摘 要： 針對節(jié)點具有多個可用信道的自組網(wǎng)的信道資源利用率問題，提出了一種基于認(rèn)知無線電的MAC接入?yún)f(xié)議，協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的鄰居關(guān)系，通過認(rèn)知推理對兩跳鄰居范圍內(nèi)的不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，每個節(jié)點只需要兩部半雙工收發(fā)信機就能夠?qū)崿F(xiàn)在多個信道上高效的數(shù)據(jù)收發(fā)。仿真結(jié)果表明，協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總吞吐量、端到端時延等方面具有優(yōu)良的性能，能很好地適用于節(jié)點密集的應(yīng)用場合。
??? 關(guān)鍵詞： 自組網(wǎng)；認(rèn)知無線電；信道分配；多信道；MAC協(xié)議
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自組網(wǎng)(Ad-hoc Networks)[1]是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，MAC協(xié)議是其設(shè)計、研究的主要技術(shù)難點之一，網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、容量、時延及功耗等性能都依賴于所采用的MAC協(xié)議。現(xiàn)有自組網(wǎng)對頻譜資源的使用所基于的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源固定分配假設(shè)存在2個缺陷：未考慮網(wǎng)絡(luò)周圍電磁頻譜資源利用對網(wǎng)絡(luò)容量的影響；未考慮任意時間任意地點靈活構(gòu)建的自組網(wǎng)作為臨時性網(wǎng)絡(luò)存在時與周圍電磁環(huán)境的兼容問題。現(xiàn)有自組網(wǎng)MAC技術(shù)主要基于MAC層的預(yù)約和沖突避免，沒有充分考慮底層監(jiān)測信息的共享，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷大且效率不高。如何提高頻譜利用率，在各地區(qū)和各個時間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為如何進一步提高和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能問題的另一個重要技術(shù)手段[2]。
在軟件無線電基礎(chǔ)上提出的認(rèn)知無線電CR(Cognitive Radio)是一種新的智能無線通信技術(shù)[3]。在自組網(wǎng)中采用CR技術(shù)，通過對網(wǎng)絡(luò)周圍電磁環(huán)境感知信息的分析推理，在網(wǎng)絡(luò)不同覆蓋范圍和時間段有效利用不同的空閑頻譜資源。一方面，可有效解決信息流量急劇增加與頻譜資源緊張之間的突出矛盾，改善網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸瓶頸問題；另一方面，可解決自組網(wǎng)在復(fù)雜多變電磁環(huán)境下系統(tǒng)的干擾問題和頻譜管理問題，改善網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境的兼容問題。在自組網(wǎng)中通過CR對網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境的認(rèn)知推理和共享利用，能把自適應(yīng)MAC技術(shù)推向更高層次的智能化，改善現(xiàn)有自組網(wǎng)中典型的隱藏終端和暴露終端問題[4]。現(xiàn)有自組網(wǎng)路由技術(shù)由于底層MAC技術(shù)的局限而性能較低，尤其是多徑路由。通過共享認(rèn)知無線電對周圍電磁環(huán)境感知信息實現(xiàn)底層MAC性能的提高，可有效地改善路由開銷、多徑路由的耦合等問題，大大改善網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸時延低、時延抖動小等服務(wù)質(zhì)量的性能，滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)類型不斷增長的需要[5-6]。基于CR的自組網(wǎng)終端作為網(wǎng)絡(luò)中的基本節(jié)點，在更高級更復(fù)雜的應(yīng)用中，還應(yīng)具備對傳播條件的自適應(yīng)功能、多種優(yōu)良的抗干擾能力以及靈活多變的多址方式、多種業(yè)務(wù)、多種組網(wǎng)與接口的能力等，從而面臨類似于多信道軟件無線電臺的組網(wǎng)問題[7]。基于CR頻譜感知的MAC接入技術(shù)，可以在由不同信道和調(diào)制方式構(gòu)成的多徑物理拓?fù)淝闆r下完成代價最小的低耦合多路徑路由集合構(gòu)建，并結(jié)合路由協(xié)議解決具有不同傳輸質(zhì)量和容量的多信道構(gòu)成的多條路徑間的業(yè)務(wù)流分配問題[8-9]。
目前已經(jīng)有不少關(guān)于多信道的MAC協(xié)議提出，參考文獻[10]在對近20種已提出的設(shè)計方法進行詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種拓?fù)錈o關(guān)的多信道MAC協(xié)議。協(xié)議采取按需方式對信道進行動態(tài)預(yù)約，所需要的信道數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜妥畲筮B接度無關(guān)，不需要在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進行時鐘同步，每個節(jié)點只需要1部收發(fā)信機進行信道狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收發(fā)。協(xié)議能夠很好地支持節(jié)點的移動性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流強度的變化，對節(jié)點的硬件配置要求很低。但是，該協(xié)議對于多信道切換時的耳聾問題沒有進行很好的解決，即相鄰節(jié)點在通信過程中有可能由于偵聽著不同信道而無法進行信息交互。耳聾問題在多信道自組網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生，造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，進而影響網(wǎng)絡(luò)性能。
??? 基于上述分析，本文針對自組網(wǎng)多信道MAC設(shè)計中的耳聾問題和通信沖突問題，在參考文獻[10]協(xié)議的基礎(chǔ)上對每個節(jié)點增加了1部收發(fā)信機，提出了一種新的多信道MAC協(xié)議，采用認(rèn)知無線電設(shè)計思想進行設(shè)計，通過認(rèn)知推理對不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，有效提高了網(wǎng)絡(luò)信道資源利用率。
1 協(xié)議描述
1.1 基本假設(shè)
??? 假設(shè)每個節(jié)點已實現(xiàn)頻譜感知功能，監(jiān)測其無線覆蓋范圍附近的頻譜使用情況并識別可用頻譜。每個節(jié)點配備2部半雙工收發(fā)信機，每部收發(fā)信機都是頻率敏捷的，可以在所選擇的可用信道之間快速切換。
??? 假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)初始化時，每個節(jié)點可以通過交互控制消息知道其兩跳鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，1個節(jié)點發(fā)出的消息能夠被其所有的鄰居節(jié)點在很短的時間內(nèi)正確收到。
??? 每個節(jié)點選擇1個信道作為其駐留信道，其他節(jié)點可以在任何時候找到該節(jié)點并與之通信。假設(shè)在節(jié)點執(zhí)行駐留信道選擇算法期間，節(jié)點的鄰居關(guān)系及鄰居狀態(tài)不發(fā)生改變。節(jié)點將1個收發(fā)信機用于監(jiān)聽駐留信道以接收其他節(jié)點發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，直到由于主用戶的出現(xiàn)或節(jié)點移動等原因?qū)е锣従雨P(guān)系發(fā)生變化，使得本節(jié)點在駐留信道上接收到其他用戶的RTS/CTS等控制分組，之后通過重啟駐留信道選擇過程為本節(jié)點選擇1個新的駐留信道。節(jié)點將另1個收發(fā)信機用來發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，切換到與之通信的節(jié)點所在駐留信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。
1.2 協(xié)議設(shè)計思想
??? 基于多信道的自組網(wǎng)MAC協(xié)議包括信道分配和接入控制，前者負(fù)責(zé)為通信節(jié)點對分配相應(yīng)的信道，使盡量多的節(jié)點可以無沖突地同時通信，后者負(fù)責(zé)確定節(jié)點接入信道的時機、沖突的避免和解決方式。本文協(xié)議中，信道分配主要是由各節(jié)點通過頻譜感知獲得可用頻譜，在可用頻譜中分布式選擇駐留信道，并通知其鄰居節(jié)點；信道接入則是各節(jié)點在有數(shù)據(jù)發(fā)送時，將其用于數(shù)據(jù)發(fā)送的收發(fā)信機切換到需要進行數(shù)據(jù)交互的鄰居節(jié)點的駐留信道上，采用競爭方式占用信道進行數(shù)據(jù)交互。因此，本協(xié)議的設(shè)計重點是沖突避免的可用信道選擇分配。
??? 網(wǎng)絡(luò)初始化階段，各個節(jié)點首先通過頻譜感知模塊獲得網(wǎng)絡(luò)中可用信道集合。如果節(jié)點沒有收到來自其他節(jié)點的駐留信道占用信息，就在可用信道中隨機選擇1個信道作為本節(jié)點的駐留信道。收到其他節(jié)點駐留信道占用信息的節(jié)點，則在節(jié)點駐留信道狀態(tài)表中記錄下鄰居節(jié)點的ID號及所在駐留信道，并根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，在剩余的可用信道中盡量選擇1個與所有兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點駐留信道不同的信道作為本節(jié)點的駐留信道。如果節(jié)點無法選擇到與兩跳范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點駐留信道完全不同的信道，則盡量使得相鄰節(jié)點不使用同1個信道作為駐留信道。完成了駐留信道選擇的節(jié)點后，將本節(jié)點所在駐留信道及本節(jié)點當(dāng)前所記錄的一跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，通過廣播的方式告訴其鄰居節(jié)點。
??? 可見，本協(xié)議的實現(xiàn)主要依據(jù)鄰居節(jié)點的駐留信道狀態(tài)表，該表的建立及更新通過如下方法實現(xiàn)：對于一跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表和兩跳鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，每個節(jié)點都維護一個鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表，該表記錄兩跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點當(dāng)前所在的駐留信道，其更新通過鄰居節(jié)點控制信息交互實現(xiàn)。因此，節(jié)點駐留信道狀態(tài)表包括：鄰居節(jié)點ID號；節(jié)點屬性為一跳或兩跳；節(jié)點當(dāng)前所在駐留信道。
??? 在鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表的基礎(chǔ)上，各節(jié)點根據(jù)下述分布式方法實現(xiàn)兩跳鄰居范圍內(nèi)的無沖突駐留信道選擇：通過鄰居節(jié)點駐留信道狀態(tài)表構(gòu)造兩跳沖突拓?fù)鋱DG，該圖頂點集
，節(jié)點vi對應(yīng)可選信道集Ci。根據(jù)兩跳沖突拓?fù)鋱D優(yōu)化選擇各節(jié)點駐留信道，使相鄰兩跳范圍內(nèi)的所有節(jié)點不選擇相同可用信道作為駐留信道，如果無法實現(xiàn)，則盡量使相鄰節(jié)點不使用同一個信道。當(dāng)|Ci|=1時，節(jié)點vi選定信道。
??? 可見，通過上述方法，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了避免沖突的可用多信道選擇分配，該方法具有3個特點：
??? (1)完全分布式的信道選擇在每個節(jié)點本地完成，可以克服集中式分配算法情況下網(wǎng)絡(luò)中信道信息交互引入的附加開銷、控制中心瓶頸等諸多缺陷。
??? (2)每個節(jié)點配備兩部半雙工收發(fā)信機，1部收發(fā)信機駐留在1個與鄰居節(jié)點避免沖突的可用信道上，使得節(jié)點可以同時在2個信道上進行收發(fā)工作，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，避免了由于耳聾問題而產(chǎn)生的鏈路中斷。
??? (3)節(jié)點信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，對于上層協(xié)議性能的提高打下了基礎(chǔ)，有利于優(yōu)化提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
1.3 多信道分配算法
??? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟瓿苫蛑貑Ⅰv留信道選擇過程時，信道分配具體算法均如下所述：
??? 步驟1：記錄拓?fù)鋱DG的初始度序列d(v)。
??? 步驟2：若G=Φ，算法結(jié)束；否則，從小下標(biāo)開始，選擇1個度最大的節(jié)點vi：
??? 步驟4：將選擇的信道分配給節(jié)點，結(jié)束。
2 性能分析與仿真結(jié)果
2.1 性能分析
??? 給出的信道分配方案實現(xiàn)了兩跳范圍內(nèi)的無沖突信道優(yōu)化選擇。算法步驟2中的選擇機制保證了在現(xiàn)有條件下最大限度地避免兩跳干擾，這是因為對于避免兩跳干擾的這個目標(biāo)來說，左右都受到限制的中間節(jié)點可選擇性最小，但是又必須選擇，只好選擇1個可能造成干擾最小的信道，這在拓?fù)鋱DG中對應(yīng)的就是度最大的節(jié)點。但步驟2中的選擇機制并不能完全避免兩跳干擾，這是由于節(jié)點的可選信道太少。步驟3的分類討論可以盡量避免單跳干擾。
??? 算法給出的信道選擇方法為網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點分配了1個駐留信道，并通過控制信息交互將其發(fā)布給各鄰居節(jié)點，從而解決了參考文獻[10]中的耳聾問題。該問題的解決是通過增加1部收發(fā)信機實現(xiàn)的。同時，每個節(jié)點在其駐留信道上實現(xiàn)其他節(jié)點的接入控制，有效地改善了參考文獻[10]中控制信道為網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能瓶頸的問題，等效于通過增加控制信道改善了數(shù)據(jù)信道的接入效率。
??? 算法實現(xiàn)兩跳鄰居范圍內(nèi)的無沖突信道選擇，其復(fù)雜度為o(n2)。算法中步驟2每次選擇1個節(jié)點，這樣至多循環(huán)n次算法結(jié)束，在每1個循環(huán)中，選擇度最大的節(jié)點至多花費o(n)時間，其他的選擇都跟n無關(guān)，因此算法的復(fù)雜度不超過o(n2)。
2.2 仿真結(jié)果
??? 采用仿真工具OPENET 8.1對本文提出的多信道MAC協(xié)議進行性能評估的仿真結(jié)果分別如圖1和圖2所示。仿真采用參考文獻[10]中的方式進行仿真參數(shù)的設(shè)置：將60個節(jié)點隨機分布在1 000 m×1 000 m區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點的通信范圍是250 m，傳播時延時為1 μs，控制分組長度為256 bit，每個節(jié)點的分組到達速率為λ分組/s，每個信道都設(shè)定為1 Mb/s帶寬。仿真中對協(xié)議性能的評估主要集中在協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)吞吐量和端到端時延的影響。在多跳環(huán)境中，配合相應(yīng)的路由協(xié)議，本文中的MAC協(xié)議將具有更好的性能表現(xiàn)。
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??? 在給定分組長度為512 B的情況下，網(wǎng)絡(luò)總吞吐量與可用信道數(shù)N及分組到達速率λ的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出，隨著信道數(shù)N的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也隨之不斷地增長，但本文算法所獲得的網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能明顯優(yōu)于參考文獻[10]中協(xié)議。在可用信道數(shù)較少情況下，2種算法當(dāng)分組到達率達到公共控制信道的吞吐量極限時，會引起較多的控制分組沖突。在可用信道數(shù)增加的情況下，本文算法能獲得非常大的性能提高。
??? 在分組長度為512 B的情況下，端到端時延特性與信道數(shù)的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可看出，本文多信道分配方式相比參考文獻[10]算法對于網(wǎng)絡(luò)端到端時延特性有一定的改善作用，且隨著信道數(shù)的增加，其改善程度與網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加情況具有相類似的變化趨勢。
??? 本文采用認(rèn)知無線電思想從頻譜理性占用的角度，對改善自組網(wǎng)的頻率資源使用效率問題進行了研究，通過無沖突的分布式信道分配方法，充分發(fā)揮通信終端的使用效能，提高自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量和對服務(wù)質(zhì)量的支持。仿真結(jié)果表明，本文提出的多信道MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總吞吐量和端到端時延特性方面都具有良好的性能，使得本協(xié)議能夠支持更多的數(shù)據(jù)信道和獲得更好的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量和端到端時延性能。
??? 下一步將結(jié)合路由協(xié)議設(shè)計，針對現(xiàn)有分布式網(wǎng)絡(luò)中的路由開銷、多徑路由耦合等問題進行進一步的研究。
參考文獻
[1] 鄭相全.無線自組網(wǎng)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[2] 鄭相全.基于認(rèn)知無線電的移動自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].重慶通信學(xué)院學(xué)報，2006，25(6)：4-7.
[3] MITOLA III J. Cognitive radio： an integrated agent architecture for software defined radio[Ph.D]. Doctor Dissertation， Royal Institute of Technology(KTH)， Sweden： May， 2000.
[4] AKYILDIZ I F， LEE W Y， VURAN M C， et al. Next generation dynamic spectrum access cognitive radio wireless networks： A survey[J]. Computer Networks (Elsevier)， 2006(50)：2127-2158.
[5] FUJII T， SUZUKI Y. Ad-hoc cognitive radio-development to frequency sharing system by using multi-hop network[C]. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11，2005：589-592.
[6] XIN C. A novel layered graph model for topology formation and routing in dynamic spectrum access networks[C].Proc. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11， 2005：308-317.
[7] 鄭相全，郭偉.軟件無線電臺自組網(wǎng)技術(shù)研究[J].電信科學(xué)，2004，20(2)：13-18.
[8] RANIWALA A， GOPALAN K， CHIUEH T. Centralized channel assignment and routing algorithms for multi-channel wireless mesh networks[J]. Mobile Computing and Communications Review， 2004，8(2)：50-65.
[9] NIE N， COMANICIU C. Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks[C]. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11， 2005：269-278.
[10] 鄭相全，郭偉，葛利嘉.一種新的拓?fù)錈o關(guān)的按需分配多信道自組網(wǎng)MAC協(xié)議[J].計算機科學(xué)，2005，32(5)：34-40.