（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中的路由研究与仿真平台设计.pdf

摘要 摘要 在频谱资源日益紧缺的今天，认知无线电被认为是解决这一问题的关键技术 而成为无线领域的研究热点，其基本思想就是在不对主用户产生有害干扰的前提 下，尽量提高频谱资源的利用率。现在，认知无线电的研究遍布无线领域的各个 方面，从算法性能到体系架构，越来越多的人认识到它将可能带来的空前变革。 就认知无线电技术的体系结构而言，在现有的无线网络的研究成果上，认知 网络加入了认知环节的功能，对原有的整个体系架构进行了新的设计和加强。在 这样的新型网络中，用户将能极大的提高频谱的使用效率，同时有效地对抗频谱 可用性随时间变化带来的影响。本论文就是基于这样的思想，从传统网络入手， 研究了认知网络中的路由问题，同时也研究了这种新型的网络架构。 论文首先介绍了现阶段认知无线电网络的相关研究近况，对已经提出的几种 典型的网络架构做了对比，接着叙述了其网络路由研究的现状，然后介绍了认知 网络仿真平台的研究。论文从整体的角度研究了认知无线电网络的各个部分，是 一次尝试性的工作。 针对路由研究的现状，本论文第二章中提出了一个联合路由和频谱分配的算 法，并按照协议的方式，详细描述了路由的每个部分的具体过程。这里主要是针 对认知网络频谱动态变化的特性设计了新的路由选择方式，并在路由过程中完成 了频谱的分配。 在本论文的第三章，对于路由的维护过程进行了比较深入的研究，提出了基 于博弈论的信道分配方式。它可以作为第二章路由协议中路由维持的具体操作， 也可以独立为单独的研究内容。仿真中通过设计用户的博弈行为和效用函数，使 得由于主用户的出现所造成的路由中断能够比较快的恢复。 而本论文的第四章，主要是对认知网络的体系架构作了软件的实现，模拟了 不同协议层次之间的通信和交互，在分布式的体系架构中，按照自组织网络的基 本研究成果进行了相关的功能设计和可行性分析，并对整个系统的结果作了统计， 也从系统的角度说明了认知网络可能带来的好的增益。 关键词：认知网络，路由选择，频谱分配，协议体系架构，仿真平台 a b s t r a c t a b s t r a c t a ss p e c t r u mr e s o u r c e sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys c a r c er e c e n t l y , t h ec o g n i t i v er a d i oi s r e g a r d e da st h ek e yt os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hi st h eh o ts p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s s t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h eb a s i ci d e ai st om a x i m i z et h eu t i l i z a t i o no fs p e c t r u mw h i l ed o n o tc a u s ei n t e r f e r e n c et op r i m a r yu s e r s n o wt h er e s e a r c ho fc o g n i t i v er a d i oc o v e r sa l l a s p e c t so fw i r e l e s sf i e l d ，f r o mt h ep e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h mt os y s t e ma r c h i t e c t u r e ， m o r ea n dm o r ep e o p l ek n o wt h a ti tm a y b r i n ga nu n p r e c e d e n t e dc h a n g e i nt h ef i e l do ft h es t r u c t u r eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e m ，r e f e r r i n gt ot h er e s u l t so ft h e e x i s t i n gw i r e l e s sn e t w o r k s ，c o g n i t i v er a d i on e t w o r ka d d st h ef u n c t i o n so fc o g n i t i o n ， c a t t yo u tt h en c wd e s i g na n ds t r e n g t h e nt h ee n t i r es y s t e mf r a m e i ns u c han e wn e t w o r k ， u s e rw i l lb ea b l et oi n c r e a s et h eu t i l i z a t i o no fs p e c t r u mt oal a r g ee x t e n ta n da g a i n s tt h e i m p a c to ft h et i m e - v a r y i n gs p e c t r u m t h ec o n t e n to ft h et h e s i si sf o c u so nt h er o u t e p r o b l e mo fc o g n i t i v en e t w o r ka n dt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do nt r a d i t i o n a l n e t w o r k s t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h er e l e v a n td e v e l o p m e n to fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s n o w , c o m p a r i n gs e v e r a lt y p i c a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e s ，a n dt h e nd e s c r i b e st h es t a t u so f i t sn e t w o r kr o u t i n gs t u d i e s ，a l s ow i t ht h es t u d yo nn e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m i t m a k e st h er e s e a r c hi na no v e r a l la n g l ew i t ha l la s p e c t so fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，s oi t i sat e n t a t i v ew o r k s p e c i f i c a l l yf o rt h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nr o u t es t u d i e s ，t h et h e s i sp r o p o s e saj o i n t r o u t i n ga n ds p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mi ns e c o n dc h a p t e r , a n dm a k e sad e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h ee a c hp a r to ft h er o u t ei na c c o r d a n c ew i t ht h ew a y o f p r o t o c 0 1 t h i si s m a i n l ya i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cs p e c t r u mn e t w o r k s ，d e s i g n i n gan e w r o u t i n gm e t h o d ，a n da l l o c a t i n gt h es p e c t r u mi nt h er o u t i n gp r o c e s s i nt h et h i r dc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，a ni n d e p t hr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h e m a i n t e n a n c eo fr o u t i n gp r o c e s s ，w h i c hi sb a s e do ng a m et h e o r yt om a k ea l l o c a t i o no f s p e c t r u m i te i t h e rc a nb ec o n s i d e r e da sas p e c i f i co p e r a t i o no ft h er o u t i n gp r o t o c o l w h i c hi sp r o p o s ei nt h es e c o n dc h a p t e r , o ra sas e p a r a t er e s e a r c hc o n t e n ti n d e p e n d e n t l y t h es i m u l a t i o n ，w h i c hd e s i g n st h eu s e rb e h a v i o u ra n dt h eu t i l i t yf u n c t i o n ，m a k ea q u i c k u a b s t r a c t r e c o v e r i n gf r o mt h ed i s r u p t i o nd u e t ot h ee m e r g e n c eo ft h ep r i m a r yu s e r c h a p t e ri vo f t h i st h e s i si sm a i n l yo nt h es o f t w a r ei m p l e m e n to ft h ea r c h i t e c t u r eo f t h ec o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，w h i c hs i m u l a t et h ec o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c t i o nb e t w e e n t h ed i f f e r e n tl a y e r s i nt h ed i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e i tf o l l o w st h er e s e a r c hr e s u l t s o fb a s i cs e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r kt om a k ef u n c t i o n a ld e s i g na n df e a s i b i l i t ya n a l y s i s ，a n d m a k e ss t a t i s t i ct ot h ee n t i r es y s t e m ，s h o w i n gt h eg o o dg a i n sf r o mt h ec o g n i t i v er a d i o n e t w o r ki nt h es y s t e r np o i n t k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，r o u t i n gc h o i c e ，s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，p r o t o c o l a r c h i t e c t u r e ，s i m u l a t i o np l a t f o r m u i 图目录 图目录 图1 - 1 频谱占用情况1 图1 2 情景协议可能的结构。2 图1 38 0 2 2 2 部署示意图3 图l - 4h s s n 网络模型 图1 5 异构影响说明图6 图1 6 系统设计。7 图1 7h s s n 网络协议示意图。9 图2 - 1 认知无线电的一般场景。1 2 图2 2 认知循环示意图1 3 图2 3r r e q 信息包含的基本内容1 7 图2 - 4 信息传递中的r r e q 包含的频谱信息的变化 图2 5r r e p 的基本内容18 图2 - 6 主用户出现示意图2 0 图2 7 路由修复信息格式。21 图2 8 仿真场景。2 1 图2 - 9 路由持续时间2 3 图2 1o 信息交互次数2 4 图2 1 1 信道切换次数2 5 图3 - 1 信道情况建模3 0 图3 2 一次博弈过程中各信道干扰功率变化。3 2 图3 3 对应的博弈初始和结束时的情况3 3 图3 - 4 多次博弈前后各频带频谱干扰的变化情况3 4 图3 5 几次博弈收敛的时间3 5 图4 1c o r v u s 的协议栈模型。3 7 图4 2h s s n 网络协议层次 图4 3 网络结构说明4 2 图4 - 4 集中式一类频谱通信示意。4 3 图4 5 分布式二类频谱通信示意。4 3 图目录 图4 - 6 认知用户结构。4 4 图4 7 主用户结构4 5 图4 - 8 分簇及簇结构维护图。 图4 - 9 路由流程图4 9 图4 1 0 基于可靠性传输链接的频谱分配算法5 0 图4 1 1h s s n 网络吞吐量 5 2 图4 1 2h s s n 网络丢包率5 3 图4 1 3 分布式时延累计分布函数5 4 图4 1 4 分布式包重传次数累计分布函数 v 5 4 表目录 表目录 表2 - 1 主用户系统占用信道情况参数2 2 表2 2 其它相关参数。2 2 表3 - 1 系统仿真条件。 表4 - 1 分布式系统拓扑结构 5 1 表4 2 主用户资源5 1 表4 3 传输机制相关参数5 1 表4 - 4 分布式其他参数5 2 v i 缩略词表 a d h o c c d m a c r c r b s c r u d a r p a d s r f c c f t p g s m h s s n i e e e m a c p u q o s r r e q s d r s o p v o i p 缩略词表 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o g n i t i v er a d i o c o g n i t i v er a d i ob a s es t a t i o n c o g n i t i v er a d i ou s e r d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y d y n a m i cs o u r c er o u t i n g f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h i e r a r c h i c a ls p e c t r u ms h a r i n gn e t w o r k i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s m e d i u ma c c e s sc o n t r o l p r i m a r yu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e r o u t er e q u e s t s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s p e c t r u mo p p o t u n i t y v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l i x 无中心自组织多跳无 线网络 码分多址 认知无线电 认知无线电基站 认知无线电用户 国防部高等计划研究 局 动态源路由 联邦通信委员会 文件传送协议 全球移动通信系统 分级频谱共享网络 电子与电子工程师协 2 0 z 譬 介质访问控制 主用户 服务质量 路由请求 软件无线电 频谱机会 一种由口网络传输话 音的协议 符号表 符号类别 变量 参数 求最大值 求最大评分的参量 求最小评分的参量 示例 口 尺 m a x a r g m a x a r g m m 符号表 x 字体和说明 小写斜体 大写斜体 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：缈日期：矽，口年莎月力日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：笙够导师签名 1 9 期：z 汐夕年占月二日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着无线技术的迅速发展，无线应用领域的不断拓宽，频谱资源缺乏问题已 经成为当前时期限制无线应用研究的主要问题，频谱资源将被用尽的担忧，使得其 作为一种不可再生资源的价值与日俱增。 然而根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的调查表吲1 】：在特定的时间和地点下， 许多频段内的频谱资源都没有被充分的利用。根据人们对频谱使用的研究，平均 上讲，小于3 g h z 的频率在时空二维空间中的使用率一般是小于5 的，有些情况 下可能达不到1 【2 】。一个典型的频谱占用情况图【3 】为图1 1 ： 能 且 里 频率( g h z ) 图1 1 频谱占用情况 这种理论与实际的矛盾表明：频谱资源的短缺并非源于频谱的使用效率已达 无线通信的容量极限，而是由于频谱的管理政策造成的。现有的无线通信系统的 电子科技大学硕士学位论文 频谱分配一般是基于固定分配方式的，这种分配方式的频谱利用效率低下，已经 无法满足日益发展的无线通信的需要了。因此需要一种新的无线技术，去满足实 际中的需求，认知无线电【4 】就是在这样的情况下被提出的。 1 2 认知无线电网络的研究现状 由于无线电具有了认知的功能，因此相应的网络也具有了学习的能力和推理 的能力，这种智能的网络将超越原来的传统网络，这种智能的特性也使得新的网 络结构和功能需要被重新定义和研究。 1 2 1d a r p as a p i e n t 计划 美国国防部高等计划研究局( d a r p a ) 的边缘网络技术中态势感知协议 ( s i t u a t i o n - a w a r ep r o t o c o l si ne d g en e t w o r kt e c h n o l o g y ) 计划【5 1 ，主要是研究认知 方法在快速自适应组合和自适应协议结构调整上的有效性。 其基本的研究内容包括：网络中知识的表示和抽象，如何学习网络知识，和如何 选择和组合协议单元。 一种可能的场景如图1 2 ： ，攀刽 应用 一输入或参考 仨两 一 选择和组 合协议单 兀 学习u 协凳蓑元y f产o ，j 、o ，- 。，、 一 感知网络条v o 件 ( 1 ( 图1 2 情景协议可能的结构 2 第一章绪论 1 2 2i e e e 8 0 2 2 2 系统 i e e e 8 0 2 2 2 标准制定工作由2 0 0 4 年开始正式启动。其目的主要是为偏远地区 提供大覆盖的无线接入服务。 由于本系统主要使用广播电视频段中未被占用的信道进行服务，因此需要在 不干扰主用户电视系统的情况下，为农村地区，偏远山区和其它地人口密度而远 离城市的地区提供类试于城区或郊区使用的宽带接入服务。 如图1 3 所示的情况，在8 0 2 2 2 系统中，认知基站必须具有分布式感知的能 力，也就是说它可以自身测量或要求认知用户测量某些它感兴趣的频段，并对收 集的测量结果进行分析，然后控制各个基站范围内的认知用户进行通信。 这种通信方式是典型的集中式通信方式，相对用户而言，认知基站是整个系 统的控制实体，所有的操作都是通过基站进行的。基站之间是通过接入点的形式， 将认知用户接入到核心网络中去。这种现实的标准使得认知无线电系统第一次被 放在了实际的生活中，因此也极大的推动了认知网络的研究工作的发展。 图1 38 0 2 2 2 部署示意图 1 2 3h s s n 网络架构 本项目组对无线网络的各个方面进行了长期地研究，也针对无线认知网络提 3 电子科技大学硕七学位论文 出了一种具有现实意义的架构模型：分级频谱共享网络架构6 1 。本架构主要是针对 将来可能产生的应用而提出的。 h s s n 网络架构场景如图1 - 4 ，是一种混合式网络，支持点到多点的集中式通 信方式和典型的m e s h 网络通信方式。 图1 4h s s n 网络模型 本架构主要是对可用频谱资源进行了区分，不同类型的频谱资源使用不同的 通信方式，因而很好地利用了认知网络中的频谱异构性，使得网络的吞吐量和适 用性有很大提高，当然，由于本网络是假设节点已具有认知功能后提出的，因此 在实际中还不能马上得到应用，其应用前景受认知无线电相关技术的约束。 1 3 认知无线电网络中路由的研究现状 在网络研究中，路由一直是一个重要的组成部分。现阶段，由于研究认知网 络的时间较短，使得大部分的研究还集中在网络的物理层传输技术和m a c 层控制 协议上面，对于认知网络的路由技术，可以依赖的资料比较少，因此大部分的研 究都是对于a d h o c 网络进行的补充升级或者是纯算法的理论性研究。 由于认知无线电的技术特点，对网络协议的要求比较高，要求网络既有分布 4 第一章绪论 式通信的特点，又对通信的质量有所保障，因此，即使是在理论研究方面，路由 协议的设计也面临比较大的障碍。 1 3 1 路由协议面临的难题 认知无线电独特的开放式频谱环境对路由算法提出了新的要求，这种要求在 多跳通信中显得尤为重要。在经过研究调查表吲7 1 ，认知无线电的路由问题至少面 临如下几个方面的挑战： ( 1 ) 公共控制信道：在一个全认知的网络中，由于认知用户是被当作访问者去 占用某段频谱的，当主用户出现之后，这段频谱需要被无干扰的立即腾空， 因此，公共控制信道也要面临这样的问题。而且在主用户系统中，所有认 知用户都能使用的信道很高程度上是依赖于它所处的地理环境的，也就是 说，它可能会随着时间改变【8 】，这样就很难找到传统网络中的公共控制信 道，那么此时像传统路由所需要的全局或局部的信息交互，如邻居发现， 路由发现和路由维持的广播信息将难以满足，因此认知网络中关于多个节 点的公共控制信道的选择就成为了难题。 ( 2 ) 间断连接性：在认知网络中，某个节点和它的邻居节点的连通性可能快速 的变化，一方面这是由于认知用户可用的频谱可能因为主用户在网络中的 突然出现而改变或者消失，另一方面，一旦一个节点选择了某条信道进行 通信，那么其它到达这个节点的信道将不可能被利用。因此，认知网络的 连同的概念将不同于一般的无线网络，它还依赖于它的频谱情况，这种具 体的情况已经被人们所研搿9 】。 ( 3 ) 重路由：在认知网络中，由于移动性和可用频谱的动态变化，重路由将会 变得更加频繁，因此重路由算法需要考虑频谱的动态变化情况，路由选择 需要考虑频谱的波动，因此在开销和复杂性等方面的要求将使得重路由方 案的设计具有更加大的挑战性和困难性，对于这个问题的一个可以作为参 考的例子是使用频谱管理【2 0 】的方式对于每个节点划分频谱的富裕度，然后 设计一些准则去使得它们做出一些类似于本地修复的功能，这样，使得节点 间的通信代价比较低，同时又能满足分布式的要求。 ( 4 ) 队列管理：由于认知网络中的终端可能具有多通道的特性，当某个可用频 谱变化的时候，某些接口可能会变得不可用，这将使得原本在某个接口传 送的数据包需要在其他的接口处进行传输。另外，对于不同的传输业务根 5 电子科技大学硕士学位论文 据不同的传输质量要求将有不同的优先级设置。这样每个传输接口的每种 传输类型的单接口或多接口实现也需要被研究，即多服务队列的管理和不 同接口间的调度关系也需要进行全面的考虑。 当然，实际的应用考虑可能涉及更加复杂的东西f l o 】，如果从频谱异构1o 】【1 2 3 的 角度考虑，那么将面临信道传输范围和动态特性方面的问题。 1 c 图1 5 异构影响说明图 如图1 5 ，考虑一个有三个节点a 、b 、c 的网络。假设有2 个信道，信道1 的传输范围比信道2 大。同时假设a b 间只能用信道1 通信，a c ，b c ，可以用 信道1 、2 进行通信。假定现在节点a 需要寻找一条路由到b ，如果信道2 用于路 由发现( 也就是交换控制信息) ，那么a ，b 间在信道1 上的直连链路就不会被发 现。另一方面，如果信道1 用于路由发现，而信道2 首选用于数据传输，那么数 据传输只可能经过路线a c b ，但路由发现可能选择a b 。因此，当不同的信道 有不同的传输距离，限制控制操作( 例如路由发现) 在某一信道上可能是次优的。 但是在所有信道上交换控制信息，当总的信道数非常大时，将会付出很高昂的代 价。 以上是考虑不同的传输范围。现在考虑频谱动态变化，还是使用图1 5 进行说 明。假设a 通过信道2 正在和b 通信。现在假设信道1 不再可用( 也就是说，主 用户正在使用那个频谱) ，然而一个新的信道3 现在可用了( 也即是说，某个主用 户现在停止了传输) 。如果m a c 协议对高层协议隐藏了这个可用信道的改变，数 据传输可能依然沿着a b 。但是如果信道3 的传输距离比信道1 短，那么b 、a 之 6 第一章绪论 间将不能直接通信，使路径中断。另一方面，假设信道3 的传输距离远于信道1 ， 但支持的数据速率低，那么使用a c b 的数据速率可能高于路径a b ( 如果信道 2 支持的数据速率高于信道3 ) ，因此，为了获得好的性能，可用信道的变化需要 对上层可见。 1 3 2 路由协议研究的现状 现阶段，认知的路由研究主要集中在跨层设计上【l3 】和路由尺度的选择上，在 实际的网络中还没有比较经典的路由算法被提出，因此协议方面的研究主要是集 中在无线自组织网络协议【1 4 】【1 5 】或传感器网络协议【1 6 】上，下面分别对其进行说明。 1 3 2 1 认知无线电网路的跨层设计方法 由于认知无线电的频谱具有特殊的时变特性，因此频谱的可用性和差异性往 往成为网络中节点进行频谱分配的依据，这使得在动态频谱系统中的路由选择和 频谱分配间的关系更加紧密，此时的多跳传输网络中的包路由将受网络负载和可 用频谱数量的严重影响，路由的q o s 保障也将难以满足固定速率的要求，因此在 认知网络中，可以将频谱管理和路由选择进行联合设计【1 7 】。这里论文对比了如0 所示的两种系统设计方式，非协作式设计方式和协作式设计。 非协作式设计 协作式设计 图1 - 6 系统设计 在非协作式设计方式中，路由管理和频谱选择n 踟被分别放在网络层和m a c 层 7 电子科技大学硕士学位论文 中进行实现，在网络层采用诸如传统的最短路径选择路由，而在m a c 层进行包的 调度等。由于在这种设计中，不同节点的可用频谱波动被频谱资源管理快速吸收， 这里的频谱管理主要是关于频谱资源信息的处理方式和相关内容进行操作，因此 它对路由选择是透明的。但是这里有两个难题需要注意：首先，传统的频谱管理 主要是针对单跳通信的网络的，因此端到端的表现没有被说明。其次，由于链路 的变化使得链路的质量很难预测，这将减少路由选择的可靠性。 在协作式设计方式中，一些频谱管理的工作被整合在了路由选择中，例如， 每个源节点对路由和信道的选择做决定，这个决定不仅包括信息传输经过的路径， 也包括路由中每段链路所使用的信道和信道使用的具体时间安排。这种具体的信 道调度安排相对于随机接入来说，对自组织网络的实时应用更有利。 1 3 2 2 新的路由尺度的选择 考虑到认知无线网络的频谱动态变化特性，需要对路由的考虑因素进行新的 研究。 一个新的考虑是对网络中频谱动态变化的特性进行建模。通过抽象主用户的 行为为某种特定的统计模型，分析其具有的某种特性。这里以信道的占用率和空 闲频谱的持续时间为例进行说明 19 】。 文章中对链路的稳定性用链路的空闲时间进行模拟，然后根据每段链路的稳 定性提出了链路稳定性的启发式权值计量式，这是一种对路由稳定的新的度量方 式，它考虑了频谱的稳定度和它们的数量计数，以及认知用户频谱从可用到不可 用的转换频率问题。 这是一种较新的路由尺度，虽然现在可能有一定的困难，但是它指导了认知 网络稳定性的研究，指出了对于频谱抖动【2 0 】需要考虑的一些因素，同时，由于这 种选择是针对认知网络专门提出的，因此它也比传统的路由协议更能适合认知网 络的要求。 1 4 网络仿真平台的设计 对于新的研究内容，已不能使用传统的仿真平台来进行模拟，其行为和结果 都需要设计新的网络仿真平台进行验证，而本项目组设计的网络仿真平台是基于 o p n e t 的软件仿真平台，借助于o p n e t 在网络仿真方面的强大支持，可以比较 轻松的实现m a c 层功能和路由协议，以及整个网络的架构。 8 第一章绪论 典型的认知网络协议架构有u cb e r k l e y 大学的c o r v u s 系统和美国国防部高 等计划研究局的x g 网络架构，根据他们提出的协议模型，本项目组提出了一个具 体的网络架构模型：h s s n 网络模型，其基本协议层次如图1 7 ： 路由 l 网络层 m a c 层 物理层 图1 7h s s n 网络协议示意图 对应于模型的不同层次的功能模块，本项目组都先后提出了相对的算法，本 平台的目的就是从网络的整体研究各个协议层次对应算法的可行性和验证本网络 设计的合理性，这在第四部分将详细介绍。 1 5 主要的研究贡献 本文的主要工作和贡献如下： ( 1 ) 提出了一个更具认知特色的跨层设计方案，联合设计了网络层路由和m a c 信道分配，比较好的解决了认知环境下路由和频谱管理的协调性，这种跨 层设计的方式能够很好的缓解认知环境下频谱时变带来的冲击。 ( 2 ) 对于路由协议的路由维持部分，提出了和传统信息交互方式不同的维持方 式，通过对于博弈行为的研究，在不需要进行信息交互的情况下，各节点 独立选择修复路由的信道分配方式。 ( 3 ) 对于研究的各种新的算法和协议，设计了一个新的仿真平台进行验证，使 得对于认知网络的研究有了一个比较系统的说明。 1 6 本论文的内容安排 本论文第一章首先对认知无线电的背景和研究的内容进行了介绍，介绍了整 9 电子科技大学硕士学位论文 个认知系统的相关内容和认知网络以及本文研究的主要方向路由协议方面的问 题，最后概要介绍了本项目组关于自己搭建的认知无线电网络仿真平台的一些情 况。 第二章主要针对认知无线网络提出了一个联合频谱分配和路由选择的算法， 并在此基础上设计了对应的路由协议。本章一开始分析了认知无线网络新的特点， 并针对8 0 2 2 2 的实际场景设计了新的路由选择和频谱联合分配的算法，并在之后， 通过协议的形式详述描绘了其实现的过程，最后通过仿真的方式给出了其在认知 环境下的性能结果。 第三章主要针对认知网络的时变特性的处理方式提出了基于博弈论的局部博 弈对策进行路由的维持和修复。这一章首先介绍了博弈论的相关内容和本章所应 用的博弈论原理，然后通过博弈的方式对其应用于主用户出现后的博弈过程进行 了仿真，最后利用仿真的结果来说明了其在认知网络中可能产生的价值。 第四章主要针对无线认知网络的仿真平台进行了说明。首先介绍了本项目组 所搭建的认知无线电仿真平台的理论基础，然后对仿真平台的各个协议层次进行 了说明，最后给出了本网络平台的性能分析。这也是本项目第一次从全局的角度 研究了整个网络的搭建，涵盖了无线电设计的各个协议层次，并对认知无线电网 络的评估方法给出了演示。 最后一章对全文进行了总结，并对未来的研究计划做了建议。 1 0 第二章稳定性驱使的路由协议设计 2 1 引言 第二章稳定性驱使的路由协议设计 本章主要针对认知网络中节点自身的频谱差异性和认知网络频谱的动态变化 性，设计了基于频谱稳定性的路由算法和相应的协议流程。本协议利用跨层设计 的思想，将路由控制和频谱分配联合起来进行设计，使之较一般的无线a d h o c 网络协议更适合于认知网络的体系架构。 针对频谱动态变化的特点，本章利用统计学的相关知识对认知网络中的频谱 资源进行了建模，从频谱稳定性这个角度描述了频谱所具备的特性，当然这种抽 象方式并不局限于此，因而可以推广到频谱的占用时间，利用率等等。而后使用 标记的方式，按照某种规则，设计了相应的路由选择方法和频谱分配方式，其主 要目的是尽量减少对主用户信道可能造成的干扰【2 l 】【2 2 】，之后描述了协议执行的相 应过程和各分布式节点进行的相应操作。 本章首先介绍了系统模型的设计思想，然后描述了相关的路由选择和频谱分 配算法，并对协议的整个过程进行了描述，最后对协议进行了仿真分析并给出了 结论。 2 2 系统模型与假设 本协议主要是针对分布式认知网络结构设计的，其基本应用场景为典型的 a d h o c 网络。在这种场景下，认知系统不具备中心控制器，各用户都是相对独立 的网络节点，这样，网络的部署就具有灵活自主和适应强等特点，但是缺点也继 承了分布式网络的缺点，比如同步困难。这里主要考虑认知网络与传统a d h o c 网络的不同特性，对于其中的相似性没有进行研究，也就是说，这里主要考虑的 是频谱的动态变化的特点，而非移动性等共同的特点。 本章按照认知无线网络中的实体关系进行了划分【2 3 1 ，用户被分为主用户和认 知用户两类，这里的主用户是指具有频谱使用权限的无线电系统中的用户，而认 知用户就是利用机会频谱方式占用无线资源的次级用户。认知系统主要是利用频 带的频谱空隙进行通信，但同时希望尽量减少对主用户可能造成的干扰。这种要 电子科技大学硕士学位论文 求是很有必要的，因为在实际中，主用户系统是不会知道认知系统的存在的，因 此，认知系统产生的功率会被当作干扰计算。由于认知用户存在的前提是不能对 主用户产生有害的干扰，因此这种干扰，必须作为主要的考虑因素。在实际的应 用中，干扰还同频谱检测的成功与否具有很大联系，与此同时，考虑到干扰累积 的问题，可能过多的无害干扰累积起来就成了有害干扰，因此需要尽量降低这种 可能性，这也正是本协议提出的初衷。 这里按照i e e e 8 0 2 2 2 1 l 】的相关内容进行假设，并添加一些简化要求： 1 ) 所有的认知用户都具有两个可以用于收发的无线设备。 2 ) 网络是分布式的，没有基础设备的支持，并且所有的用户假设都是静止的。 3 ) 假设主用户系统是广播电视频段，这和i e e e 8 0 2 2 2 的要求是一样的。 4 ) 频谱感知的结果是无误的。 在本研究中，主用户的频谱使用模式被简单地抽象为o n o f f 模式，这样电 视基站的状态总是处于工作或休眠之中。虽然模型被定为o n o f f ，但是实际的协 议并不是只针对这个模型提出的，它能适用于任何模型下的研究。 同时假设网络中的用户位置是随机的，那么一个典型的系统场景可能如图2 1 所示： 图2 1 认知无线电的一般场景 1 2 第二章稳定性驱使的路由协议设计 2 3 协议原理分析 本协议的基本原理，主要包括认知特色的稳定性驱使的路由控制和基于最小 影响的频谱选择这两个部分，下面分两部分分别对它们进行介绍。 2 - 3 1 稳定性驱使的路由 通过对认知无线网络的研究发现，在考虑频谱的稳定性时，需要面对一个比较 严重的问题，就是频谱的动态变化特性【2 4 1 。由于上层协议往往不会考虑具体的处 理方式，因此需要对其进行相应的抽象。 这里考虑的稳定性，主要是针对频谱空穴的特点进行的。它主要考虑的是： 第一，频谱空闲所能持续的时间；第二，频谱变化带来的影响；第三，路由所带 来的协议开销应该是合理的。第一点将在本节中进行叙述，后面两点将由协议的 工作方式和仿真结果说明。 典型的认知网络都是具有自学习自推理的能力的 2 5 】，一个典型的原理描述如 图2 2 所示： 根据环境推断 预处理 图2 2 认知循环示意图 在该图中，外部世界提供刺激，认知无线电根据这些刺激去了解它工作的环 境，根据过去的结果和将要发生的可能的活动来推断周围环境的情况，它包括六 1 3 电子科技大学硕士学位论文 个典型的部分：观察，定位，学习，计划，决策和行动。在观察阶段，主要是对 外界环境情况的分析。而定位阶段通过插入优先级来描述通信的紧迫性，以此来 控制用户的负载。一般的，在计划阶段产生并评估决策，包括产生可能的计划和 从网络获取信息。并在计划的同时，对各种新的网络条件或场景进行学习和处理。 在决策阶段，为认知无线电计算和分配无线资源。而在行动阶段，按分配的时间 和资源开始相应的工作。如果去掉定位阶段之后的一系列过程，可以选择立即激 活活动阶段以此来省略开始到关闭的信息传递。比如射频网络载波的突然损失将 可能导致紧急的决策过程去恢复数据流，例如可以通过昂贵的3 g 网络进行重新传 输。而其他的非时间敏感的方式将按照图中的计划决策行动的顺序进行。 在本研究中基本的前提假设为：认知节点通过对频谱的多次观察已经能按适 当的规律描述频谱的稳定性，这里将每个电视信号发射塔对频谱的使用情况建模 为o n o f f 模型进行分析，并以此为例，说明协议的工作方式。 在o n o f f 模型中，系统在o f f 状态的持续时间是服从参数为五的指数分布 的，因此可以根据这