（电路与系统专业论文）基于cogmesh架构的路由协议技术研究.pdf

声明 独创性( 或创新性) 声明 i f l l l rrrrl liifj i l li i f r tii rr l l i i iriip l l y 17 5 9 5 6 4 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：銎l 簟堑象 日期： 压2 旦垂王纠多迸 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) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： f 1 期： 丝! ! 差! 丑簦显 卯f 秒、弓f 少 随着 为该问题 利用来提 c o g m e s h 一 针对c o g m e s h 网络中的多种关键技术，本文主要在频谱感知技 术和路由协议方面做了如下研究： 混沌频谱感知：本文在对现有感知技术研究的基础上，简要介绍 了自己提出的一种适用于宽带信号检测的多带参数可调的混沌检测 方案，将本方案应用于认知无线电技术中，可以完成其频谱检测功能。 另外本文中最大的改进是在状态判定上，以区域分割判断算法为基 础，提出了基于相轨迹分布情况的判断方法，相比于李亚普诺夫指数 的计算以及谱分析等算法来说，其判断方法更加简单直接、计算量小， 同时准确率也高，实用性更强。 路由缓存算法改进：本文先后介绍了c o g m e s h 网络与a dh o c 网 络的结构、特点和应用以及常见的网络路由协议。得出了在该网络中 进行路由缓存是十分必要地，并基于图论中割点的概念对拓扑结构进 行分析，提出了路由缓存管理的改进算法。该算法较大地提高了缓存 路由的准确率和效率，更理想地适应了拓扑结构的变化。通过仿真， 证明了该算法改进了d s r 路由协议的性能。 关键词：认知无线电，c o g m e s h 网络，路由缓存，d s r ，混沌频谱感 知 r e s e a r c h e so nr o u t i n gp r o t o c o l b a s e do nc o g m e s hn e t w o r k a b s l 。r a c l w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，s p e c t r u m r e s o u r c e sa r e i n c r e a s i n g l ys t r a i n e d ，w h i l et h ee m e r g e n c eo fc o g n i t i v e r a d i op r o v i d i n ga ne f f e c t i v ew a yt or e s o l v et h i s p r o b l e m - - - - - - w h i c h t o i n c r e a s et h eu s a g eo fs p e c t r u mb yr e - u s i n gt h ea l l o c a t e df r e q u e n c yb a n d s c o g m e s hn e t w o r k ，w h i c hc o m b i n e dt h ec o g n i t i v er a d i oa n dw i r e l e s s m e s hn e t w o r k ，w i l lp l a yab i gr o l ei nt h ef u t u r e a m o n gt h em u l t i p l ek e yt e c h n o l o g i e so fc o g m e s hn e t w o r k , w e m a i n l ye n g a g e di nt h er e s e a r c ho fr o u t i n gp r o t o c o l sa n ds p e c t r u m s e n s i n gt e c h n o l o g i e s ： c h a o ss p e c t r u ms e n s i n g ：b a s e do nt h es t u d yo fe x i s t i n gt e c h n o l o g y , w ep r o p o s e dam u l t i - b a n da n da d j u s t a b l ep a r a m e t e r ss p e c t r u ms e n s i n g s y s t e mw h i c hc a nb eu s e dt ot h ew i d e b a n ds i g n a ld e t e c t i o n w ec a n a c c o m p l i s hs p e c t r u md e t e c t i o ni nc o g n i t i v er a d i ot h r o u g ht h i ss y s t e m m o s ti m p o r t a n t l y , w ep r o p o s e dt h es t a t ed e t e r m i n a t i o nm e t h o dw h i c h b a s e do nt h ed i s t r i b u t i o no fp h a s et r a j e c t o r y a n dc o m p a r e dw i t ht h e c a l c u l a t i o no fl y a p u n o ve x p o n e n ta n dt h es p e c t r a la n a l y s i sa l g o r i t h m ， t h i sa l g o r i t h mi sm o r es t r a i g h t f o r w a r da n ds i m p l i c i t y , w h i c ha l s ow i t ht h e h i g ha c c u r a c ya n dm o r ep r a c t i c a l r o u t i n gc a c h ea l g o r i t h m ：f i r s t l y , w e i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e s ， c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n sa sw e l la sc o m m o nn e t w o r kr o u t i n g p r o t o c o l so fc o g m e s hn e t w o r ka n da dh o cn e t w o r k t h e nw ek n o wi t s e s s e n t i a lt oi n t r o d u c et h er o u t i n gc a c h ei n t ot h ea dh o c n e t w o r k ，a si t s t o p o l o g yc h a n g e sf r e q u e n t l y b a s e do nt h ev e r t e xc u tw h i c hs t u d i e di nt h e g r a p ht h e o r y , w ep r o p o s e dan e wr o u t i n gc a c h em a n a g e m e n ta l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mg r e a t l yi m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h er o u t i n gc a c h ea n d e f f i c i e n c y , a n dc a na d a p tt ot h ec h a n g e so ft o p o l o g yb e t t e r f i n a l l y , w e c a ns e et h i sa l g o r i t h mi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fd s r r o u t i n gp r o t o c o l t h r o u g hs i m u l a t i o n 1 l i k e yw o r d s ： c o g n i t i v er a d i o ，c o g m e s hn e t w o r k ，r o u t i n gc a c h e ， d s r ，c h a o ss p e c t r u ms e n s i n g l v 基 目 第 第 第 3 5 本章小结3 2 第四章 c o g m e s h 网络中的路由协议改进3 5 4 1弓i 言3 5 4 2 路由缓存研究介绍3 5 4 3 基于图论中割点概念的改进路由算法3 7 4 3 1 图论中的割与连通度3 7 4 3 2 路由缓存算法改进。3 9 4 3 3 路由缓存改进示例4 0 4 4 n s - 2 仿j 茸4 1 4 4 1 仿真参数配置。4 1 4 4 2 1 方真结果4 2 4 5 本章小结4 4 第五章总结与展望。4 5 参考文献_ 4 7 致谢5 1 攻读硕士学位期间发表或已投学术论文清单5 3 v v i 第一章引言 1 1 认知无线电的基本概念 随着无线通信技术的不断发展和用户数量的增多，频谱资源日益紧张。可是 鉴于大量的授权频段却没有被充分使用，美国联邦通信委员会( f c c ) 便提出了 在最小化对授权用户造成干扰的前提下，通过布置无线设备与现有授权用户共存 的方式来提高频谱利用率。 1 9 9 9 年8 月，m i t o l a 博士和m a q u i r e 教授首次提出了认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o ) 的概念。其是一种智能的无线通信系统，可以通过感知周围的环境，来自 适应地调整其通信频率，从而提高频谱利用率，这为解决现在频谱资源紧张的问 题提出了一种新的思路和方法。f c c 对认知无线电技术定义如下：认知无线电 是一种可通过与其工作环境的交互而改变其发射机参数的无线电技术i 。 从诞生之日起，促使认知无线电技术可以快速发展有很多的原因，其中最重 要的就是无线电系统自身的复杂性i 羽。我们知道，软件无线电可以通过调整其调 制方式，功率等级，差错控制编码，载波频率等参数来提供几乎无穷尽的波形信 号，这也就使得对无线电控制的方法转变成了对其多种参数进行优化的算法。然 而，通常这种算法却是十分复杂的，也就使其深陷于启发式算法等人工智能的范 畴之内。从6 k h z 到3 0 0 g h z 的无线电频谱范围内，任何一个频点在大部分的时 间和空间范围内都是处于空闲状态的。这也引起相关的机构部门来探索动态频谱 分配的方式。其主要思想就是在不能对主用户( p r i m a r yu s e r , p u ) 产生有害干扰 的情况下，租用其系统的空闲频段来完成通信。一旦该频段被p u 重新占用，c r 用户( s e c o n d a r yu s e r ，s u ) 需要选择合适的方式来避免对主用户造成干扰。关 于避免此干扰主要有o v e r l a y 和u n d e r l a y 的两种频谱模型，前者要求c r 设备切 换到其它空闲频段通信，而不能继续占用主用户频谱；后者允许c r 设备继续使 用该频段，但需要减小其自身发射功率来减小对p u 的有害干扰。 所以，认知无线电是指具备足够的智能或者认知能力的无线终端，其能够通 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，不断 地感知外界的环境变化，“智能”地利用外界环境的变化情况进行决策、调整自己 的状态，包括改变其传输技术、传输功率、使用频段等，通过使用最适合的无线 资源( 包括频率、调制方式、发射功率等) 来完成无线传输的任务。 认知无线电作为刚刚应用不久的技术，仍然有很多关键技术需要研究。主要 可以从物理层，m a c 层和网络层来考虑【3 1 。从认知无线电原理可知，要使其进 行可靠通信，需要经过对周围环境感知、寻找可用频谱资源、估计和预测信道质 量、根据通信需求设计适合频谱特性的发射波形、发送数据等步骤才可完成。一、 从物理层考虑，其关键技术主要包括频谱感知，信道估计，数据传输等，其中无 线环境检测的基本方法大致可以分为主用户发射机检测、多节点协同检测和基于 干扰的检测三种( 发射机检测主要有匹配滤波、能量检测、周期特性检测等方法) 。 信道估计是为了建立通信链路，有必要估计通信双方之问的信道质量，以确定发 射的参数( 发射频段、发射方向、发射功率、数据率和调制编码方式等) 。数据传 输是在发射机部分根据可用频谱资源和用户通信需求，确定相应的频段、调制、 交织和信道编码方式。在接收机部分，根据收发双方协调的频谱使用信息确定相 应的接收带宽、解调方式，并根据信道估计结果进行解调、解交织和信道译码， 恢复出信源数据。二、m a c 层则为动态频谱管理，公共控制信道设计，频谱移 动性管理，频谱共享；三、网络层的关键技术是路由技术，目前较为常用的有两 种设计路由算法方式：联合设计方式和去耦方式。 截止到目前，认知无线电已经在很多实验室和研究所进行研究，比如有：美 国加州大学b e r k e l o y 分校的r w b r o d e r s e n 教授的研究组开发的c o v u s 系统、 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。认知 无线电技术在其基本理论、频谱感知技术、数据传输方案、网络架构和协议、与 现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果，并开始在 w r a n 网络，a dh o c 网络和u w b 系统中得到应用。 1 2c o g m e s h 基本概念 无线通信技术具有移动性强，易于携带，方便布置和使用，成本低等明显优 势，这也是致使其取得巨大成功的主要原因。无线m e s h 网络( w m n s ) 是一种 新兴的网络，它继承了无线通信的所有这些优点。更具有开机自动配置以组成网 络，易于安装和维护等特点。m e s h 网络中的每个节点都可以监听其它节点的广 播信号，从而组成一个分布式的多跳网纠铂】。 无线m e s h 网络的最大优势在于它天生的网络容错能力，易于架设，以及很 高的带宽。传统的蜂窝网络，基站出现故障会导致覆盖区域内的所有通信终端失 效，而无线m e s h 网络与此不同，它能提供很高的网络容错能力，即使在很多节 点不可使用的情况下，网络仍然能够进行通信。无线m e s h 网络从确切的定义上 说是部分或者全部具有网状拓扑的网络，但是实际使用中的无线m e s h 网络中还 有静态的无线中继节点，这些节点部分具有网络结构的特性。这种分布式的网络 2 设施为移动客户节点提供接入服务。由于部分网状结构的存在，无线m e s h 网络 使用多跳中继。 无线m e s h 网络已经在家庭宽带网络、社区网络、企业网络、建筑自动化、 医疗保健系统、公共安全系统、智能交通系统、应急网络、城域互联网宽带接入 等方向得到了尝试和应用。然而对于这些广泛的应用和服务，m e s h 网络的组网 结构、路由算法和协议的设计都面临着不同程度的技术要求和挑战，若要使其得 到更深入的使用，这些问题都亟待解决。 其中将无线m e s h 网络与认知无线电相结合进行研究，即现在的c o g m e s h 网络，将使m e s h 网络拥有更加广阔的应用前景，也为认知无线电提供了一种新 的应用场景。 c o g m e s h 网络是一种动态频谱使用、自组织、自愈、具有多跳能力、高容 量、高速率的新型宽带无线网络，它可以看成是m e s h 网络的一种高级形态， 具有认知功能。基于分簇的c o g m e s h 网络是由簇头节点、网关节点、和普通成 员节点组成，可以看作为i n t e m e t 的无线版本【引。 c o g m e s h 网络利用了无线m e s h 网络的自组织、自愈、对等、多跳等特性【彻， 和认知无线电技术相融合，得到了一种的新的网络模型。c o g m e s h 集合了m e s h 与认知无线电的功能，在网络架构方面与传统的无线网络存在明显的区别： 1 ) 网络健壮性强，灵活的路由算法和多跳的无线链路保证了无线通信的顺 利进行，即使某一链路出现了问题，冗余的路由算法和多跳的传输方式提供了快 速的路由更换能力。 2 ) 结构灵活，组网方式多变，认知m e s h 结合了m e s h 和c r 的特点，通过 对无线频谱的检测选择合适的频谱空洞进行通信，可以在多种通信方式以及通信 频率之间进行选择，大幅提高了频谱利用率以及通信的可靠性，使其组网方式更 灵活。 3 ) m e s h 的组网方式能够提供非视距的传输能力，使得认知m e s h 网络能够 适应大区域和大范围的无线覆盖。对比认知无线电的其它技术领域而言，认知 m e s h 的相关研究还是比较少的，在这方面的研究主要集中于基于认知m e s h 的 架构来进行更加有效和合理的频谱检测以及相应的拓扑、路由等技术研究上。 1 3 本文的主要内容和安排 第一章：介绍课题研究的背景知识，所研究内容的必要性、重要性，以及该 3 课题当前的研究现状。 第二章：对认知无线电技术中的频谱检测技术，无线m e s h 网络中的常用路 由协议进行总结，对相关技术进行整理和分析，并且引申出了本文所要改进的思 想。 第三章：在对现有频谱检测技术进行研究的基础上，提出了一种适用于宽带 信号检测的多带参数可调的混沌检测方案；并在混沌状态判定上，以区域分割判 断算法为基础，提出了基于相轨迹分布情况的判断方法，通过仿真证明了其简单 直接、计算量小，准确率高。 第四章：通过对路由缓存的研究，基于图论中割点的概念对拓扑结构进行分 析，提出了路由缓存管理的改进算法。该算法较大地提高了缓存路由的准确率和 效率，更理想地适应了拓扑结构的变化。通过仿真，证明了该算法改进了d s r 路由协议的性能。， 第五章：对全文工作进行总结与展望。 4 第二章认知无线电技术与无线m e s h 网络 宽带无线系统的发展目标是为最终用户提供无处不在的接入，提供高质量的 语音服务、视频和其他多媒体业务。由于各种无线网络伴随着宽带业务的演进， 因此无线m e s h 网络也吸引了众多的目光。无线m e s h 网络使社区网络提供家庭 接入和商务接入更加便捷，而且还可能用于整个社区中连接公共接入点【4 1 。 2 1 引言 c o g m e s h 网络作为一种新兴的网络架构，是在无线m e s h 网络的基础上加入 认知功能。因此，对c o g m e s h 网络的研究，除了传统的对m e s h 网络的研究之 外，也要对认知无线电技术进行探讨。 根据认知无线电的定义，c r 要在某个区域内使用，首先需要对该区域频谱 环境进行感知。而认知无线电的频谱感知主要应用在两方面：一是对周围频谱环 境进行感知和分析，找出空闲频谱，然后在不干扰主用户的前提下利用这些空闲 频谱进行通信；二是用于在通信过程中对频谱状态进行实时监测，对频谱状态的 监测首先可以搜集频谱环境的统计信息，为高层的频谱管理提供信息，也可以准 确地发现主用户的出现，使认知无线电能够尽快地进行主动避让，不造成对主用 户的干扰。 在传统的无线局域网( w 中，每个客户端均通过一条与a p 相连的无线 链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入 点( a p ) ，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线m e s h 网络中，任何无线设备 节点都可以同时作为a p 和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号， 每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。 这种结构的最大好处在于：如果最近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话， 那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类 推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输， 直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。 其实人们熟知的i n t e r n e t 就是一个m e s h 网络的典型例子。例如，当我们发 送一份e m a i l 时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器 从一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信 箱。在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件 能够尽快到达用户的信箱。 5 与传统的交换式网络相比，无线m e s h 网络去掉了节点之间的布线需求，但 仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线m e s h 网络里，如 果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置， 并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化， 并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。 无线m e s h 网络本质上属于移动a dh o c 网络，它与后者的最大区别在于前 者的用户终端相对来说移动性较低。在网络拓扑上，无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络相似，但网络中的大多数节点基本是静态不移动的，不用电池作为动力，拓 扑变化比较小；在单跳接入上，无线m e s h 网络可以看成是一种特殊的w l a n 。 其次，无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络的区别还在于业务模式的差异。对于 前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务；而对于后者，节点的主要业 务是任意一对节点之间的业务流。无线m e s h 网络一般不是作为一个独立的网络 形态存在，而是i n t e r n e t 核心网的无线延伸。无线m e s h 网络有较高的可靠性、 较大的伸缩性和较低的投资成本，是一种可以解决无线接入“最后一公里”瓶颈阎 题的新的方案。 2 2 认知无线电频谱检测理论 认知无线电系统中的频谱检测可以通过下面的模型来描述：设加性高斯白 噪声a w g n 信道下，c r 用户接收信号的二元假设检验模型可以由下式表示【8 l ： 日。：】，【七1 = 形陋】 七_ 1 ，k 式( 2 - i ) 而：】，陋】= w k 】+ x k i k ；1 ，k 其中w k 卜( o ，6 2 ) ，h o ，q 分别表示在特定信道主用户信号不存在和存 在情况下的两种假设。y k 】表示c r 用户接收到的信号序列，x k 】表示主用户 发送的信号序列，k 为采样点数。采用数理统计的方法，根据l ，阵】可构造相应 的检验统计量z ( y ) 。根据r ( y ) 以及相应的判定准则： 皿：丁( y ) a 式( 2 2 ) 4 0 ：t ) = 二= 二3 二_ = j 。 3 4 2 万w 勋w 当固定阻尼比尼的值时，可以得到对应于w 的，值下限，也即满足此条件 后，混沌的状态将会改变。 通过上述步骤简单地辨识系统状态，就可以检测出是否存在特定信号。这表 明对微弱信号的检测，混沌方法有很大的优势。但是d u f f i n g 振子的相变对频差 较大的周期干扰具有较强的免疫力，即d u f f i n g 振子用于微弱信号检测只能够检 测窄带信号。对于宽带信号，也就是频率距d u f f i n g 本振频率较大的信号，该系 统则不能进行检测。 针对这一问题，通过对混沌模型不断地研究，我们提出了一个适用于宽带信 号检测的多带参数可调的混沌检测系统，将本系统应用于认知无线电技术中，来 完成其频谱检测功能1 2 2 l 。系统原理图如图3 3 ，主要由d u f f i n g 混沌电路和状态 判定模块组成，然后经过综合处理后可得到检测结果。 图3 - 3 系统原理图 首先将d u f f i n g 电路调整到临界混沌状态，然后将待测信号加入系统。 如果输入中含有需要感知的信号，且其信号强度达到混沌电路能够感知 的强度，则混沌电路由混沌态跃迁到大尺度周期态：否则系统仍然保持 混沌状态。( 对于不同频率的周期策动力以及阻尼比，其周期策动力的临 界幅值都是不同的。正如上所述，现有的临界值计算方案都只是得到一 个界限，不能应用于工业化的自动测试；而该系统可以给出一个数据表 格，通过查阅表格来快捷地设置参数，使系统进入临界状态。) 信号加入系统并通过d u f f i n g 电路后，将要进行混沌状态的判定。由上 面对相轨迹状态判定算法我们可以得到，直接观测相位的方法虽然计算 复杂度低，但需要人工干预，效率很低且不利于工程实用；通过图像识 别方法，即计算其欧拉数来判别，复杂度相比下还是比较高。而分析系 统的李亚普诺夫指数，需要计算的时间很长。因此，起初我们在研究过 程中提出了相图区域分割算法来完成混沌系统状态的判定i 硐。其思想就 是将相图区域进行n * n 的分割，在这些区域内只要有相轨迹出现的区域 则标记为1 ，否则标记为o 。由于混沌状态和大尺度周期状态相图轨迹的 区别，可以通过比较区域内1 与o 的比例来判断混沌的状态。通过实验 和仿真，证明该方法算法思想简单，计算也较快，并且检测正确率高， 对于实时性要求不高，并且硬件配置较高的系统，可以正常使用。 3 3 2 基于相轨迹分布的状态判定算法 由上面的介绍我们知道使用区域分割算法进行混沌状态的判定，算法思想简 单，计算也较快，并且检测正确率高。但是每进行一次混沌状态结果判定，都需 要对整个相图进行n * n 的分割，然后对所有出现的点进行区域判定，这点需要 统计计算的轨迹点数量是相当惊人的。尽管这样计算思想很简单清晰，但其计算 量的规模有时无法让人接受。因此，我们又提出了如下的改进方案，这样一来需 要统计计算的相轨迹点数骤减，计算时间大大降低。 通过对系统状态观察，可以得到当系统处于大尺度周期态时，对相轨迹的任 一横坐标处，其轨迹均分布在固定的两个纵坐标处，如图3 4 中的两处标记处。 基于这一思想我们提出了改进的算法。 图3 - 4 大尺度周期状态特征图 基于相轨迹分布的状态判定算法：由上述区域分割算法的不足，我们可以只 对相轨迹的某一横坐标值处的纵坐标分布进行统计分析，通过其分布情况来判断 混沌的状态： 对于大尺度周期状态混沌系统，其轨迹将分布在两处位置比较固定的纵 坐标处。因此，对该横坐标值的轨迹点进行统计分析，分布也会集中在 两点。 对于混沌状态，由于其轨迹在纵坐标处分布比较均匀，所以对于某一固 定横坐标处，其轨迹的纵坐标分布也将比较均匀。 因此，我们可以通过该分布来判断混沌状态。为了提高判断的准确度，可以 对横坐标进行三处的采样判断，根据三处结果来判断，如果有一处的状态与其它 两处不符，将进行更加细分的判断，即可对横坐标进行6 处判断，从而判断出混 沌的最终状态。 对于判断过程中需要的统计分布情况，可以直接利用数学中的直方图来判 断。在m a t l a b 中直接有此函数可供调用。 下面，分别针对混沌状态和大尺度周期状态，进行了仿真判断，通过该判断 可以清晰地得出状态结果。相比区域分割算法，由于该方法仅需对抽样坐标处的 轨迹值进行分析统计，所以计算速度会更加快速，复杂度也会有所降低。 3 4 仿真结果 析。 如下图中的仿真情况。分别对两种状态下横坐标三个位置处进行了统计分 一。 l 大尺度周期查横坐糁为 o - 3 5 处的概率分布 i 。 21 5 n 5oo 5 1 1 52 f 毪0 麟蹴嗣 8 5 处的概率分布l l 1 o 8 o 6 o 4 o 2 o o 2 o 4 - o 6 8 l o + t 。一一一”。1f 天尺度周期态横坐标为! i l j 3 5 处盟蹙登坌翌一 52 图3 - 6 混沌状态 3 1 对图3 5 和3 - 6 分析可得，大尺度周期态的情况下，相轨迹在同一坐标处概 率分布非常集中，而混沌状态则分布相对分散。根据此结果可以快速准确地判断 出混沌状态，从而实现对频谱感知的结果判定。 另外，使用混沌电路进行混沌检测，一般而言，当运行时间t 4 0 0 t 时，系 统进入稳定，但是当信号的频率非常高时，系统进入稳定需要经过的周期数也会 相应增加，而针对本方案的实验数据，其仿真结果基本上都是满足信号频率越高， 系统进入稳定的时间越短在固定频率的情况，我们对基于区域分割算法和基于 相轨迹分布算法的判断时间进行了仿真分析，见图3 7 。从图中可以看出使用区 域分割算法时，当要提高系统判断精度( 即增加区域的数量) ，系统的判定时间 将以平方的数量在增加；而使用基于相轨迹分布算法，由于只要对固定坐标值处 的数值进行统计分析即可，所以其判定时间是一个固定值。这样看来，其优势还 是相当明显的，特别是在实时系统中，可以满足系统对时间的要求。 邑 厘 苔 群 剿 1 0 4 3 5 本章小结 检测精度( n ) 图3 - 7 检测时间和与精度的关系 我们所提出的参数可调的宽带混沌阵列检测方案。这一方案改进了原有的混 沌检测方案，使其能够进行宽带信号的检测，同时基于相轨迹分布判定混沌状态 3 2 等使得我们的方案能够应用于自动化的工业测试中。而其在认知无线电技术中应 用，相比传统的频谱检测技术，具有很大的优势，特别是对于微弱信号领域的应 用。 区域分割算法相比于李亚普诺夫指数的计算以及谱分析等算法来说，其判断 方法更加简单直接、计算量小，准确率也高。但是其计算复杂度在一定程度上， 尤其是当区域分割得很多时，计算量仍然很大。基于此又提出了基于相轨迹分布 的判定算法，该算法可以只对相轨迹的某一横坐标值处的纵坐标分布进行统计分 析，通过其分布情况来判断混沌的状态，并且在m a t l a b 软件中进行了相应的仿 真。 而在认知无线电领域，使用混沌方式进行频谱检测，和传统的频谱检测手段 相比，其设计构造简单，便于工业实现以及成本的控制；混沌方式能够在极低信 噪比条件下进行信号检测，以简单的方法得到优秀的检测性能；混沌电路具有快 速的状态反应能力，能够适应快速检测的要求。综上，对于混沌方案的优势归纳 如下： 1 ：提出了宽带混沌阵列检测方案，便于工业自动化检测及认知无线电频谱 检测的物理实现； 2 ：使用基于相轨迹分布判定算法进行状态判定，计算简单，检测正确率高； 3 ：相对于传统认知无线电检测本方案简单、易于实现及成本控制，检测灵 敏度高，能够在低信噪比条件下检测信号。 3 3 4 1 引言 第四章c o g m e s h 网络中的路由协议改进 正如第二章所介绍的一样，传统的i n t e r n e t 路由协议大多是基于固定有线网 络所开发，而m e s h 网络则是一种移动的多跳无线网络，该网络不存在固定的基 础结构，因此有线网络的路由协议不能直接使用。尽管无线m e s h 网络来自于 a dh o c 网络，其继承了a dh o c 网络的大多数特点，但仍与传统移动的a dh o c 网络在移动性、能量约束、业务模式等方面有所不同，故a dh o c 网络的路由协 议也不能直接用于无线m c s h 网络。因此，研究适合m e s h 网络的路由协议在理 论和实际应用中都具有重要意义；而对现存的a dh o c 路由协议进行改进来支持 无线m e s h 网络则是一种快捷的方法。 我们知道，m e s h 网络中由于网络中节点的移动性导致拓扑结构不断变化， 以及有限带宽和电池能量问题使得与传统有线网络相比，其路由管理问题显得尤 为重要，一个匹配的路由协议将大大提高系统的整体性能。目前比较常用的路由 协议主要分为表驱动( t a b l e - - d r i v e n ) 路由协议和按需( o n - - d e m a n d ) 路由协 议。其中按需路由是指当有数据需要发送时，才开始进行路由发现过程。 比较常用的按需路由协议主要包括a o d v 、d s r 、a b r 等。在本文的分析 中我们采用d s r 路由协议。该协议主要包括路由发现和路由维护两个过程：路 由发现是指网络中源节点在网络内寻找到达目的节点的路由过程；路由维护则是 指当正在进行通信的路由发生变化失效时，路由维护通知源节点路由失效，并重 新寻找到达目的节点的过程。 对d s r 路由协议改进使其更适用于c o g m c s h 网络的研究现在已经很多，在 本章节中，为了提高通信效率，减少路由发现的次数，我们基于图论中割点的概 念对拓扑结构进行分析，从路由缓存方面出发对现在路由做了一定的改进，使其 可以提高缓存路由的准确率和效率，更理想地适应了拓扑结构的变化。仿真结果 表明该算法改进了标准d s r 路由协议的性能，保证了端到端平均时延降低的同 时提高网络的吞吐量。 4 2 路由缓存研究介绍 在d s r 路由协议的路由发现和路由维护过程中，大部分时间和带宽的花销 来自于路由发现过程中。如果每次在链路中断以后都重新寻找新的路由，会极大 3 5 地增加通信的延时和网络的负荷。因此为了避免每次都做路由发现，d s r 使用 路由缓存机制，路由缓存中记录了一条或多条在路由发现阶段或是路由监听中获 取的从源节点到目的节点的路由。当要发包时d s r 首先检查路由缓存表，如果 有到达目的节点的路由则使用它传输数据包，没有时再进行路由发现过程。但由 于无线m e s h 网络拓扑的易变性缓存表中的路径有些可能已经失效，因此，维 护路由缓存中路径的有效性对提高d s r 协议性能至关重要1 2 3 1 。 d s r 路由缓存表中的信息，除了路由发现过程中获取以外，网络中的节点 也可以通过转发的路由请求报文( r r e q ) 数据包和其它监听所得到的数据包来 获取路由信息【2 4 1 。当该点收到路由请求报文时，可以直接从缓存表中回复该路 由以作为路由响应报文( r r e p ) ，这样可以大大减少延时，从而提高系统的整体 效率。如图4 1 所示，当有数据包需要从节点a 发送到节点d 时【1 3 】，节点a 会 启动目的节点为d 的路由请求过程，获得路由a b c d ，同时节点a 也获 得了到达该路由中所有节点( 如节点b ，c ) 的路由，节点b 等中问节点也获得 了到达节点d 的路由。 同时，路由中的中间节点在收到源节点的路由请求时，如果本节点路由缓存 中有到目的节点的路由，可以直接回复r r e p 消息。如节点e 需要转发数据包 到节点d 时，当节点e 的r r e q 报文到达节点b 时，节点b 中有缓存路由b c d ，此时节点b 可以直接回复路由响应( e b c d ) 。这样一方面加快了 路由请求的响应，同时也减少了路由请求消息的广播，降低了洪泛消息在网络中 的传播数量。 i e 图4 - 1d s r 路由协议缓存技术 当网络运行段时间以后，每个节点的路由缓存中都将保存一些路由信息。 现假如节点a 中缓存有图4 2 左方的五条路径信息，当网络中的b g 链路中断 以后，缓存表中通往节点l 的路径将被删除，更新为下图中的右方列表。此时， 如果网络中需要节点a 与i 之间的通信，则需要重新启动路由发现过程。 a 一 b 一 c 一 d a 一 b 一 g 一 i 一 h a 一 b 一 c 一 h a 一 e 一 b a 一 b 一 c 当路由b g a 一 b 一 c 一 d a 一 b 一 c 一 h a 一 e 一 b a 一 b 一 c 图4 - 2 节点a 的路由缓存表结构 当前，关于路由缓存的研究已经很多，在文献3 中，作者对路由缓存表中的 路径生存时间进行了分析，包括端到端延迟、传输成功率和协议控制开销等，以 及1 r l 值对路由删除时间的影响进行了讨论。在文献6 中，作者提出了通过g p s 系统获得移动节点的位置及速度信息，预测路由的生存期，并基于该生存期对路 由缓存进行管理。 本文中，通过对路由缓存的研究，提出了基于图论中割点的概念来对缓存表 中的路由进行管理。根据缓存表中所存储路径内的节点的特性来决定该路由的保 留与删除，从而达到路由管理的目的。通过仿真可以看出，该缓存管理的性能比 较理想，大大提高了路由维护过程的效率。 4 3 基于图论中割点概念的改进路由算法 d s r 协议可以采用路由缓存策略，是与其无线广播信道特点有关的。在无 线信道中每个节点都处于“混合监听 状态【2 5 1 ，即可以听到相邻节点发出的所 有报文，包括路由请求、路由响应等。在这些报文中包含了网络内的部分路由信 息，将这些路由信息加入到监听节点的缓存表中，待需要向这些路由节点转发数 据时就可以直接使用，大大缩短了路由发现的时延，并且可以大大减少网络内的 控制报文。 在使用路由缓存带来的效率和方便时，也要对其进行适当的管理，否则不但 不能带来优化，反而会影响性能。比如在缓存表中出现过期失效的路由时，该节 点仍然会将数据包转发给错误路由，从而使得延迟加大，数据不能正确到达，并 且造成网络吞吐量下降。对于缓存的管理，主要分为缓存信息的读取、插入、和 删除。 4 3 1 图论中的割与连通度 c o g m e s h 网络中的所有节点可以视为图论中的简单图：两个节点之间有链 路存在则用图中的边来表示。这样就可以用图论理论来分析网络的拓扑结构了。 3 7 在图论里称顶点v 为图g 的割点( c u t v e r t e x ) ，如果e ( g ) ( e ( g ) 表示图中所有 边的集合) 可划分为二非空子集e 及e 2 ，使边导出子图o e i 与g e 2 恰只 有一公共顶点v ( 即g 可划分为两个恰只有一个公共顶点v 的非空图) 。显然， 当图g 无环存在时，v 为g 的割点，当且仅当( g 。v ) ( g ) ( ( g ) 为图g 中的 分支数) 。因此，当g 为无环连通图时，v 为g 的割点，当且仅当移去v 后g 变 成不连通的。由上述易见，无环连通图g 中v 为割点，当且仅当g 中存在不同 于v 的两个顶点x 和y ，使v 在g 的任一( x v ) 路上【2 6 j 。 正如图4 3 拓扑所示，如果割点a 在网络中失效，则很明显该网络被分成了 两个子网，网络间的通信将被迫中断。对于该c o g m e s h 网络来讲，就存在一个 割点a ，此节点的重要性不言自明，因此在删除缓存中的缓存路径时，包含该节 点的路径就不应被删除。 图4 - 3 割点图 在c o g m e s h 网络中很少会出现上图所述的情况，即如果网络中存在太多的 割点，那么网络健壮性很差。通常情况下，为了提高网络的健壮性，即当网络中 的一些节点遭到破坏时，仍能保持网络的连通性。在图论中有另外一个概念来表 征网络的健壮性，即连通度：当图g 中至少有两个不相邻的不同顶点时，称使g 变成不连通所需去掉的最少顶点数为g 的连通度( c o n n e c t i v i t y ) ，记为k ( g ) 。即， k ( g ) 就是g 的所有k 点割中的最小k 1 2 6 1 。 7 ”。t 、 j 图4 - 4 实际c o g m e s h 网络示例图 如上图，即使图中的a 点不能工作，仍然存在b 点，使两个虚线内的子网 保持连通。这样对两个子网来讲，其连通度就是2 。该图不存在割点，但对于点 a 和点b 来讲，它们在网络中的地位类似于割点。因此在本文中我们将这两个 点称作类割点。 本文引进了图论中割点的概念，依据网络的拓扑结构来决定保留或删除缓存 中的路由信息。通过仿真结果可以得知，在网络连通度比较小的情况下，该方法 有很大的优势和效果。 4 3 2 路由缓存算法改进 对路由缓存的管理主要包括路由读取，新路由插入及路由删除。此时需要对 节点的路由缓存表进行更新，具体的更新过程如下： 读取：当节点需要发送数据时，从缓存表中寻找出可到达目的节点的一条路 由。该路由需要是缓存表中满足要求的一条；如果不存在则需要进行路由发 现过程。 插入：标准d s r 协议对路由缓存的更新不是很理想。在本文中我们作了如 下改进：当网络中节点监听到新的路由时，会与缓存表中的路由进行比较， 计算出当前缓存表中可以删除的路由后，就会用新路由取而代之。 删除：标准d s r 协议中当路由缓存表已满并且有新