摘  要： 在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，主用戶(hù)使用授權(quán)頻段時(shí)認(rèn)知用戶(hù)需要避讓。這將導(dǎo)致認(rèn)知用戶(hù)原路由上工作頻率的頻繁切換。為了盡量減少這種切換，維持原路由上數(shù)據(jù)持續(xù)高效地傳輸，提出了一種優(yōu)化的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)方案。在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)認(rèn)知用戶(hù)測(cè)得主用戶(hù)存在時(shí)先測(cè)試主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向等信息，繼而根據(jù)主用戶(hù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況判斷認(rèn)知用戶(hù)是否可以避讓。仿真結(jié)果顯示，認(rèn)知用戶(hù)通過(guò)有效的避讓既避免了對(duì)主用戶(hù)的干擾，又維持了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)原路由繼續(xù)工作。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無(wú)線電；載波檢測(cè)；協(xié)同檢測(cè)

    認(rèn)知無(wú)線電CR(Cognitive Radio)的概念由Joseph Mitola于1999年首先提出[1-3]，并在其博士論文中對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述[4]。認(rèn)知無(wú)線電作為一種新型的頻譜共享技術(shù)，通過(guò)智能感知并機(jī)會(huì)式利用授權(quán)頻段中的頻譜空洞(即已分配給授權(quán)用戶(hù)但未被其占用的空閑頻譜)，實(shí)現(xiàn)不可再生頻譜資源的再次利用，為有效解決當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開(kāi)辟了新的途徑，是解決通信發(fā)展瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。路由研究是認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要方面。由于頻譜動(dòng)態(tài)接入帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)可用信道隨時(shí)間和空間變化的特性，使得認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由問(wèn)題呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特質(zhì)，在研究方法上也有重要的區(qū)別?，F(xiàn)有路由協(xié)議如DSR、AODV等在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中失去原有的性能。所以需要設(shè)計(jì)能夠反映認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及適用于在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中工作的路由算法和協(xié)議。
    目前關(guān)于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議研究成果主要可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)主要集中在路由拓?fù)渌惴ê蛥f(xié)議的設(shè)計(jì)上，一般也同時(shí)提出了路由的優(yōu)化方案；另一類(lèi)主要集中在路由優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于路由算法和協(xié)議本身考慮得并不多。參考文獻(xiàn)[5]考慮了從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路徑上信道切換次數(shù)和信道可使用概率，從最小延時(shí)和使用可用概率最高的信道兩個(gè)方面建立路由。參考文獻(xiàn)[6]描述了一種非控制信道依賴(lài)型按需路由協(xié)議MSCRP(Multi-hop Single-transceiver CRN Routing Protocol)。參考文獻(xiàn)[7]綜合考慮了鏈路分配、信道干擾、節(jié)點(diǎn)無(wú)線電接口限制和多徑路由流量限制, 運(yùn)用混合整數(shù)線性規(guī)劃M(mǎn)ILP(Mixed Integer Linear Programming)方法優(yōu)化了路由算法。參考文獻(xiàn)[8]在考慮了同步開(kāi)銷(xiāo)，定義了路由開(kāi)銷(xiāo)函數(shù)，對(duì)路由算法進(jìn)行了優(yōu)化。以上協(xié)議都是在路由建立上進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。然而隨著可用信道的動(dòng)態(tài)變化，路由將不可避免地面臨建立和撤銷(xiāo)的情況。這將帶來(lái)本條路由工作信道的頻繁切換，不利于路由上數(shù)據(jù)持續(xù)流暢地傳輸。所以，本文從路由上數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)流暢性方面提出了一種改進(jìn)的路由協(xié)議方法。
1 路由維護(hù)方案設(shè)計(jì)
    如圖1所示，假設(shè)已知一條認(rèn)知用戶(hù)路由SUS、SU1、SU2、SU3、…、SUR，其中SU為認(rèn)知用戶(hù)節(jié)點(diǎn)，PU為主用戶(hù)節(jié)點(diǎn)，V為主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)速度，雙線箭頭為主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)方向。虛線圓是認(rèn)知用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率覆蓋范圍，實(shí)線圓是主用戶(hù)的發(fā)射功率覆蓋范圍。點(diǎn)M、N為SU2的相鄰兩節(jié)點(diǎn)SU1、SU3圓形覆蓋范圍的兩個(gè)交點(diǎn)。假設(shè)當(dāng)前可用頻率有F1、F2、F3…，其中F1為PU的授權(quán)頻率。假設(shè)在認(rèn)知用戶(hù)路由中，SU2當(dāng)前使用的頻率為PU的授權(quán)頻率F1，那么在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前，SU2需要對(duì)頻率F1進(jìn)行檢測(cè)，若此時(shí)PU開(kāi)始使用F1，SU2將檢測(cè)到PU的存在。如果SU2繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中可能與PU發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，所以SU2需要回避，原認(rèn)知用戶(hù)路由面臨著失效與重建。為了減小認(rèn)知用戶(hù)路由失效重建的頻率，維持認(rèn)知用戶(hù)路由上數(shù)據(jù)高效地傳輸，本文提出了一種新的回避方法。即SU2在檢測(cè)到PU在使用授權(quán)頻率F1后，通過(guò)一定的方法收集相關(guān)參數(shù)以計(jì)算PU的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、射頻覆蓋范圍等信息。經(jīng)計(jì)算，若通過(guò)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)SU2的避讓?zhuān)琍U在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)離開(kāi)SU2的干擾范圍，則SU2將重新尋找工作頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。若PU在短時(shí)間內(nèi)將離開(kāi)SU2的干擾范圍，SU2節(jié)點(diǎn)就可以進(jìn)行地理位置的移動(dòng)(如圖1中虛線箭頭所示)，與主用戶(hù)之間保持一定的距離，同時(shí)計(jì)算退避時(shí)間，暫停數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為提高運(yùn)行的可靠性，退避時(shí)間結(jié)束后，SU2節(jié)點(diǎn)需要再一次對(duì)PU是否存在進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)檢測(cè)到PU已經(jīng)離開(kāi)，SU2節(jié)點(diǎn)才能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

    當(dāng)測(cè)得主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)信息和發(fā)射半徑信息之后可以進(jìn)一步判斷認(rèn)知用戶(hù)能否避讓和退避時(shí)間。先不考慮暴露終端和隱藏終端的問(wèn)題，認(rèn)知用戶(hù)的避讓距離應(yīng)為主用戶(hù)的發(fā)射功率覆蓋范圍與認(rèn)知用戶(hù)的發(fā)射功率覆蓋范圍之交集。考慮到認(rèn)知用戶(hù)先是檢測(cè)到主用戶(hù)的存在再對(duì)主用戶(hù)進(jìn)行定位，所以主用戶(hù)第一次出現(xiàn)的地點(diǎn)與認(rèn)知用戶(hù)的距離小于主用戶(hù)的發(fā)射功率覆蓋半徑。
    如圖1所示，當(dāng)主用戶(hù)PU靠近時(shí)，PU與SU2的距離只能越來(lái)越小，數(shù)據(jù)碰撞概率會(huì)越來(lái)越高。由于認(rèn)知用戶(hù)SU2的避讓范圍不能超出其相鄰兩節(jié)點(diǎn)（SU1，SU3）發(fā)射功率覆蓋范圍的重疊區(qū)域（圖中陰影部分），所以在主用戶(hù)PU靠近的過(guò)程中，SU2不能完全避讓。當(dāng)主用戶(hù)遠(yuǎn)離時(shí)，認(rèn)知用戶(hù)可以根據(jù)主用戶(hù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方向在圖中陰影部分實(shí)施避讓。若主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)速度非?？欤J(rèn)知用戶(hù)SU2也可以原地退避一段時(shí)間后繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，以上兩種情況下原認(rèn)知用戶(hù)路由都不需要改變。
2 路由維護(hù)方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    認(rèn)知路由中當(dāng)前具有轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)。本次改進(jìn)的路由維護(hù)方案為認(rèn)知用戶(hù)增加了測(cè)試功能。在轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，該轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)需要對(duì)主用戶(hù)存在與否進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)結(jié)果顯示主用戶(hù)未使用其授權(quán)頻率，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)可以使用當(dāng)前工作頻率繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若檢測(cè)結(jié)果顯示主用戶(hù)正在使用其授權(quán)頻率，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)需要進(jìn)一步測(cè)試主用戶(hù)相關(guān)參數(shù)，再對(duì)收集的參數(shù)進(jìn)行處理得到主用戶(hù)運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和發(fā)射功率覆蓋范圍，以此判斷主用戶(hù)在短時(shí)間內(nèi)能不能離開(kāi)干擾范圍，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)能不能避讓等。轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)將協(xié)同鄰居節(jié)點(diǎn)完成對(duì)主用戶(hù)信息的檢測(cè)，工作過(guò)程如圖2所示，具體方法如下：

    (1)假設(shè)當(dāng)前認(rèn)知路由使用頻率為F1；
    (2)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)：
    ①當(dāng)接收到測(cè)試主用戶(hù)信息的命令之后，先啟動(dòng)循環(huán)檢測(cè)功能尋找到當(dāng)前可用頻率，假設(shè)是頻率F2；
    ②按順序分別在F1、F2、F3…Fn上第一次廣播，通知鄰居節(jié)點(diǎn)將接收頻率調(diào)整到F2；
    ③在F2上進(jìn)行第二次廣播，通知鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)F1頻率的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；
    ④等待鄰居節(jié)點(diǎn)回應(yīng)；
    ⑤收集多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)包，比較信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)，從中選擇信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)大的2～6組數(shù)據(jù)對(duì)主用戶(hù)進(jìn)行定位計(jì)算；
    (3)鄰居節(jié)點(diǎn)：
    ①當(dāng)接收到轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)廣播的頻率調(diào)整到F2的命令后，將自己的工作頻率改成F2，等待接收下一個(gè)命令；
    ②接收到對(duì)F1頻率進(jìn)行測(cè)試的命令后，將自己的接收頻率調(diào)整到F1，對(duì)主用戶(hù)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)記錄檢測(cè)時(shí)刻；
    ③若沒(méi)有檢測(cè)到主用戶(hù)的信號(hào)，則回到初始狀態(tài)；若檢測(cè)到主用戶(hù)的信號(hào)，則將主用戶(hù)的信號(hào)強(qiáng)度、測(cè)得信號(hào)的時(shí)間以及本節(jié)點(diǎn)地理位置加載到數(shù)據(jù)包上；
    ④將工作頻率調(diào)整到F2，隨機(jī)退避一段時(shí)間，若檢測(cè)到F2仍然沖突，則繼續(xù)退避；若F2空閑就將數(shù)據(jù)包發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)；
    ⑤進(jìn)入等待應(yīng)答的狀態(tài)；
    ⑥收到應(yīng)答后，本節(jié)點(diǎn)回到初始狀態(tài)。
    在對(duì)主用戶(hù)的信息收集與處理之后，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)需要判斷能否通過(guò)主動(dòng)避讓避免與主用戶(hù)之間的干擾，其判斷步驟如下：
    (1)在可移動(dòng)范圍內(nèi)（圖1中陰影部分），依據(jù)主用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度以及兩者的干擾半徑，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)確定一個(gè)新的位置；
    (2)若該新位置在可避讓范圍內(nèi)且轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)移動(dòng)到該新位置后，與主用戶(hù)之間將不再產(chǎn)生干擾，計(jì)算移動(dòng)所需要的時(shí)間T。若該新位置在可避讓范圍的邊緣且轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)移動(dòng)到該新位置后，需再等待一段時(shí)間才與主用戶(hù)之間不再產(chǎn)生干擾，則計(jì)算移動(dòng)與等待的總時(shí)間T；
    (3)將T與預(yù)先設(shè)定的等待閾值（如1~2 min）和變頻閾值（如8~10 min）進(jìn)行比較,若T小于等待閾值，則轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)等待相應(yīng)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)避讓?zhuān)蝗鬞大于等待閾值而小于變頻閾值，則轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)移動(dòng)到步驟(1)確定的新位置實(shí)現(xiàn)避讓?zhuān)蝗鬞遠(yuǎn)大于變頻閾值（如10 min），則轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)放棄當(dāng)前頻率。
3 仿真及結(jié)果分析
    為了研究路由維護(hù)方案的可行性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以事件驅(qū)動(dòng)模擬實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行方案驗(yàn)證[9]。就認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)定，不失一般性，考慮主網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)都是節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)存在僅有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一條路由，如圖3所示，其中start、1、dest分別為認(rèn)知用戶(hù)路由的源節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)地址分別設(shè)為（1，2，3）。dis為主用戶(hù)，其余的節(jié)點(diǎn)為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的其他鄰居節(jié)點(diǎn)。黑色線條為預(yù)設(shè)的主用戶(hù)運(yùn)動(dòng)軌跡，主用戶(hù)將以預(yù)先設(shè)定的速度沿著黑色線條勻速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)自身的位置是已知的。    圖3中三條黑色線段的參數(shù)如表1所示，表中X、Y為某條線段的起點(diǎn)或終點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，“第一段”對(duì)應(yīng)的上面兩個(gè)參數(shù)為這條線段起點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，下面兩個(gè)參數(shù)為終點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，以上兩點(diǎn)確定了圖中主用戶(hù)運(yùn)動(dòng)路徑的第一段。“第一段”最后一個(gè)參數(shù)為主用戶(hù)在這段路徑上運(yùn)動(dòng)的速度。表中“第二段”和“第三段”后面對(duì)應(yīng)的是第二段和第三段路徑的參數(shù)。

    仿真結(jié)果如圖4～圖6所示，以圖中矩形框中轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)為研究對(duì)象，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)的原始坐標(biāo)為(0.397，0.561)。當(dāng)主用戶(hù)dis靠近但與轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)之間沒(méi)有產(chǎn)生干擾時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)仍不斷傳送數(shù)據(jù)，如圖4所示。當(dāng)主用戶(hù)漸漸靠近并與轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)之間產(chǎn)生干擾時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)暫停數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的收集與計(jì)算，退避到一個(gè)新的地理位置（0.604，0.363），同時(shí)計(jì)算得到退避時(shí)間164.8 s（約2.7 min），如圖5所示。退避結(jié)束后，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)需要再次對(duì)主用戶(hù)dis是否存在進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到主用戶(hù)dis已經(jīng)離開(kāi)干擾范圍，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)將繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，如圖6所示。

    圖6中主用戶(hù)dis的地理坐標(biāo)為（0.334，0.604）。仿真限定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率覆蓋半徑為0.3 km，則主用戶(hù)dis與轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)之間的距離約為0.36 km>0.3 km，所以主用戶(hù)與轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)之間不再存在干擾。再由轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)的原始坐標(biāo)、新坐標(biāo)以及退避時(shí)間可得轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)的退避距離為0.286 km，速度為6.36 km/hr。此速度相當(dāng)于人的步行速度，所以在實(shí)際應(yīng)用中該方案可實(shí)現(xiàn)。
    在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，主用戶(hù)使用其授權(quán)頻段時(shí)間的不確定性將帶來(lái)認(rèn)知用戶(hù)路由頻繁地失效與重建。為了減少這種失效重建的頻率，本文對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由維護(hù)提出了一種改進(jìn)的方案，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)議及功能作了簡(jiǎn)單的仿真分析?？紤]到實(shí)際電磁環(huán)境的復(fù)雜性，所涉及的具體算法(例如定位算法)及其性能分析將在后續(xù)論文中進(jìn)一步闡述。
參考文獻(xiàn)
[1] 滑楠，曹志剛.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)路由研究綜述[J].電子學(xué)報(bào)，2010，38(4)：910-918.
[2] MITOLA J，MAGUIRE G J.Cognitive radio: making software radio more personal[J].IEEE Personal Communications Magazine，1999，6(4)：13-18.
[3] MITOLA J.Cognitive radio for flexible mobile multimedia  communications[C].Pro ceedings of IEEE International  Workshop on Mobile Multimedia Communications(MoMuC%-99).SanDiego:IEEE，1999：3-10.
[4] MITOLA J III.Cognitive radio: an integrated agent architecture for software defined radio[D].Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology，2000.
[5] KRISHNAMURTHY S，THOPPIAN M，VENKATESAN S，et al.Control channel based MAC—layer configuration, routing and situation awareness for cognitive radio networks[C].  Proceedings of Military Communications Conference (MILCOM). Atlantic City：IEEE，2005(1)：455-460.
[6] Ma Huisheng，Zheng Lili，Ma Xiao，et al.Spectrum aware routing for multi-hop cognitive radio networks with a single transceiver[C].Proceeding s of Third International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications(CrownCom).Singapore：IEEE Press，2008：1-6.
[7] Ma Miao，TSANG D H K.Joint spectrum sharing and fair routing in cognitive radio networks[C].Proceedings of Consumer Communications and Networking Conference (CCNC).IEEE Press，2008：978-982.
[8] BENEDETTO D M G，NARDIS D L.Cognitive routing in UWB networks[C].Proceedings of IEEE International Conference on Ultra—Wideband.IEEE Press，2006：381-386.
[9] 王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：人民郵電出版社，2003.