多信道Buffer感知機會路由協議

崔文洋

摘要摘要：針對無線電頻譜資源不足和現有機會路由方案存在的問題，通過將認知無線電技術和機會路由有效結合起來，提出了一種能夠同時對無線電頻譜和節點Buffer進行感知的機會路由協議（SBA-OR：Spectrum and Buffer Aware Opportunistic Routing）。OMNET++仿真結果表明，相對于經典的機會路由方案，Buffer感知機會路由的平均端到端延時更小，吞吐量更大，負載更均衡。采用多信道后，性能進一步提升。

關鍵詞關鍵詞：認知無線電；機會路由協議；Buffer感知；負載均衡

DOIDOI：10.11907/rjdk.171110

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005015803

0引言

隨著網絡的快速發展，各種網絡用戶急劇增加，各種無線電技術與應用的競爭愈演愈烈，無線電頻譜資源的有限性日益凸顯。與此同時，在全球范圍內，普遍采用固定的頻譜分配策略來管理無線電頻譜資源，因而產生了頻譜資源利用效率低下的問題。近年來，認知無線電技術發展成為提高頻譜使用效率的主要研究方向[1]。

對于無線多跳網絡而言，路由是影響網絡整體性能的最重要因素之一。與傳統路由按照事先選好的路徑進行數據包傳輸不同，機會路由在傳輸數據包時，充分利用了無線電媒介的廣播特性，通過多個候選節點的協同工作，動態、自主地選擇下一跳節點來轉發數據包，從而提高了鏈路的穩定性和系統整體的吞吐量[2]。現有的機會路由方案大都忽略了中繼節點Buffer中的數據包個數對網絡路由性能的影響，在高速率無線多跳網絡中，可能造成最短路徑上的中繼節點Buffer中積累大量的數據包，從而影響網絡傳輸性能。

針對現有機會路由方案存在的不足，本文提出了一種能夠同時對無線電頻譜和候選中繼節點Buffer進行感知的機會路由協議（SBA-OR），該協議在有效結合認知網絡技術和機會路由技術的基礎上，引入了對候選中繼節點的Buffer進行動態感知的機制，進一步提高無線傳感器網絡的傳輸性能，真正實現了對無線電頻譜資源的動態利用，并綜合候選中繼節點的位置和Buffer信息動態、自主地進行路由決策。

1多信道Buffer感知機會路由協議實現

在機會路由方案（OR：Opportunistic Routing）中，通常有4種類型的數據要發送，即RTS、CTS、DATA、ACK[34]。節點在發送正式的數據包DATA之前，需要與其候選節點集中的節點完成一次RTS/CTS握手，具體過程如下：節點在選取的數據傳輸信道上廣播RTS，候選節點集的節點在接收到節點廣播的RTS后，會調度一個時長為TBackoff的定時器。TBackoff的計算公式如下：

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

其中，Di，dst表示發送節點和目的節點之間的距離，Dk，dst表示候選節點和目的節點之間的距離，C0是一個與距離相關的常數。在TBackoff的定時時間結束后，候選節點會在同一信道上向發送節點回復一個CTS。發送節點在該信道上成功接收到第一個CTS后，就會忽略掉后續接收到的CTS。這樣就完成了一次RTS/CTS握手，而第一個回復CTS的候選節點就被選為了最佳中繼節點。

由式（1）可知，候選節點與目的節點的距離越近，TBackoff就越小，候選節點在回復CTS之前等待的時間就越短，競爭最佳中繼節點的優先級就越高。

在完成RTS/CTS握手后，發送節點就會向選定的中繼節點發送數據包DATA，中繼節點會立即回復一個確認包ACK。

Buffer感知機會路由（BAOR：Buffer Aware Opportunistic Routing）與經典機會路由的數據包傳輸過程大致相同。兩者的不同之處在于候選節點集中的候選節點在接收到發送節點廣播的RTS后的處理方式。在BAOR中，候選節點在接收到RTS后，同樣會調度一個時長為TBackoff的定時器。計算公式如下：

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

其中，BUFNUM表示候選節點Buffer中實際存儲的數據包的個數，BUFSIZE表示候選節點Buffer中能夠存儲的最大數據包個數，C1是一個常數。

顯然，TBackoff的大小由節點位置和Buffer中的數據包個數共同決定。如果候選節點Buffer中存儲的數據包個數較多，即便距離目的節點較近，也可能不會被選為最佳中繼節點。

在多信道方案中，節點在進行RTS/CTS握手之前，首先需要對無線電環境進行頻譜感知，獲取頻譜使用信息，然后采用一定的信道選擇算法，從若干條可用的信道中選出一條最佳信道作為數據傳輸信道[3，56]。

2實驗配置及結果

在一個1 000×130m2的矩形區域內，對應于不同的實驗場景分別布置特定數量的傳感器節點。為了使數據包的傳輸路徑分布更加合理，同時使實驗結果更具有說服力，傳感器節點在網絡中的分布設置為隨機均勻分布。實驗參數值是在IEEE.802.15.4的基礎上選取的，主要參數如表1所示（根據表中參數值，數據包的有效傳輸范圍大約為62m）[7]。

對每一種路由方案都進行一組仿真實驗，固定源節點坐標位置為（0，65），目的節點坐標為（1 000，65），源節點和目的節點的距離為1 000m。通過改變網絡中的節點總數，即調節網絡節點密度，設置了6個不同的實驗場景。節點總數的變化范圍為150～400，增長間隔為50。

為了充分發揮BAOR在高數據率無線傳感器網絡中的性能優勢，將源節點的發包速率設置為最大，即在完成了前一個數據包的發送后，源節點會立即啟動后一個數據包的發送過程。

在仿真實驗結束后，對實驗結果進行了統計處理，并用MATLAB繪制了相應的二維曲線圖，從數據包的平均端到端延時、吞吐量和網絡負載均衡等3個方面對不同的路由方案進行了比較分析。

2.1平均端到端延時（End to End Delay）

平均端到端延時是網絡中的數據包從源節點傳遞到目的節點的平均延時。單信道BAOR、單信道OR、多信道BAOR、多信道OR的平均端到端延時隨網絡節點密度的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，4種機會路由方案的平均端到端延時都隨著網絡節點密度的增加而單調減少，多信道機會路由方案的平均端到端延時明顯小于單信道；在單信道和多信道兩種情況下，BAOR的平均端到端延時都比OR小；而相對于單信道情況下，在多信道方案中，BAOR對平均端到端延時的改善幅度較小。

原因如下：

在OR中，候選節點的位置是選擇最佳中繼節點的唯一考慮因素。候選節點距離目的節點越近，其被選為最佳中繼節點的優先級就越高。由于每一跳都按照這樣的標準進行路由，數據包實際走過的路徑通常是最短路徑或者接近最短路徑。通常情況下，中繼節點在接收到一個數據包后，會立即將數據包轉發出去。而在高數據率的無線傳感器網絡中，由于網絡負載較大，一個中繼節點在接收到一個數據包時，因為網絡的實際情況，可能還沒來得及將該數據包轉發出去，而后續的數據包又到達了。因此，在這種情況下，會造成最短路徑以及附近路徑上的中繼節點積累過多數量的數據包。由于數據包在中繼節點Buffer中的平均排隊時間較長，數據包的平均端到端延時也較大。

而在BAOR中，數據包在選擇最佳中繼節點時，不僅要考慮候選節點的位置，還要考慮候選節點Buffer中存儲的數據包個數。候選節點Buffer中存儲的數據包個數越少，距離目的節點越近，被選為最佳中繼節點的優先級就越高。因此，數據包在傳輸過程中，會繞過已經存儲了較多數量數據包的最短路徑中繼節點，避免了最短路徑上積壓過多數量的數據包。顯然，這種路由方式能夠比較充分地利用網絡中相對空閑的路徑，有效減少數據包在中繼節點Buffer中的平均排隊時間，從而使數據包的平均端到端延時明顯減少。因此，BAOR的平均端到端延時會明顯小于OR。

在單信道的機會路由方案中，當信道被鄰居節點占用時，節點就無法發送數據包。只能等到信道空閑時，節點才能成功接入信道。而在多信道的機會路由方案中，由于有多條信道可以使用，當一條信道被鄰居節點占用時，節點還可以接入其它信道。總體而言，節點成功接入信道的概率極大增加，因而減少了數據包在節點Buffer中排隊的平均時間。因此，相對于單信道的機會路由方案，多信道機會路由方案的平均端到端延時會大幅度減小。

顯然，在多信道情況下，OR的傳輸性能已經比較良好，BAOR在OR的基礎上提升性能的空間較為有限。因此，相對于單信道情況下，在多信道的方案中，BAOR對平均端到端延時的改善幅度較小。

隨著網絡中節點密度的增加，更多路徑較短、跳數較少的可用路徑會出現，機會路由的性能優勢也就更加明顯。因此，數據包的平均端到端延時會單調減少。

2.2吞吐量（Throughput）

吞吐量指單位時間內傳輸的數據量。吞吐量可以由目的節點接收到的數據包的總字節數除以目的節點接收數據包的總用時得到。

4種方案的吞吐量隨網絡節點密度的變化曲線如圖2所示。吞吐量變化情況與平均端到端延時的比較相近，這里不再贅述。

在單信道機會路由方案中，由于只有一條信道可用，所有數據包都只能在這條信道上傳輸。一旦信道被鄰居節點占用，節點就不能再接入信道發送數據包。而在多信道機會路由方案中，有若干條信道可以使用，鄰居節點可以同時在各自的信道上傳輸數據包，即數據包可以同時沿著多條信道向前傳輸。顯然，多信道的傳輸能力更強，在單位時間內能夠傳輸更多的數據包。因此，多信道機會路由方案的吞吐量明顯大于單信道。

2.3負載均衡（Load Balance）

對網絡中每個節點轉發的數據包個數進行統計，并計算出這些數據的標準差，用以表征網絡的負載均衡。計算公式如下：

stdDev=1N∑Ni=1（ni-μ）2（3）

其中，stdDev就是上述的標準差，N表示網絡中的節點總數，ni表示節點轉發的數據包個數，μ表示所有節點轉發的數據包個數的平均值。

4種方案的stdDev隨網絡節點密度的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著網絡中節點密度的增加，4種機會路由方案的stdDev都單調減小。在單信道和多信道兩種情況下，BAOR的stdDev都比OR的小。4種方案中，單信道OR的stdDev最大，多信道OR次之，而多信道BAOR的stdDev小于多信道OR，單信道BAOR的stdDev最小。

原因如下：

在單信道OR中，當一個中繼節點的Buffer中存儲的數據包數量達到最大值后，該節點就不再對后續數據包的發送請求（RTS）作出響應。同時，由于網絡中只有一條信道可用，當一個節點在發送數據時，由于信道被占用，處于其傳輸范圍內的鄰居節點就不能再發送數據。因此，當一個中繼節點在轉發數據包時，其上一跳節點就不能發送數據包，只有等到信道空閑后，上一跳節點才開始發送過程，通常上述中繼節點仍是最佳中繼節點。綜上所述，一般情況下，只有當最短路徑上的中繼節點Buffer已滿時，單信道OR才會選擇其它路徑傳輸數據包。

在多信道OR中，當最短路徑上的一個中繼節點在轉發數據包時，其上一跳節點可以在其它信道上發送數據包，空閑的候選節點可以對該數據發送請求作出響應，即上一跳節點發送的后續數據包可以沿著其它路徑進行傳輸。因此，多信道OR的stdDev要比單信道的小。

在單信道BAOR中，由于只有一條信道可以使用，中繼節點成功接入信道的概率比較小，發送數據包很容易失敗，最短路徑及其附近路徑上積累較多數據包的可能性也就比較大。因此，后續數據包繞過這些存儲了較多數據包的中繼節點，而選擇其它相對空閑的路徑的機會也就較多，從而使得網絡流量分布于更多的路徑上。相對而言，在多信道BAOR中，由于有多條信道可以使用，數據傳輸的速率明顯增大，最短路徑上積累較多數據包的可能性較小，后續數據包繞行的機會也較少。因此，多信道BAOR中的網絡流量分布更加集中，stdDev自然就比單信道的大。

3結語

針對現有機會路由方案中存在的問題，本文提出了一種能夠同時對頻譜和Buffer進行感知的機會路由方案（SBA-OR）。仿真結果表明，在單信道和多信道兩種情況下，相對于經典的機會路由方案（OR），Buffer感知機會

路由（BAOR）的平均端到端延時更小、吞吐量更高、負載更均衡。在4種方案中，多信道Buffer感知機會路由（SBA-OR）具有最小的端到端延時和最大的吞吐量。

參考文獻參考文獻：

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

責任編輯（責任編輯：孫娟）