针对移动认知无线电AdHoc网络的反应式路由

张大亮

摘要：尽管从认知无线电范式的提出已经经历了十几年了，在这些年里研究主要集中于物理层和媒体访问的问题上，而最近的一些研究才针对认知网络的路由问题。本文将移动认知无线电和AdHoc网络的反应式路由相结合解决了这个问题。通过设计了一个反应式路由协议来达到此目的。

关键词：AdHoc网络，认知无线电，路由协议，频谱感知

简介

认知无线电范式在1999年被认为是一种有效的途径用来解决带宽不足或者使用低效。尽管将近20年过去了但是目前对于认知无线电的研究仍然集中于物理层和媒体访问的问题，仅仅最近才开始对认知无线电路由进行研究，并且几乎没有研究成果来解决AdHoc网络认知无线电（CRAHNs）的路由问题。

本文中我们提出一种反应式路由协议来解决这个问题，被称为认知AdHoc按需距离矢量（CAODV）这种协议目的是为了在移动CRAHNs中提供端到端连接，这种连接是以动态主用户（PU）的活动为特征的。在这种情况下，认知用户（CU）通信经历时变的频谱可用性。因此，频谱动态感知被要求在网络层来得到保证，同时对于PU的最小的干扰和许可的频谱的有效利用也会得到保证。认知AdHoc按需距离矢量（CAODV）包含两个不同版本。这两个版本都能利用认知范式提供的频谱分集。但是他们采用了两种不同的方法。第一个版本，称为路由间分集CAODV（ERI-CAODV），它能够发现多条路由，并且对于不同的路由使用不同的信道，但是每个路由被限制通过相同的信道演进。后一种，称为路由内分集（ARI-CAODV），通过发现唯一的一条可以通过所有可用信道演进的路由来利用路由频谱分集。

1．网络模型

我们假设网络由CUs所组成，这些认知用户可以自由的在二维笛卡尔场景下自由移动。PU的数目、位置和传输标准被假定为CU未知，并且通过每个节点可用的频谱感知机制来检测主传输。

2．认知AdHoc按需距离矢量协议

认知AdHoc按需距离矢量（CAODV）是基于AdHoc按需距离矢量协议（AODV）的一种反应路由协议，并且被设计用来工作于移动认知无线电AdHoc网络中。CAODV继承了一些AODV的特征[1]：路由建立基于一种扩张的环搜索机制并且其利用路由请求（RREQ）和路由响应（RREP）分组。此外，由于CU的移动性和无线传播的不稳定性，使用路由维护使用路由错误（RERR）分组来对拓扑的改变作出反应。

2.1路由间频谱分集CAODV

2.1.1路由建立

当一个中间CU通过一条空闲信道收到一条路由请求分组（RREQ），比如信道i，它通过同一个信道建立一个反向的路径。如果CU可以为所需目的地提供有效路由，则它通过反向路由将单播路由应答（RRIP）分组发送回发送端。否则，它将通过相同的信道重新广播接收到的路由请求[2]。如果同一个CU通过同一信道接收到同一对源目的地的额外请求，只有当它指向一个较新的路由发现会话或一个比路由表中存储的反向路由更好的反向路由时才进行处理。

2.1.2路由维护

由于节点移动性或无线传播不稳定性引起的拓扑变化用传统路由错误（ReRR）分组处理，然而由于频谱可用性的改变导致的路由维护利用了另外一种的分组类型。即PU路由错误（PU-RERR）分组。两种类型分组的主要区别是范围。RERR通常有宽的范围而PU-RERR只有局部范围[3]。

更详细的说，当某个PU的活动被CU在某个信道被检测到，比如信道i，CU通过这条信道使得所有的路由入口失效，并且利用一个PU-RERR分组通知临近CU此信道目前不可用。以这种方式，路由协议能够在不完美的频谱感知的情况下最小化对PU通信的干扰。

PU-RRR分组允许CAODV处理动态频谱可用性，而不引入过多开销。事实上，当CU接收到PU-RRR时，它将检查它的路由表是否有额外的路由可用。如果可用，则CU可以通过附加路由转发通信量，否则，使用传统的RERR分组启动新的路由发现会话[4]。

2.1.3分组转发

为了最大化频谱效率，ERI-CAODV利用路由之间频谱分集。为了这个目标，每个转发者首先在发现的路径中找出最短的路径。然后，在可用的最短路径上随机划分数据流。按照这种方式，频谱分集允许协议抵消频谱可用性上的改变，然而空间分集对于处理节点移动性是一种有效的解决方案[5]。

2.2路由内频谱分集CAODV

路由内分集CAODV的路由建立过程已被设计允许使CU能够通过放宽路由遍历整个区域的相同信道的约束从而利用路由内频谱分集多样性。路由内分集的缺点是我们不能利用空间分集。

2.2.1路由建立

当一个中间CU通过空闲信道接收到第一个路由请求的时候，它通过同一信道建立一条反向的路由并且通过每条可用的信道广播一份RREQ分组，因此，与ERI-CAODV不同，只有在涉及更新的发现会话或更好的反向路由时，才会在不同的信道上广播进一步的路由请求。该机制允许中间CU通过每个空闲信道发送路由请求来尝试建立下一跳的多个连接

当本地频谱感知机制发现一个被PU之前使用的信道被释放后，一种新的分组类，PU-RREQ分组就会被使用。假如这种情况发生，传感节点本地广播一个PU-RREQ这样一来通过在那条信道为每条活动建立一条路由，它可以受益于这种频谱可用性。

路由应答管理与路由请求管理相似，当一个中间CU收到第一条路由应答，它通过相同的信道建立一条转发路由，并且沿着路由表中设置的反向路由为应答在每个信道转发。

这种机制允许中间CU：（1）仅当在这个信道上收到了回复以后在信道上建立转发链路。例如：仅仅为双向空闲信道上建立一条转发链路。（2）通过接收到请求的每个信道转发应答建立一条反向链路。独立于在这样的信道上接受应答。在这种方式中，对于给定的路由，该协议能够最大化频谱利用率，通过在每个对称信道上建立一个没有PU活动的链路。

路由维护和数据转发与ERI-CAODV相似，不再赘述。

3.结论

本文中，一种针对移动认知AdHoc网络的路由协议被提出来。这个协议被称为认知自组织按需距离向量协议（CAODV），能够实现3个目标：（i）在路由形成和数据转发中避免对主用户的干扰；（ii）在每个转发者中执行联合路径和信道选择；（iii）利用多信道的可获得性来提高整体性能。两种不同版本的CAODV被提出：一个版本能够利用路由间频谱分集另一种能够利用路由内频谱分集。

参考文献：

[1]胡曦，李喆，刘军.移动AdHoc网络中基于链路稳定性预测的按需路由协议[J]电子与信息学报,2010，32（2）：284-289。

[2]洪利，黄庭培，邹卫霞.基于链路可用性预测的AODV路由协议研究[J]通信学报，2008,29（7）：118-123。

[3]陈深龙，张玉清.增强AdHoc网络可生存性的健壮多维信任模型[J]通信学报，2010,31（5）：1-9.

[4]田克，张宝贤，马建.无线多跳网络中的机会路由[J].软件学报，2010,21（10）：2542-2553.

[5]冯彦君，孙利民，钱华林，宋成.MANET中TCP改进研究综述[J].软件学报，2005,16（3）：434-444.