（通信与信息系统专业论文）混合无线网络中干扰代价可知的路由与功控算法.pdf

一一 一 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垃丛 日期： 沏| o 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围 本人签名：显丝 导师签名：! 鱼丛堑： ，适用本授权书。 日期：2 堡 ! ：三：! 里 日期：垒! ! ! ：兰：! ! 、f 一 混合无线 随着无线通 个角落。然而与 来无线技术的核 新的混合无线网络结构正在走进研究者的视野。这种混合无线网络 将传统的蜂窝网络( c e l l u l a r ) 和自组织网络( a dh o c d e v i c e t o d e v i c e ) 结合在一起，以期将两者的优势结合起来提高整 体的网络性能。混合无线网络与无线m e s h 网络不同在于，这种无 线网络支持与蜂窝网络相同的移动性；与过去的异构网络不同点在 于，两种网络共享同一段频谱。由于工作与同一频段，两个网络之 间的干扰问题是否能得以解决将是决定这种网络结构成败的核心 问题。因此，这种网络结构本身就是一种很大的挑战。而认知无线 电技术( c o g n i t i v er a d i o ) 为解决这个问题提供了思路和解决方案。 认知无线电的研究从开始就是以动态、智能地利用授权频谱中 的空闲频带以提高无线网络的频谱利用率为目的。其核心是赋予认 知无线电设备通过对外界环境的认知和学习，动态地调整自身的运 行参数，从而达到优化资源目的。而对于混合无线网络来说，认知 无线电技术的引入，使得用户设备( u e ) 有能力对环境进行学习以 使其自身能够智能地参与网络的优化并有效地避免干扰。而且，这 种认知无线电u e 的引入使混合网络并不需要在原有的蜂窝网络结 构基础之上作大的改动。 本文的研究正是建立在认知无线电设备的基础上，考虑网络中 的用户设备( u e ) 具有认知、学习以及决策的能力，本文为u e 设 计了一种考虑干扰代价的模型，并根据模型提出了一种u e 的模式 选择、路由选择以及功率分配的优化算法。论文从介绍认知无线电 的相关概念和与混合无线网络场景的相关研究开始，然后给出了系 统的优化模型和干扰为代价的模型。随后，根据数学模型给出了一 种简单有效的分布式优化策略。最后，设计两个仿真场景来验证模 型和算法对网络的吞吐和负载的改善。仿真结果证明，本文提出的 很好地解决了u e 模式选择、路由选择以及功率控 题，为混合无线网络的优化提供了一种新的解决方 扰代价认知无线电无线混合网络路由功率控制 v o i n t e r f e r e n c e a w a r er o u t i n ga n dp o w e r c o n t r o la l g o i u t h mi n h y b 砒dw i r e l e s sn e t w o r k s a b s t r a c t 刀 ew i r e l e s st e c h n o l o g yi sb e c o m i n gi n d i s p e n s a b l ea n du b i q u i t o u s h o w e v e r , i nt h em e a n t i m et h es p e c t r u mi sb e c o m i n gm o r ec r o w d e d t h a ne v e rb e f o r e a sar e s u l t ，i m p r o v i n gt h es p e c t r a le f f i c i e n c yi ss t i l la k e yp r o b l e mi nw i r e l e s sr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s t h eh y b r i dw i r e l e s s n e t w o r ki se m e r g i n g i tc o m p r i s e sac e l l u l a rn e t w o r ka n da l la d - h o e ( d e v i c e - t o d e v i c e ，d 2 d ) n e t w o r k b yi n h e r i t i n gt h ea d v a n t a g e so fb o t h n e t w o r k s ，t h eh y b r i dw i r e l e s sn e t w o r ki ss u p p o s e dt ob eb e t t e rt h a n e i t h e rs i n g l en e t w o r k t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh y b r i dw i r e l e s s n e t w o r ka n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k si st h a tt h eh y b r i dc a ns u p p o r tt h e m o b i l i t ya st r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k t h eh y b r i dn e t w o r ki sa l s o d i f f e r e n tf r o mc l a s s i c a lh e t e r o g e n e o u so n e s ，b e c a u s et h et w ob a s i c n e t w o r k ss h a r et h es a m es p e c t r u m s i n c et h es p e c t r u mt h e yu s ei st h e s a m e t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w on e t w o r k si si n e v i t a b l e t h es o l u t i o n t ot h ei n t e r f e r e n c ei sa l s ot h ek e yt oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eg a i n t h u s ，t h eh y b r i dh i e r a r c h yi t s e l fi sc h a l l e n g i n g n e v e r t h e l e s s ，c o g n i t i v e r a d i o ( c r ) p r o v i d e sas o l u t i o nt ot h i sk e yp r o b l e m s i n c et h eb e g i n n i n go ft h ec rr e s e a r c h ，i th a sb e e na i m e dt o d y n a m i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l yu t i l i z et h ei d i er e s o u r c e si na u t h o r i z e d s p e c t r u m t h ec o r eo fc rt e c h n o l o g yi st oe n a b l et h ee q u i p m e n t st o c o g n i z ea n dl e a r nf r o mt h er a d i oe n v i r o n m e n t ，s ot h a te q u i p m e n t so r d e v i c e sc a nm a k ei u d g m e n ta n da d j u s tt h e i rr a d i op a r a m e t e r s i nt h e h y b r i dw i r e l e s sn e t w o r k s ，c rw i l le n a b l eu s e re q u i p m e n t s ( u e ) t o o p t i m i z et h en e t w o r ki n t e l l i g e n t l y , a n d t oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c e e f f e c t i v e l y m o r e o v e r , t h a n k s t ot h ec r e q u i p p e du e ，o n l ym i n o r v i 一 _ k i i a d j u s t m e n ti sn e c e s s a r yt ou p d a t et h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kt oa h y b r i dw i r e l e s sn e t w o r k t h i sp a p e ri sb a s e do nc rt e c h n o l o g ya n da s s u m p t i o nt h a tt h e c r e q u i p p e du e a r ea b l et ol e a r na n dt om a k ed e c i s i o n s w ed e s i g n e d a ni n t e r f e r e n c e a w a r ec o s tm o d e l ，w h i c hc o n s i d e r e di n t e r f e r e n c e a s n e t w o r kc o s t s t h e na na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo p t i m i z et h em o d e s w i t c h i n g ，r o u t i n ga n dp o w e rc o n t r 0 1 f i n a l l y , t w os i m u l a t i o ns c e n a r i o s a r ed e s i g n e dt ot e s t i f yt h ep e r f o r m a n c eg a i nt h a tp r o v i d e db ym en e w m o d e la n da l g o r i t h m i ti sp r o v e dt h a tt h en e w m o d e la n da l g o r i t h mi s a ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h em o d es w i t c h i n g ，r o u t i n ga n dp o w e r c o n t r o lp r o b l e mi nh y b r i dw i r e l e s sn e t w o r k s ，a n ds i m u l t a n e o u s l y p r o v i d e sp r o m i s i n gp e r t o r m a n c eg a i n k e yw o r d s ：i n t e r f e r e n c e a w a r e ，c o g n i t i v er a d i o ，h y b r i dw i r e l e s s n e t w o r k ，r o u t i n g ，p o w e rc o n t r o l v ； ； 一 k 第一章 1 1 引言 认知无 1 1 1 认知无线电的提出和定义2 1 1 2 认知无线电的应用场景3 1 2 认知无线电的研究领域4 1 2 1 对授权用户的感知4 1 2 2 根据感知结果近进行重配置5 1 3 论文内容以及章节安排6 第二章相关研究介绍7 2 1 无线自组织网络中的功率控制和路由7 2 2 多跳m e s h 网络中的路由7 2 2 1 多跳m e s h 网络路由度量设计考虑因素9 2 2 2 经典路由度量的分析_ 1 0 2 31 e e e8 0 2 2 2 中的相关技术1 6 2 3 1i e e e8 0 2 2 2 概述1 6 2 3 2 体系结构参考”1 7 第三章混合网络中的路由和功控联合优化设计”1 9 3 1 混合无线网络的系统模型1 9 3 1 1 混合无线网络的场景1 9 3 1 2 混合无线网络系统模型”2 0 3 2 优化模型的建立2 2 3 3 干扰代价模型一2 4 3 3 1软干扰代价的建模”2 4 3 3 2 硬干扰代价的建模”3 1 3 3 3 与功率无关的代价建模“3 3 第四章算法设计与仿真分析”3 5 4 1 优化算法设计及描述3 5 4 1 1协作感知和参数获得过程“3 5 4 1 2 路由选择及功率控制过程“3 6 4 2 仿真平台简介3 8 4 2 1业务模块3 9 4 2 2 移动性模块4 0 4 2 3 信道模型”4 0 4 1 4 2 4 4 衡5 0 5 3 5 4 5 6 5 7 、 0 、一 k 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 当今无线通信技术在给人们提供各种便利的同时也变成了现代社会不可 缺少的一项技术。但是数字无线通信技术发展经过几十年，如何在功率受限条 件下提高频谱利用率仍然是未来无线通信技术研究的重点问题。问题在于，在 当今的无线电频谱资源管制和分配条件下，很多已有系统并不能充分利用这些 频谱，在已受授权的无线频段在时间空间上都有不同程度的闲置【l 】【2 】。在这样 的背景下2 0 0 0 年时，m i t o l a 和其他一些学者提出了认知无线电技术( c o g n i t i v e r a d i o ) 的概念。 认知无线电技术使设备可以检测到频谱中的闲置资源，并随时“伺机 利 用这些频谱空洞建立通信链路进行通信。当授权频段中的授权用户需要使用这 些频谱时，认知设备再归还这些频谱。而认知无线电技术的核心问题也就是如 何感知频谱空洞以及如何控制对授权设备的干扰。毫无疑问，这种新的对频谱 的利用方式无疑将提高整体系统的频谱利用率。 当前，认知无线电技术已经得到了各界的关注，很多著名学者和机构都投 入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项 目。例如德国高校提出的频谱池系统、美国加州大学b e r k e l e y 分校研究组开发 的c o v u s 系统、美国g e o r g i a 理工学院宽带和无线网络实验室提出的o c r a 项目，美国军方d a r p a 的x g 项目、欧盟的e 2 r 项目等。在这些项目的推动 下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些成 果。i e e e 为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果。目前，最 引人关注的是i e e e8 0 2 2 2 工作组的工作，该工作组正在制订利用空闲电视频 段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的i e e e 技 术标准化活动。 本文讨论的c r 网络是一种具有前景的应用场景是无线混合网络( h y b r i d w i r e l e s sn e t w o r k ) 。混合无线网络是一种共用同一段频谱的异构网络 ( h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ) 。其中包含种不同的通信网络：传统的蜂窝网络( 以 下称为c e l l u l a r 网络) 以及用户设备之间的自组织网络( 以下称为a dh o e 网 络或d e v i c e t o d e v i c e ( d 2 d )网络) 。传统的异构网络研究中涉及的网络往 往是两个或多个工作与不同频段的异构网络，研究内容也局限于如何设计合理 的统一网络通信协议已使得用户利用共存的不同网络。但是，在混合无线网络 中，由于这两种无线网络使用了同一片频谱资源，使得这种无线网络中解决系 北京邮电大学硕士学位论文 统中以及两个系统之间的干扰问题变得非常复杂。认知无线电技术，作为一种 新的无线技术，是解决这个问题的一个有效途径。 1 1 认知无线电概述 1 1 1 认知无线电的提出和定义 “认知无线电”这个词最初是由j o s e p hm i t o l a 在1 9 9 9 年提出的，它也被 称为智能无线科3 】【4 】。从广义上来说，认知无线电是指无线终端具备足够的智 能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学 习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源 ( 包括频率、调制方式、发射功率等) 完成无线传输。认知无线电能够帮助用 户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即 将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 m i t o l a 为认知无线电提出了一个认知环模型，描述了认知无线电是如何基 于外界环境的刺激作出相应响应的完整过程，这个过程包括：观察、定位、计 划、学习、判决和执行六个阶段，这些阶段都具备了机器学习的能力，如图1 一l 所示。认知无线电通过分析接收到的能提供环境辨识信息的信息流来观察它所 处的环境。 o n o n t ： 图1 - 1m i t o l a 的认知环模型【4 】 m i t o l a 实际上提出是一个认知无线电的原型，但它并没有限定认知无线电 对外界进行观察的具体对象，也没有限定认知无线电能够产生响应的具体类 ， 】p 妒 、o 吣 北京邮电大学硕士学位论文 型，即没有指定运行时需具体对哪些参数进行重配置。因此，认知无线电可被 定义成这样的一种智能通信系统：它能够感知周围的环境，运用“理解一构建 的方法从周围的环境中获取信息，并通过实时的改变某些系统运行参数来适应 周围环境的变化2 】【3 】。认知无线电的最终目标就是通过认知和重新配置来最大 化预定义的系统收益。 1 1 2 认知无线电的应用场景 众所周知，无线电频谱是一种宝贵的自然资源，传统的无线电频谱分配和 利用方式都是由当地无线电管理部门来进行静态分配的，而研究表明正是这种 静态的缺乏灵活性和扩展性的分配方式导致了无线频谱低下的利用效率【l 】f 2 】， 随着无线通信应用的进一步发展，对频谱资源需求也急剧增加，由于无线频谱 是一种有限的自然资源，因此，如何提高有限频谱资源的利用效率就是摆在人 们面前的一个亟待解决的问题。令人鼓舞的是，分析表明当前的频谱利用效率 还有很大的提升空间。 2 0 0 2 年1 1 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了一项由s p e c t r u m p o l i c y t a s kf o r c e 提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告，该报告明确的指出：“在 许多频带，频谱的准入是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，很大程度上是 由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。事实证明，很多被划分的 频谱资源在一定的空间或时间范围内是未被使用或很少被使用的，而另外的一 些频段则又是被密集使用的【l 】【2 1 。美国联邦通信委员会2 0 0 3 年底的n p r m 指 出，目前分配出的频段利用率是从1 5 1 8 不等，某些频带超负荷运行，而 很多频段没有得到充分的应用。 为了缓解对频谱需求的不断增长和日益稀缺的频谱资源的矛盾，美国联邦 通信委员会( f c c ) 已提出了开放部分授权频段，允许非授权系统在不干扰授 权系统正常通信的前提下以动态频谱接入使用这些频段，从而达到提高频谱利 用率的目的。而这里所说的动态频谱接入实际上正是基于m i t o l a 认知无线电原 型的一个应用特例，它以周围无线电频谱使用情况为感知对象，以重配置发送 和接收机工作频段作为响应，以频谱利用率作为预定义的系统收益。在文献【l 】 中，f c c 介绍了四种认知无线电应用场景：? 1 授权用户可以在自己的网络内，应用认知无线电技术来提高网络的利 用效率； 2 授权用户和第三方之间自愿达成协议部署认知无线电技术，从而提高 频谱的利用率。认知无线电用户通过与授权用户协商来利用频谱； 北京邮电大学硕士学位论文 3 在得到法规部门的合作许可后，认知无线电可以部署在授权用户网内， 进行频谱使用合作； 4 认知无线电能够使用没有与授权用户达成自愿协议的无频谱使用许可 权的用户接入频谱。譬如，在授权用户不占用频段的时间或空间上占 用授权用户的频谱。 基于m i t o l a 的认知无线电原型，当前的认知无线电应用场景研究主要集中 在第四种场景上：通过感知周围环境的无线电频谱使用状况，以动态频谱接入 和自适应功率控制作为对外界感知结果的响应，机会式的利用当前未被授权用 户使用的授权频谱，最终目标是提高频谱利用率。认知无线电技术在上述场景 中的应用是具有重大现实意义的，因此，它也被学术界和i e e e 标准组织称为 未来无线通信领域的“下一个大事件 。 1 2 认知无线电的研究领域 认知无线电技术主要包括两个研究课题，一是如何可靠和有效的对授权用 户进行感知；二是非授权用户如何根据感知结果进行重配置。应用认知无线电 技术的最终的目标是在对授权用户造成尽可能小的干扰的情况下，最大化非授 权系统的效益。 1 2 1 对授权用户的感知 如何可靠的、有效的对授权系统进行感知，这是认知无线电系统是否能从 理论走向现实应用的关键。由于认知无线电系统需要以动态频谱接入方式工作 在当前未被授权用户充分利用的频段上，这是一种基于机会的频谱使用方式， 因而它必须首先建立在能准确感知到“频谱空洞”的基础上【5 】。 感知结果的误差可能为：第一，未能检测出授权用户对频谱的占用；第二， 将空闲频谱误判为被授权用户占用。 上述两种误差将分别导致：第一，对授权用户造成干扰，同时，非授权系 统自身获得收益也很小；第二，浪费利用频谱的机会，造成频谱利用率低下。 目前，对授权用户感知的研究主要包括：p h y 层频谱感知技术和m a c 层频谱 协作感知。 1 2 1 1p h y 层频谱感知技术 不同的感知技术在感知精度和感知时间上是不相同的。能量检测通过对带 ， 、_ 钆 北京邮电大学硕士学位论文 通滤波器的输出信号进 出与预设门限值进行比较，从而判定授权用户是否使用该段频谱。能量检测的 优点是实现简单，所需感知时间短，缺点是不能区分授权用户和非授权用户的 信号，因此在对授权用户进行感知时需要所有非授权用户停止发送( 安静时 间) ；另外，能量检测也容易受到噪声的不确定性影响。 另一种感知方式为循环平稳特征检测，它通过分析频谱的自相关特性可以 探测出具有一定特征的信号。该检测方式的最大的优点就是能够提取出信号的 特征，具有更好的抵抗噪声不确定性的能力。但伴随而来的缺点是设备复杂度 提高和需要较长的感知时间。 1 2 1 2m a c 层频谱协作感知 在实际的无线传播环境中，单个感知节点的感知结果可能因衰落、噪声的 不确定性等因素而产生误差。信道感知中有两个重要的概率：其一是授权用户 的检测概率，它是授权用户出现后能被检测出的概率，它反映了授权用户的受 保护程度。其二是虚警概率，它是授权用户没有出现而误认为授权用户出现的 概率。为了进一步提高感知精度，又不过分增加对设备的要求，提出了联合式 的协作感知方式。协作感知是从多个分布式的非授权用户收集感知数据，做出 最终判决的过程。实际上可归结为以一定的检测概率为约束，最小化虚警概率 的最优化问题。它的研究包括：怎样选择进行协作感知的非授权节点；协作节 点的数量以及感知结果的合并方式等。 1 2 2 根据感知结果近进行重配置 频谱接入管理，功率控制是重配置的主要内容。另外，对于以a dh o c 形式 组网的路由选择也是需要重点考虑的端到端重配置对象。重配置以不对授权用 户造成干严重扰为约束，以最大化自身( 非授权系统) 效益为目标。 认知无线电网络中的节点可以采用集中或分布式的方式来感知授权系统 的活动情况，再根据感知结果进行重配置。 在集中式的情况下，c r 节点需要将感知结果发送给一个中心服务器，中 心服务器搜集到所需的全部网络信息后，在满足不严重干扰授权系统的约束 下，以一定性能( 如网络吞吐量) 为优化对象，计算出每个节点相应的重配置 参数( 发送功率、使用信道、下一跳等) 后，再将这些信息发送给相应节点。 c r 节点根据重配置信息来实现与授权系统共存和自共存。集中式重配置方式 通常以最优化理论作为研究工具。它的优点是能够得到全局的最优，但需要基 v r 、- 北京邮电大学硕士学位论文 第二章相关研究介绍 近几年来，随着无线通信技术的发展，无线网络也遍布世界的每个角落， 成为人们生活中不能缺少的部分。但是与此同时，无限频谱正变得越来越拥挤， 所以很多学者开始研究提高频普的利用率【8 】。其中一种很有前景的方式就是将 传统的无线网络结构相互结合，以使这些网络可以取长补短获得整体性能的提 高。例如异构网络( h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ) 9 1 0 】以及无线网状网( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ) 1 l j 。当然我们所研究的混合无线网络从广义上讲也是一种异构网络， 只不过结构各不相同的各网络之间使用的是同一段频谱资源。在混合无线网络 中，c e l l u l a r 网络以及d 2 d 网络或者说a dh o e 网络的结合可以提高网络吞吐， 频谱重用，以及平衡网络的负载。 2 1 无线自组织网络中的功率控制和路由 事实上，对于单独的a dh o e 网络已经有不少已有的相关研究。例如在移 动自组织网络中( m o b i l ea dh o en e t w o r k s ，m a n e t ) ，例如，在文献【1 2 】【1 3 】中 研究了通过功率分配以及路由优化系统的功率效率的问题。系统的容量和稳定 性在文献【1 4 】中进行了研究。而在文献【1 5 】中作者引入了c o n f l i c tg r a p h 来建模网 络和干扰。在文献【1 6 】中作者讨论了功率分配和路由联合优化的凸优化问题。但 是现有的移动自组织网络现有的研究都过于强调保证网络的连通性，以至于网 络的整体性能将有一些牺牲。而且，在完全自组织的状态下，网络节点对于很 多网络状态的信息是比较难以获得的。但是，在混合无线网络中，网络的连接 始终可以由c e l l u l a r 网络来保证，而且b s 可以为自组织的d 2 du e 提供必要 的系统信息，帮助u e 感知无线环境，以方便u e 进行优化和判断。 2 2 多跳m e s h 网络中的路由 由于无线m e s h 组网技术相较于有线网络具有容易部署、灵活性高、成本 低等优势，因而受到越来越多的关注。m e s h 网络的的一个应用场景是宽带无 线接入，其网络参考结构如图2 1 所利1 。丌。 该m e s h 网络中包括两类链路：接入链路( a c c e s sl i n k ) 和转发链路 ( m e s h - r e l a yl i n k ) 。终端用户通过接入链路同m e s h 中继( m e s hr e l a y ) 节点相 连，转发数据包的工作则全部由m e s h 中继节点通过转发链路完成。经过多次 接 的 节 ) 图2 - 1 无线m e s h 网络参考结构【1 7 】 由于用户数据往往需要经过多个中继节点的转发才能最终到达目的网关， 因此，m e s h 网络是一个典型的多跳多信道网络。在一个多跳网络中，两个节 点间的数据通信可能需要其它节点参与转发。源节点，转发节点序列和目的节 点组成了源节点到目的节点之间的一条可行路径。每个中间节点既扮演终端角 色，同时也扮演有线网中路由器的角色。在一个多跳网络中，一对通信节点间 的可行路径数目往往不止一条，因此，路由就是要在多条可行路径中选择一条 ( 或多条) 来实现端到端的数据传输的过程。对于一个多跳多信道的m e s h 网 络，需要解决两个问题：第一，如何为每个节点的接口分配信道；第二，如何 设计在多信道环境下的路由。这里假设我们事先己经为每个节点的相应接口分 配好了信道，且一旦分配好后就不再改变。我们把研究重点放在多信道环境下 的路由上。路由的设计包含两方面主要内容： 1 路由发现和维护机制 2 路由度量 、一 p 北京邮电大学硕士学位论文 好的路由发现和维护机制需要能够很好的反映或跟踪网络的拓扑变化，并 及时做出相应调整，同时，好的路由发现和维护机制还需要具有尽可能小的路 由开销。在实际中，往往需要在有效性和可靠性上进行折中，才能得到在特定 网络环境下的较优方案。 路由度量主要用于比较不同的可行路径问的性能差异，从而指导路径选 择。路由度量的设计好坏直接影响到路由的端到端性能，同时它也为路由发现 和维护提供参考依据。综上所述，路由度量的设计在整个路由设计中起到相当 关键的作用。本篇论文的主要工作就是对认知无线电网络中的路由度量设计进 行研究，但在具体深入研究前，我们将先对传统的m e s h 网络中的路由度量设 计进行分析。 2 2 1 多跳m e s h 网络路由度量设计考虑因素 在m e s h 多跳网络中，路由度量的设计需要重点考虑以下几个因素： 1 由于无线通信环境的特点，不同链路将经历不同的路损和衰落( 包括 快衰和阴影衰落) ，从而造成链路的丢包率( l o s sr a t i o ) 的差异。路 由度量应该尽可能反映出这种链路质量的差异，选择链路质量更好的 路径进行路由。 2 由于不同链路可能采用的传输技术不同，或者采用相同的传输技术而 具有不同的物理参数，因此，不同链路间的传输速率可能存在显著差 异。路由度量需要能够反映出链路传输速率的不同，从而优先选择具 有较高传输速率的路径进行路由。 3 由于无线传播的广播特性，工作在同一频段上的设备将产生相互干扰。 研究表明，相互干扰将严重影响网络系统的容量和路由的端到端吞吐 量。在多跳m e s h 网络中，一条链路的通信可能干扰到周围其它链路 的正常通信，干扰可以是一条路径内的各链路之间的相互干扰 ( i n t r a - f l o wi n t e r f e r e n c e ) ，也可以是分属不同路径的链路之间的相互干 扰( i n t e r - f l o wi n t e r f e r e n c e ) 1 8 j ，如图2 2 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 i n t e r - 加wt n t e r f e r e c e b e t w e e n da n d e i n t r a - f l o wi n t e r f e r e c e b e t w e 嘲l a a n d b b e t t e rr o l l t e ： n o 加t n f l o wi n t e r f e r e m b e t t e rr o u t e ： n ot u t r a - f l o wi n t e r f e r e , 图2 - 2 路径内和路径问的干扰【1 8 】 2 2 2 经典路由度量的分析 本节将对传统m e s h 多跳网络中的几种典型的路由度量设计进行分析。对 它们的分析有助于理解路由度量设计的基本原则，并为下章在认知无线电网络 环境中提出新式的路由度量打下基础。 2 2 2 1 路径跳数 用路径端到端跳数作为路由度量，是一种直观而简单的想法【l 她l 】它最早用 于有线网络，是一种传统的路由度量。对于用端到端跳数作为路由度量的方案， 它是基于以下两个假设的： 1 两个节点之间要么存在通信链路，要么不存在； 2 所有通信链路都具有相同的链路质量。 以上假设在有线网络中可能成立，然而在无线网络中由于传播环境、衰落、 干扰等因素的影响，第二条假设则显然不能成立。比如，在无线环境中，跳数 的减少往往意味着每跳距离的增加，这将导致信号在空间中传播的损耗更加严 k 北京邮电大学硕士学位论文 重，因此丢包率很有可相比跳数稍多的路径更高 同跳数，也可能由于衰落、干扰、链路速率的不 差异，然而仅用跳数作为路由度量，并不能反映 能的优劣差异。 2 2 2 2 端到端时延 当源节点向目的节点发送一个数据包时，往往需要经过中间节点逐跳转发 最终才能到达目的节点。在理想情况下，该数据包在路径上的传输次数等于路 径跳数。但考虑到链路的不可靠性将造成数据包丢失，因此在某些链路上需要 多次重新传送该数据包。端到端累计传包次数的期望等于路径跳数和各跳链路 重传次数的期望之和。 考虑d a t a a c k 的数据包传输方式，以m a c 层成功传送一个数据包需 要接收端正确接收到该数据包，并且返回发送端一个正确接收到确认回复 ( a c k ) 。如果用d ，和t 分别表示链路前向和反向的传包率( 成功传递数据包 占总发送端数据包的比例) ，则在一条链路上成功传输一个数据包累计所需的 传输次数期望e t x 1 4 1 为 1 e t x = _ 二_ 式( 2 - 1 ) d f d ， 在实际中，链路传包率的测量是通过计算在一定时间窗内接收到的链路探 测包数来实现的。网络中各个节点以一定时间间隔：向周围广播链路探测包， 邻居通过统计在时间窗w 内接收到的邻居探测包的数量来计算当前时刻的传 包率d ( t ) d ( f ) ：e o u n t _ ( t _ - w , t ) 式( 2 2 ) w | t 路径端到端得累计穿薄此书的数学期望( e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e s ( e t x ) ) 等于各链路的传包次数的数学期望的和： 层砑= e 珥 式( 2 3 ) i e p 其中尸表示路径中的链路集合，e r a - , 表示链路f 的传输次数期望。从上 面分析可以看出，端到端累计传输次数作为路由度量试图以端到端的传播时延 作为路由的选择依据。但是它并没有考虑每跳链路的传输速率对端到端时延的 影响；其次，e t x 路由度量仅对链路上出现的丢包( 如由于信道衰落或隐藏节 点引起) 敏感，而对由于链路拥塞引起的包在节点中排队等待发送延迟并不敏 北京邮电大学硕士学位论文 感。 2 2 2 3w c e t t 路由度量 加权累计传输时间w c e t t 1 5 】( w e i g h t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e dt r a n s m i s s i o n t i m e ，w c e t t ) 在e t x 路由度量的基础上作了两方面改进：第一，用端到端 累计传包时间的期望代替了累计传包次数的期望，从而进一步考虑了路径中各 链路发送速率的差异。第二，在w c e t r 路由度量中引入了路径内各链路间的 相互干扰，从而一定程度上反映了路径的端到端吞吐量。w c e t t 中定义链路 上每成功发送一个数据包的时间期e t t ( e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e ) 等于 e 刀= e i s 式( 2 4 ) 其中s 表示数据包的大小，占为该链路的传输速率，e t x 为累计数据包传 输次数。设路径中总共有k 个相互正交的信道，则整条路径的路由度量w c e t t 表示为 w c e t t e = ( 1 一) e 珥+ m 刖a 。x 。x ，, 式( 2 - 5 ) 其中x ，是在路径p 上工作在信道上的所有链路的层刀之和；为在 0 ， 1 】上的可变权重因子。 上式中第一项反映了端到端累计传输时延，而第二项反映的则是数据包在 整条路径中的相互干扰最严重的链路上传输的时间之和。该时长与路径上的瓶 颈吞吐量成负相关，即x ，越大，路径的瓶颈吞吐量越小( 假设路径内工作在 相同信道上的链路总是两两相互干扰) 。而路径的端到端吞吐量由路径上的瓶 颈吞吐量最终决定的。 从上面分析可知，路由度量w c e t t 实际上反映了路径上端到端传输时延 和端到端吞吐量的一种折中，折中的权重系数可由来调节。在不同的取值 下，即便在相同的一组路径内，计算得到的具有最优路由度量的路径也可能是 不相同的。当= 0 9 时，更看重路径的端到端吞吐量性能；当= 0 1 时，则 更看重路径的端到端时延性能。 2 2 2 4m i c 路由度量 干扰和信道切换路由度量m i c ( m e t r i co fi n t e r f e r e n c ea n dc h a n n e l s w i t c h i n g ) 1 6 1 与w c e t r 路由度量相比，主要的不同之处在于：m i c 不仅考虑 了路径端到端传输消耗的总空中时间资源、路径内干扰，同时还考虑了路径间 北京邮电大学硕士学位论文 的干扰；在考虑路径内链路间干扰时，不同于w c e t t ，m i c 仅考虑了相邻链 路间的干扰。 令n 表示网络中的节点数，r a i n ( e 刀) 为网络中所有链路的最小传输时 间期望，尸表示路径中的链路集合，则路由度量m i c 可表示为 m i c = l 而炽+ c s q x-宅(2-6)n x m i n ( e t t ) ，f ，怎p 么曩p 7 侬阢和c s c , 的定义分别为： 职= e 玛m 式( 2 - 7 ) lmi fc h ( p r e v ( i ) ) c h ( f ) c s c , 2 1ti f c h ( 一v r e v ( 、i ；j ：c h ；：5 式( 2 - 8 ) im i f fl l f f l瓦【2 - 8 ) 0 w 2 其中m 等于与链路，相互干扰的节点数目，c h 以) 表示链路f 使用的传 输信道，p r e yn ) 表示与链路i 相邻的前一条链路。上r 反映了在链路，上每 成功传输一个数据包所要消耗的网络空中时间资源( 由于链路，的传输，将导 致干扰范围内的其它链路不能发送) 。对路径中各链路的i r u 求和，等于端到 端传输一个数据包总共消耗的网络空中时间资源。m i c 的第二项反映了链路内 总的干扰情况，如果相邻两链路工作在同一个信道，则在路由度量上累加较大 权值，否则累加上较小较小的权值彤。可以看出，m i c 路由度量只考虑了路 径内相邻链路间干扰对端到端性能的影响。 m i c 路由度量通过引入每条路径的干扰节点的数目来反映路径间的干扰。 然而在实际中，每个干扰节点对链路的干扰程度往往是不同的，它还与干扰节 点的位置，干扰节点的负荷等因素有关。因此，该路由度量在某种情况下并不 能准确反映出链路间的干扰情况。如图2 3 所示，灰色节点为干扰节点，节点 2 的干扰节点数目为2 ，节点3 的干扰节点数目为3 ，依据路由度量m i c ，路 径1 2 - 4 较路径1 3 _ 4 具有较小的度量值。然而实际上，由于节点2 的两个干 扰节点距离节点2 很近，因此节点2 所受到的干扰可能要强于节点3 受到的干 扰，但是路由度量m i c 不可能反映出这类情形。 2 2 2 5b l c 路径度量 g r e y n o d e sa r e t h ei n t e r f e r e r s 图2 - 3 路径间的干扰【1 6 】 链路瓶颈容量b l c