?ting in mobile Ad Hoc cognitive radio networks [C]// 2010 IFIP Wireless Days. Venice： IEEE： 2010： 20?22.

[11] 李泽杨，陈前斌，唐伦，等.基于稳定性的认知Ad Hoc网络路由协议[J].计算机工程与设计，2013，34（3）：783?785.

LI Zeyang， CHEN Qianbin， TANG Lun， et al. Stability?based routing protocol for cognitive radio Ad Hoc network [J]. Computer engineering and design， 2013， 34（3）： 783?785.

[12] HABAK K， ABDELATIF M， HAGRASS H. A location?aided routing protocol for cognitive networks [C]// 2013 IEEE Conference on Computing， Networking and Communications. San Diego： IEEE， 2013： 729?733.