多跳认知无线Mesh 网络路由协议研究

多跳认知无线Mesh网络路由协议研究

李建峰，张申，赵小燕

中国矿业大学信电学院，江苏徐州（221008)

Email: lijianfengzxy@

摘要：本文提出了一种基于认知无线Mesh网络的频谱感知按需路由协议——SCOD-RP，SCOD-RP协议是一种分簇路由协议，选路策略采用主动式路由和按需路由相结合的方法。SCOD-RP协议解决了多跳认知无线电网络路由协议研究中控制信道、频谱分配与路径选择结合的难题。通过QualNet软件对提出的路由协议进行了仿真分析，仿真结果表明SCOD-RP 中增加网关节点可以显著提高通信性能。

关键词：认知无线电；无线Mesh网络；按需路由协议；选路策略

0 引言

根据FCC的调查结果表明：大部分已分配的频段利用率都很低，而可用频谱资源越来越少。很多专家学者开始寻找提高频谱利用率的办法来解决分配的授权频谱大部分利用率低和频谱资源的稀缺的矛盾。认知无线电[1][2]就是在种背景下提出的一种动态频谱使用的方法。认知无线电允许非授权用户(Cognitive radio users ,CR用户)在不影响授权用户（主用户）的前提下动态的介入许可频谱。在一个典型的认知无线电网络中，所有节点都是频谱灵敏的，而且都具有频谱感知、自适应调整工作频率和频谱切换的功能。

由于认知无线电的动态使用频谱，给路由研究带来了新的挑战：第一是路由选择和频谱分配之间的协作问题。由于是动态的改变和择机的使用频谱，所以在选择路由的时候需要知道频谱信息，现在认知无线电网络路由协议的研究主要集中在频谱分配和路由选择的协作上，文献[3]提出了一种频谱分配和按需路由[4]联合设计的一种选路策略，首先进行频谱扫描选择合适的频谱集，然后进行按需路由请求来寻找最佳路径，在进行路由请求的同时对路径上的每个节点进行频谱分配，从而来完成频谱分配和按需路由的结合。但是该路由协议需要一个全局控制信道，这在认知无线电网络里是很难实现的。第二是全局公共控制信道在认知无线电网络里很难实现，因为认知无线电网络中节点都是动态使用频谱，主用户随时可能出现，所以很难选择一个全局的公共控制信道。在文献[5]中提出了一种在网络内分组，不同组协商采用不同的局部控制信道。文献[6]中提出了一种采用在频谱上形成树状路由的CTBR 路由协议，选择一个Root节点，每个子节点都存储一个到达Root节点的路由，Root节点存储到达所有子节点的路由，节点之间的通信通过Root节点进行转发，但会造成Root节点的负荷比较大，网络效率降低。

本论文提出一种基于无线Mesh[7]网络的路由协议——基于簇频谱感知路由协议SCOD-RP(Spectrum Aware Cluster-Based On-Demand Routing Protocol),利用在感知到的每个频谱上形成一个簇，簇内节点使用形成簇的频谱作为控制信道和数据传输。从一定程度上解决了上述的认知无线电网络的难题。

1 SCOD-RP路由协议概述

1.1 网络模型

我们所研究的网路模型是一种基于Mesh网络的认知无线电网络，称为认知Mesh网络，在认知无线Mesh网络中，认知节点又分为普通认知节点和网关节点，各个节点之间通过Adhoc网络形式的多跳方式进行通信，不同频谱之间节点通信要通过网关节点进行转发。

图1-1 基于簇的认知Mesh 网络

1.2 频谱簇的形成

1.2.1 簇首选择

在网络形成之初，每个节点都把自己定为簇首节点，存下簇首信息Clusterhead,其中N 代表节点感知到的频谱个数，T i 是根据主用户频谱历史使用情况给每个频谱分配的一个时间系数，每个节点把自己的簇首信息转发给自己的邻居节点，每个节点收到邻居节点发送的Clusterhead 消息后比较里面的和,选择拥有最大的或者的节点为簇首节点，选择簇首节点的算法如图1-2所示。

1.2.2 分配CRID

在选定好了簇首节点后，簇首节点要发送Clusterhead Announcement Message,简称为CANN ，每个收到CANN 的非簇首节点要回复一个Connection Request Message ，簇首节点收到节点发送的Connection Request Message 消息后给节点分配一个CRID ，CRID 代表了节点到达簇首的路径，例如节点X 的CRID 为

X CRID ={0S 1S 2S .....n S }，0S 代表形成簇的频谱，也是簇首节点的CRID ，n 代表了到簇首节点的跳数。{0S 1S 2S .....1n S −}代表了节点X 的父节点的CRID 。非簇首节点收到分配的CRID 后，把自己的CRID 更新到CANN 消息中，然后转发。节点有可能同时收到多个邻居节点发送的CANN 消息，按照路由度量标准选择具有最小端到端时延的CANN 消息进行转发。如此下去知道每个节点都获得一个CRID ，这时候节点就在一个频段上形成了簇，该频段就是簇内节点进行控制信息交换和数据转发使用的。

图1-2 簇首选择算法

1.2.3 路由度量标准

传统的路由协议通常以跳数、端到端时延为选路标准，文献[8]介绍了一种来衡量链路开销的公式：

11B ti C O O i ca p r e i pti

⎡⎤⎢⎥=++−⎢⎥⎣⎦ (1.1) 其中ca O 、p O 、和ti B 都是常量，文献[9]中IEEE 802.11a/b 都有规定的常量，ca O 是信道接入开销，p O 是协议开销，ti B 是包的长度，ti r 是链路速率，

pti e 是误码率。为了

简便，通常令：ca O =0，p O =0，ti B =1。

由于认知无线电网络频谱是动态使用的，每个频谱的使用并不是恒定的，随时可能因为主用户的出现而让出该频段。所以对于认知无线电网络路由协议的度量应该加入链路的稳定性，这样才能够保证所选的路由不但开销小而且稳定。为了衡量链路的稳定性，我们引入通信链路的频谱可用时间li T ，li T 是根据认知无线对主用户频谱历史使用情况进行统计得出来的，能够反映出链路使用某频谱时链路的稳定性。所以结合链路稳定性的度量标准可以表示为：

111li

B ti

C O O i ca p r e T i pti ⎡⎤⎢⎥=++•−⎢⎥⎣⎦ (1.2)