認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法

劉婧，任品毅，薛少麗，張超

（西安交通大學(xué) 電子與信息學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，無(wú)線頻譜資源日益稀缺。然而，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在大部分時(shí)間和某些地區(qū)里無(wú)線頻譜未被充分利用[1]。為了提高現(xiàn)有頻譜的利用率，Mitola博士1999年提出了認(rèn)知無(wú)線電(CR, cognitive radio)技術(shù)[2],它使得非授權(quán)用戶能夠感知并接入當(dāng)前空閑頻段。

近年來(lái)，世界各國(guó)的頻譜管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織以及研究機(jī)構(gòu)紛紛展開(kāi)了對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究。影響最大的是2003年美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃署的下一代通信計(jì)劃(XG)，他致力于開(kāi)發(fā)認(rèn)知無(wú)線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)[1]。XG網(wǎng)絡(luò)也叫認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(CRN)，能夠使多個(gè)用戶接入空閑信道傳輸數(shù)據(jù)[3]。目前，認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究大都集中在物理層[4～6]和MAC層[7,8]的功能上，如頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。但對(duì)于更高層如路由層仍未有完善的研究，因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜在時(shí)間和空間上存在間斷性，使得認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計(jì)面臨很大的挑戰(zhàn)[9,10]。

文獻(xiàn)[11,12]提出了一種在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議和多信道分配算法并設(shè)計(jì)了一種適用于多跳通信的跨層協(xié)議架構(gòu)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)多跳認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種在基于單個(gè)收發(fā)機(jī)的頻譜感知按需路由協(xié)議。文獻(xiàn)[14] 針對(duì)多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出了一種利用Dijkstra算法的最小傳輸時(shí)延的路由算法。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了類似于DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的OSDRP協(xié)議，它解決了動(dòng)態(tài)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中滿足服務(wù)要求的端到端路由。文獻(xiàn)[16]針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了Gymkhana路由方案，該方案利用網(wǎng)絡(luò)圖的Laplacian矩陣估計(jì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不同路徑的連通性。

在多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于頻譜資源的動(dòng)態(tài)性，相鄰節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)楣ぷ髟诓煌诺郎隙鵁o(wú)法通信，正在通信的節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)橹饔脩舻某霈F(xiàn)而中斷鏈接[1,3]。因此，針對(duì)主用戶行為引起各節(jié)點(diǎn)之間的可用信道集動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，本文提出了一種在具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法（PUB-JRCA algorithm）。該算法用呼叫模型[17,18]對(duì)主用戶行為進(jìn)行建模，并用模型中主用戶占用授權(quán)頻帶的活動(dòng)概率定義次級(jí)用戶使用該授權(quán)頻帶的穩(wěn)定性，尋找受主用戶行為影響最小的路由并在路由回復(fù)過(guò)程中完成信道分配。理論分析證明了主用戶的活動(dòng)概率能反映路徑中鏈路平均持續(xù)時(shí)間，且PUB-JRCA算法的路由選擇階段計(jì)算復(fù)雜度與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比。仿真結(jié)果表明，PUB-JRCA算法在主用戶行為多變和多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中提高了分組投遞率，降低了平均分組時(shí)延。

2 系統(tǒng)模型

假設(shè)在一個(gè)具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[19]中，有N個(gè)次級(jí)用戶和M個(gè)主用戶。這M個(gè)主用戶有M個(gè)授權(quán)信道(c1, c2,…,cm,…,cM)。每個(gè)次級(jí)用戶配備有一個(gè)傳統(tǒng)半雙工收發(fā)機(jī)（工作在公共控制信道，如802.11無(wú)線網(wǎng)卡）和2個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目烧{(diào)收發(fā)機(jī)。2個(gè)可調(diào)收發(fā)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)使用不同信道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而忽略頻譜切換時(shí)延并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。為了避免共道干擾，同一條路徑上的相鄰鏈路使用不同的信道。同時(shí)在本文中假設(shè)每個(gè)次級(jí)用戶能精確檢測(cè)到頻譜機(jī)會(huì)[4]。

文獻(xiàn)[17, 18]的研究結(jié)果表明，呼叫模型能很好地反應(yīng)主用戶行為規(guī)律。在這個(gè)模型中，主用戶m的傳輸過(guò)程服從Poisson分布（獨(dú)立同分布的），它的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均為指數(shù)分布。假設(shè)狀態(tài)“1”表示主用戶p工作在它的授權(quán)信道上，稱為主用戶忙狀態(tài)。相反，狀態(tài)“0”表示主用戶空閑，稱為主用戶閑狀態(tài)。設(shè)α(m)是主用戶m在狀態(tài)“1”的平均持續(xù)時(shí)間，β(m)是主用戶m在狀態(tài)“0”的平均持續(xù)時(shí)間。α(m)和β(m)都服從指數(shù)分布[13,14]。從該主用戶行為模型中，可以估計(jì)出主用戶m出現(xiàn)的后驗(yàn)概率為[6]

圖1 具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)ni與節(jié)點(diǎn)nj在彼此的傳輸范圍R內(nèi)并且至少存在一條可用公共信道c，那么存在一條鏈路e=(ni, nj)∈Ε。令Cni表示次級(jí)用戶ni的頻譜機(jī)會(huì)(SOP, spectrum opportunity)，Cnj表示次級(jí)用戶nj的頻譜機(jī)會(huì)。其信道交集Ce=Cni∩Cnj隨著主用戶行為發(fā)生變化。所以節(jié)點(diǎn)ni或者節(jié)點(diǎn)nj接入信道cp的穩(wěn)定因子為或者，那么信道cm對(duì)于鏈路e基于主用戶行為的穩(wěn)定因子為

那么，鏈路e基于主用戶行為的穩(wěn)定因子SIni,nj為

定義 設(shè)圖G=(V,E)，對(duì)G的每一條邊(vi,vj)，相應(yīng)地有一個(gè)數(shù)l(vi,vj)稱為邊(vi,vj)的權(quán)。G連同它邊上的權(quán)稱為賦權(quán)圖[20]。

通常情況下，具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建模為有向連通圖G(N,E)，其中N表示頂點(diǎn)集，E表示邊緣集[19]。G(N,E)中的頂點(diǎn)n∈N對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的次級(jí)用戶，E對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中相鄰兩點(diǎn)間的鏈路。若網(wǎng)絡(luò)中的兩節(jié)點(diǎn)之間能夠傳輸數(shù)據(jù)，那么在圖G(N,E)中該兩點(diǎn)是連通的。由上述定義，令SIni,nj為圖G的頂點(diǎn)ni與nj的邊的權(quán)，那么G連同在它邊上的權(quán)稱為賦權(quán)圖。該賦權(quán)圖G中給定一個(gè)頂點(diǎn)s（稱為始點(diǎn)）及頂點(diǎn)d（稱為終點(diǎn)），所謂路由問(wèn)題就是在(s, d)道路集合K中尋找合適的道路k。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中要求避免受主用戶行為影響大的節(jié)點(diǎn)和對(duì)路由跳數(shù)的要求，本文提出的算法要尋找值最大的道路。

3 PUB-JRCA算法

鏈路質(zhì)量、相鄰鏈路的共道干擾以及主用戶行為等是保證路徑穩(wěn)定性的重要因素。假設(shè)鏈路質(zhì)量理想化，通過(guò)每個(gè)次級(jí)用戶的多接口收發(fā)機(jī)消除共道干擾，那么鏈路穩(wěn)定性很大程度上受主用戶行為的影響，因此主用戶行為對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由算法設(shè)計(jì)有重要的影響。本算法針對(duì)主用戶行為特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于主用戶行為的路由和信道聯(lián)合分配算法，增加認(rèn)知路由的平均持續(xù)時(shí)間期望，提高分組投遞率和平均分組時(shí)延。

3.1 基于主用戶行為的路由算法

在多跳認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，一條多跳路徑中間的各條鏈路同時(shí)連通才能保證該路徑的正常通信。那么，利用類似于DSR的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制[21]，從一定時(shí)間內(nèi)收集到的路由請(qǐng)求中選擇不易受主用戶影響的路由。基于主用戶行為的路由策略過(guò)程如下：源節(jié)點(diǎn)S如果有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，它首先在網(wǎng)絡(luò)中的公共控制信道(CCC)上廣播路由請(qǐng)求分組(RREQ)，尋找到目的節(jié)點(diǎn)D的K個(gè)可能路徑（令 K表示在給定時(shí)間內(nèi)尋找的可達(dá)路徑的數(shù)量）。目的節(jié)點(diǎn)D收到K個(gè)RREQ后，選擇受主用戶行為影響最小的路徑。RREQ的結(jié)構(gòu)包括如下（如圖2所示）。

1) 分組類型(Type)，源節(jié)點(diǎn)ID(Sid)，目的節(jié)點(diǎn)ID(Did)，包存活跳數(shù)(TTL)；

2) 路由表(RTable)：包含路徑k中的所有節(jié)點(diǎn)的ID，即。

3) 公共頻譜機(jī)會(huì)集合(C-SOP）：前跳節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的可用信道集合。如果SOP為空集，那么本節(jié)點(diǎn)將丟棄該RREQ。

4) 信道記錄(CRecord)：記錄本節(jié)點(diǎn)的可用信道集。

圖2 RREQ結(jié)構(gòu)圖

中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，檢查該節(jié)點(diǎn)的ID是否RREQ中目的節(jié)點(diǎn)ID相同，如果相同，則開(kāi)啟該節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器，等待一段時(shí)間，收集RREQ；如果不相同，那么檢查RREQ中的相關(guān)信息并判別：TTL大于零；RTable不包含該中間節(jié)點(diǎn)的ID；C-SOP與CRecord存在交集，3個(gè)條件均滿足時(shí)將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息寫(xiě)入RREQ中。例如：將本中間節(jié)點(diǎn)的ID寫(xiě)入RTable中；更新公共頻譜機(jī)會(huì)集合C-SOP以及前向路徑的穩(wěn)定因子SI。處理RREQ后，中間節(jié)點(diǎn)將 RREQ廣播至下一跳節(jié)點(diǎn)。直到第一個(gè)RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，開(kāi)啟目的節(jié)點(diǎn)處的定時(shí)器，等待一段時(shí)間，收集K個(gè)RREQ。

PUB-JRCA算法從收集到的K個(gè)可達(dá)路徑中選擇穩(wěn)定因子最大的路徑，選擇條件為

依據(jù)上述處理流程，PUB-JRCA算法可找到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間具有最大穩(wěn)定因子的路由。

3.2 基于主用戶行為的信道分配

找到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間具有最大穩(wěn)定因子的路由后，目的節(jié)點(diǎn)知道路徑上所有節(jié)點(diǎn)的可用信道信息，然后為每條鏈路分配能減少共道干擾和保證信道質(zhì)量的信道。

目的節(jié)點(diǎn)首先分析本節(jié)點(diǎn)與所選定路徑中的前一跳節(jié)點(diǎn)的可用信道集合交集，依據(jù)交集中可用信道的數(shù)量分為2種情況。

情況 1 可用信道集合交集中僅存在一條可用信道，那么分配該信道作為基本信道Cbasic。

情況 2 可用信道集合交集中存在多于一條的信道，那么依照以下方法選擇基本信道Cbasic。

假定數(shù)據(jù)傳輸信道是瑞利平坦衰落信道，接收節(jié)點(diǎn)的功率為

其中，N0是高斯噪聲的功率（在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，目的節(jié)點(diǎn)采用發(fā)射導(dǎo)頻估計(jì)信道的信干噪比）。于是前向節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間通過(guò)不同信道連通的鏈路權(quán)值為

假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率相等，那么將式(9)簡(jiǎn)化為

隨后，目的節(jié)點(diǎn)在公開(kāi)控制信道上沿著所選路徑的反向路徑發(fā)送包含路徑信息以及基本信道的路由回復(fù)分組(RREP)。中間節(jié)點(diǎn)收到RREP分組后，選擇中間節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)端節(jié)點(diǎn)的信道記錄中與基本信道Cbasic不同的信道集合，記為CR′，這樣可以減少相鄰鏈路之間的共道干擾。因?yàn)槊總€(gè)次級(jí)用戶有2個(gè)可調(diào)收發(fā)機(jī)，可以給相鄰鏈路分配2個(gè)不同信道，而不產(chǎn)生信道切換時(shí)延。在新的信道集合CR′中，中間節(jié)點(diǎn)選擇具有最高 W 的信道作為通信信道，然后將該信道寫(xiě)入RREP中，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP，直到RREP到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。

3.3 路由維護(hù)

在多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，鏈路失敗分為以下2種情況。

1) 由于主用戶的出現(xiàn)導(dǎo)致2個(gè)次級(jí)用戶之間的可用信道發(fā)生改變或者消失，從而導(dǎo)致鏈路失敗。

2) 由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，離開(kāi)原相鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，導(dǎo)致鏈路失敗。

當(dāng)僅由于第1種情況導(dǎo)致2個(gè)次級(jí)用戶的分配的通信信道Cbasic失效時(shí)，次級(jí)用戶檢查它們之間的公共可用信道集合 C-SOP，按照 3.2節(jié)的信道分配算法分配一條通信信道，而不是立即重啟一個(gè)新的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。這個(gè)處理步驟使得次級(jí)用戶很快地適應(yīng)主用戶行為的動(dòng)態(tài)變化，增加分組投遞率。假如公共可用信道集合C-SOP為空集，則認(rèn)為兩點(diǎn)之間的鏈路已經(jīng)失敗，中間節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生路由錯(cuò)誤分組(RRER)并沿著路由表源節(jié)點(diǎn)端路由傳送 RRER。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)第 2種情況時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)無(wú)法與鄰居節(jié)點(diǎn)通信，那么它認(rèn)為該鏈路失敗，然后產(chǎn)生路由錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分組(RRER)并沿著路由表的源節(jié)點(diǎn)端路徑傳送RRER。源節(jié)點(diǎn)收到RRER之后，刪除到目的節(jié)點(diǎn)D的路由并重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)程序。該過(guò)程類似于DSR協(xié)議中的路由維護(hù)。

3.4 PUB-JRCA算法總結(jié)

PUB-JRCA算法中，源節(jié)點(diǎn)在公共控制信道上發(fā)送路由請(qǐng)求，目的節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)RREQ后，繼續(xù)收集一段時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的 RREQ，利用每個(gè)RREQ中攜帶的各鏈路的穩(wěn)定因子信息，根據(jù) 3.1節(jié)的基于主用戶行為的路由策略選擇受主用戶行為影響最小的路由。然后目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生RREP，在公共控制信道上沿著所選路由的方向發(fā)送RREP并且執(zhí)行信道分配策略。為了減少相鄰鏈路之間的共道干擾，中間節(jié)點(diǎn)選擇與其后向鏈路信道不同的信道作為其前向鏈路的信道。因?yàn)槊總€(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有2個(gè)可調(diào)收發(fā)機(jī)，這種方案能避免信道切換時(shí)延。信道分配中考慮了信道質(zhì)量和主用戶對(duì)信道的影響。W值越大，越能保證信道的穩(wěn)定性。直到源節(jié)點(diǎn)收到 RREP，該源節(jié)點(diǎn)已經(jīng)找到與目的節(jié)點(diǎn)之間的受主用戶行為影響最小的路由及相應(yīng)信道。

總之，按照?qǐng)D3的處理流程，PUB-JRCA算法綜合考慮了受主用戶行為影響、共道干擾以及次級(jí)用戶間干擾等因素，首先進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，然后在路由回復(fù)過(guò)程中完成信道分配，最后當(dāng)出現(xiàn)鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由維護(hù)，這減少了由于主用戶出現(xiàn)引起的分組行丟失，這樣，PUB-JRCA算法完成了多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由和信道聯(lián)合分配以及路由維護(hù)。

圖3 PUB-JRCA算法

4 性能分析

4.1 鏈路平均持續(xù)時(shí)間分析

基于呼叫的模型中有2個(gè)重要的隨機(jī)變量，主用戶兩次呼叫達(dá)到時(shí)間間隙和主用戶每次呼叫持續(xù)時(shí)間均服從獨(dú)立指數(shù)分布。將主用戶活動(dòng)簡(jiǎn)化為兩狀態(tài)生滅過(guò)程，生概率為a1，滅概率為a0。當(dāng)主用戶狀態(tài)為滅時(shí)，次級(jí)用戶能夠使用該授權(quán)信道。這樣，次級(jí)用戶初始時(shí)刻選擇的可用信道的所屬主用戶必須處于“滅”狀態(tài)。在一個(gè)單位時(shí)隙Δt過(guò)后，主用戶轉(zhuǎn)換為“生”狀態(tài)的概率為a1。如果主用戶狀態(tài)由“滅”轉(zhuǎn)為“生”，那么位于該主用戶覆蓋區(qū)域內(nèi)的次級(jí)用戶將不能使用該授權(quán)信道。因此，公共可用信道中cm的平均持續(xù)時(shí)間期望為

其中，n表示單位時(shí)隙個(gè)數(shù)，根據(jù)

那么平均持續(xù)時(shí)間期望E(cm)(T)可寫(xiě)為

顯然，平均持續(xù)時(shí)間期望 E(cm)(T)與主用戶活動(dòng)概率成反比。在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，信道的平均持續(xù)時(shí)間期望直接反映了次級(jí)用戶能夠使用該信道的穩(wěn)定性。如果2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在一條甚至更多的公共可用信道，那么只要有一條信道能持續(xù)可用則能保證兩點(diǎn)間鏈路的穩(wěn)定性。因此，信道穩(wěn)定性與成反比，利用式(5)估計(jì)鏈路穩(wěn)定性是合理的。同理，路徑的穩(wěn)定和主用戶活動(dòng)概率也成反比，所有用式(6)能尋找到受主用戶影響最小的路由。

4.2 復(fù)雜度分析

為了估計(jì)PUB-JRCA算法的復(fù)雜度，假設(shè)在多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，最多有M個(gè)可用信道。在路由算法的過(guò)程中，源節(jié)點(diǎn)廣播RREQ，中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的 RREQ，直到目的節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)RREQ。這個(gè)過(guò)程的路由開(kāi)銷為O(N2)。然后，目的節(jié)點(diǎn)選擇最穩(wěn)定的路徑和信道。這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜度最大為 O(NM)。因此，整個(gè)過(guò)程的復(fù)雜度為O(N2+NM)，這和 Gymkhana路由方案[17]相類似。PUB-JRCA算法在不同條件下的復(fù)雜度如表1所示。

表1 PUB-JRCA算法在不同條件下的復(fù)雜度

PUB-JRCA算法中的路由選擇階段計(jì)算式為式(6)，那么該階段的計(jì)算復(fù)雜度為 O(N)。然而，在Gymkhana路由方案中，目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有候選路徑的 Laplacian矩陣的第二小特征值。其Laplacian矩陣為(Hk+1)M(Hk+1)M矩陣（Hk為第k條路徑的總跳數(shù)，M為網(wǎng)絡(luò)中可用信道數(shù)）。所以Gymkhana路由方案中目的節(jié)點(diǎn)的路由選擇階段的復(fù)雜度為O(N3)。這使得路由選擇階段的計(jì)算量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而指數(shù)增加。因?yàn)樵赑UB-JRCA算法網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)裝有2個(gè)可調(diào)收發(fā)機(jī)，雖然增加了設(shè)備成本，但是它能在降低路由選擇階段復(fù)雜度的情況下保證路由的穩(wěn)定性。

5 仿真結(jié)果

采用 NS2[23]環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能仿真。仿真場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请S機(jī)生成的。N個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000m×1 000m的區(qū)域內(nèi)，M條授權(quán)信道，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)（類似于802.11）的最大傳輸范圍為 300m。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，假設(shè)傳輸信道為瑞利平坦衰落信道，其瑞利分布的均值服從參數(shù)為1的指數(shù)分布，其他次級(jí)用戶對(duì)參照節(jié)點(diǎn)的干擾服從均值為0dB、方差為8dB的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，高斯噪聲功率為-90dBm[24]。建模主用戶行為為呼叫模型，其每個(gè)不同主用戶的活動(dòng)概率處于0～0.9之間。仿真初始化時(shí)，每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的可用頻譜為所有授權(quán)頻譜的一部分。在一個(gè)單位時(shí)間里，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以傳輸100個(gè)數(shù)據(jù)分組，其可用頻譜確定。在下一個(gè)單位時(shí)間里，主用戶m狀態(tài)變?yōu)椤?”的概率為，使得該主用戶覆蓋范圍內(nèi)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的可用頻譜發(fā)生改變。

5.1 分組投遞率

在具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，分組投遞率是發(fā)送分組數(shù)量與接收分組數(shù)量的比值，能反映由于路由失敗引起的分組丟失率。在多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的出現(xiàn)是導(dǎo)致路由失敗的主要因素。因此，主用戶(PU, primary user)的活動(dòng)概率會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率。仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲须S機(jī)分布25個(gè)認(rèn)知用戶，3個(gè)主用戶，PU1、PU2、PU3， PU1和PU3的活動(dòng)概率為= 0 .4和= 0 .1并保持不變而PU2的活動(dòng)概率從0.1到0.9變化。每個(gè)認(rèn)知用戶的初始化可用信道為{c1,c2,c3}。如圖4所示，不同協(xié)議之間的分組投遞率的差異非常明顯。特別當(dāng)大于0.4時(shí)，PUB-JRCA算法的分組投遞率較DSR提高了7%。因?yàn)镈SR協(xié)議中沒(méi)有考慮主用戶的活動(dòng)性。圖4顯示3種協(xié)議的分組投遞率隨著PU2的活動(dòng)概率的增加而減少。但是，Gymkhana路由方案和 PUB-JRCA算法的分組投遞率均勝過(guò) DSR協(xié)議。因?yàn)镻U2活動(dòng)概率的增加導(dǎo)致PU2處于狀態(tài)“1”的平均持續(xù)時(shí)間增加，那么處于PU2傳輸范圍內(nèi)的次級(jí)用戶使用該授權(quán)信道的概率減小。

圖4 主用戶2的不同活動(dòng)概率下的分組投遞率

在PUB-JRCA算法中，中間節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)端鏈路和目的節(jié)點(diǎn)端鏈路選擇不同信道，能減小相鄰鏈路之間的干擾，即共道干擾。在信道分配中考慮不同信道的信干噪比與活動(dòng)概率，保證信道的質(zhì)量。因此，PUB-JRCA算法總是選擇受主用戶影響較小的節(jié)點(diǎn)和質(zhì)量好的信道保證路由穩(wěn)定。

5.2 平均分組時(shí)延

在針對(duì)平均分組時(shí)延(average packet delay)的仿真中，僅考慮路由建立延時(shí)而忽略信道傳輸延時(shí)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個(gè)主用戶，所有主用戶有相同的活動(dòng)概率，次級(jí)用戶數(shù)從 25個(gè)逐漸增加到200個(gè)。其平均分組時(shí)延結(jié)果如圖5所示，DSR協(xié)議的平均分組時(shí)延比Gymkhana路由方案和PUB-JRCA算法的平均分組時(shí)延小，因?yàn)镈SR協(xié)議中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ后，目的節(jié)點(diǎn)不需要開(kāi)啟定時(shí)器等待一段特定時(shí)間，因?yàn)槟康墓?jié)點(diǎn)只回復(fù)收到的第一個(gè)RREQ，從而減少了平均分組時(shí)延。但是 PUB-JRCA算法中的平均分組時(shí)延比 Gymkhana路由方案的平均分組時(shí)延小。隨著網(wǎng)絡(luò)中次級(jí)用戶數(shù)的增加， PUB-JRCA算法和Gymkhana路由方案的平均分組時(shí)延均逐漸增加，但是前者平均分組時(shí)延的增加幅度比后者平均分組時(shí)延的增加幅度小，當(dāng)次級(jí)用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時(shí)，PUB-JRCA算法的平均分組時(shí)延比Gymkhana路由方案低將近1.8個(gè)單位時(shí)間。因?yàn)?PUB-JRCA算法中目的節(jié)點(diǎn)處的路由選擇階段的計(jì)算復(fù)雜度比Gymkhana路由方案的計(jì)算復(fù)雜度低，網(wǎng)絡(luò)中次級(jí)用戶數(shù)增加直接影響路由選擇階段時(shí)延，從而影響網(wǎng)絡(luò)中的平均分組時(shí)延。

因此，在具有多信道的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，PUBJRCA算法在平均分組時(shí)延方面優(yōu)于Gymkhana路由方案，尤其當(dāng)次級(jí)用戶數(shù)越大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中平均分組時(shí)延性能越優(yōu)越。而PUB-JRCA算法為獲得比DSR協(xié)議更高的分組投遞率，犧牲了網(wǎng)絡(luò)平均分組時(shí)延。由此可知，PUB-JRCA算法更適合多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

圖5 不同次級(jí)用戶數(shù)下的平均分組時(shí)延

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適應(yīng)于多信道認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基于主用戶行為的聯(lián)合路由和信道分配算法。針對(duì)主用戶行為導(dǎo)致頻譜的動(dòng)態(tài)特性，基于 DSR的基本思想，對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，提出一種新的基于主用戶行為的路徑權(quán)值算法，并將信道分配過(guò)程添加到路由回復(fù)階段完成。理論分析表明，基于主用戶行為的路徑權(quán)值與鏈路的平均持續(xù)時(shí)間期望成反比，可以權(quán)衡鏈路平均持續(xù)時(shí)間，另外分析了算法的路徑選擇階段的計(jì)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，該算法在主用戶行為多變和多節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能提升分組投遞率，降低平均分組時(shí)延。

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