认知无线自组织网络技术研究

　　张同王钦为刘杰
　　【摘要】本文讨论分析了无线自组织网络产生的背景，详细介绍了认知无线自组织网络的相关技术特点，研究和设计了无线自组织的网络。针对多跳无线自组织网络中路由不稳定且效率低的问题，提出了基于多路径路由发现及最优路由选择的方法，设计了离线计算与在线计算结合的方式，从而提高了路由选择策略计算效率。
　　【关键词】认知无线自组织网络；多径路由；路由选择
　　认知无线网络数据传输技术的需求已经从两跳、单跳扩展到多跳，建立高效、稳定的路由在认知无线自组织网络中次用户网络的目的端和源端之间成为网络层的认知无线自组织网络关键技术之一。因此，在动态频谱认知的无线网络环境下，次用户可靠路由的建立，多跳数据传输需求的满足，数据传输效率目标的提高，成为网络层在认知无线自组织网络的一个关键的问题。
　　一、技术挑战
　　传统认知自组网是基于基础设施的辅助，维护简单，但在频带选择上非常受限，并随时面临专用公共控制信道不可用的情况，导致整个网络失去控制。
　　为了清晰、全面的理解路由策略在认知无线自组织网络中的设计需要，下面从网络、次用户和信道三个方面来详细分析路由策略设计在认知无线自组织网络中所面临的技术挑战。
　　（一）信道方面
　　首先，很多个因素变化可以导致信道可用性在认知无线自组织网络中发生变化，包括地理位置（次用户）、对于信道的使用情况（主用户）和空闲的信道数的变化。因此，在认知无线自组织网络的路由过程中，次用户发现主用户在其需要的频谱上，将会发生信道的切换，信道动态变化造成链路的失效，同时还可能引入信道竞争在次用户之间，从而路由维护开销需要额外增加；其次，由于多种多样认知无线自组织网络的信道，次用户所使用不同增益的信道，造成次用戶在选择不同的信道时存在较大数据传输时速率的差异；最后，由于次用户在认知无线自组织网络的动态频谱中的环境，因此对于次用户节点来说，接入频谱的可用性影响到路由的发现过程。
　　（二）次用户方面
　　首先，在频谱使用上授权的主用户享有优先权，次用户由于存在信道切换时延和释放频谱等待时延（主用户），路由策略在认知无线自组织网络上需要满足一下要求，信道切换的最小化时延和端到端服务质量等待时延。其次，由于次用户在网络中处理速度和传输功率等能力的差异，用户次数的有限性会阻碍端到端的整体性能；最后，次用户的移动性方面，次用户的移动速度影响到信道的接入时间，速度越快接入时间越短，信道的切换次数越多，从而消耗更多的信道资源，次用户的移动时间太快，并且无法预测，会导致网络服务质量的下降，并且干扰到主用户。
　　（三）网络方面
　　首先，要衡量跳数和网络覆盖范围，次用户距离太长主用户的干扰也越大，链路也会频繁的失效，从而消耗更多的能量和维护路由成本的增加。其次，在发现路由、选择路由、维护路由和传输数据包方面都会消耗不同程度的能量。最后，路由自适应和高效的恢复机制对认知无线自组织网络十分重要。
　　对认知无线自组织网络中，不稳定底层频谱资源，高成本的频繁信道切换造成消耗等问题，需要设计高效、稳定、合理的认知无线自组织网络路由机制。
　　二、多路径路由协议设计
　　多路径路由可以通过引入AOMDV路由协议在次用户源端（S）和目的端（D）之间来建立多路径路由。
　　分为发现路由、选择路由和反馈路由三个阶段：
　　发现路由：发生在信道上的源端次用户邻居节点间。用于判断相邻节点之间是否存在干扰关系。
　　路由选择主要在目的端节点进行。通过计算，获得多条可达的路由路径。
　　路径反馈发生在自组织网络的目的端节点上。反馈节点的下一个节点和所以使用的下一个信道。
　　三、多路径路由建模
　　在图1场景中，同时存在主用户网络和次用户网络，并共享一段授权频谱。其中，主用户网络对于授权频谱享有优先使用权，次用户网络采用自组织网络形式组网，对于授权频谱进行探测，当授权频谱空闲时接入。
　　次用户网络采用多路径传输模式。其中S和D分别表示数据发送源端和目的端，与之共存的主用户网络中存在正在传输的主用户发射端和接收端以及处于空闲状态的主用户，当主用户与次用户使用相同信道同时发送数据吋，必然导致如虚线所示的干扰。
　　四、选择路由机制
　　在选择动态路由之前，必须构建备选的集合路由。而后，通过离线方式进行路径优先级索引的计算，而选择路由则通过优先级索引进行在线方式的动态选择。
　　（一）建立路由备选集阶段
　　节点在认知无线自组织网络中的能量是有限的，如果数据在所有路径上发送，会造成数据高效传输节点上的能量无法使用，从而浪费了频谱资源和节点能量。因此，需要选择路由，挑选发送数据的最优多径路由。
　　（二）选择路由阶段
　　自组织网络中，根据可利用的节点频谱和能量的消耗情况，动态选择多条路径进行发送。通过本路径和其它路径的信息计算值，来确定在什么时刻进行路径的激活。分为离线和在线两个阶段。
　　离线阶段：根据各路径上中间节点的频谱可用性、无线信道状态以及能量状态，确立各动态因素的状态转移矩阵。
　　在线计算：当认知无线自组织网络中源端次用户需进行数据传输时，备选路径的第一跳节点将存储的优先级索引按照升序进行排序，如果节点发现该路径属于前个之一，则激活该路径进行数据发送。
　　由于索引的计算和存储采用离线方式，而对于路径的选择仅需使用在线方式查找索引列表，优化问题的整体计算量得到精简。同时由于该索引的计算方式并非集中式计算，机制具有良好的可扩展性。
　　五、小结
　　本文对认知无线自组织网络中多路径路由能效较低的问题，对动态最优路由选择问题进行理论建模，实现了最小化认知无线自组织网络源端目的端传输时延和最大化能量使用效率方面性能的折衷，通过计算路径索引列表确定多路径路由激活策略，并设计了离线计算与在线计算结合的方式，从而提高了路由选择策略计算效率。
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