（信号与信息处理专业论文）认知无线电网络路由协议优化方案设计与实现.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内锌和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图二括馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期于u ( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，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。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：整型! 匿日 导师签名：i 圭鸡日 强；如| 2 旦 认如允线l u m 络路由协c 义优化方案改汁j 实现 中文摘嫠 认知无线电网络路由协议优化方案设计与实现 中文摘要 在认知无线网络巾，若频率的授权用户不在使用其授权频率，则非授权用户可 以机会式接入该频率工作，从而提高频谱利用率。若授权用户恢复使用其授权频率， 则附近使用该频率的相关非授权用户需及时避让，以免对授权用户形成干扰。这个 过程可能导致原认知叫络某个路由上的工作频率不能继续被使用，从而使得非授权 用户原已建立的某条路山失效。由于基于a dh o c 的认知无线网络的路由建立是一 个相对复杂的过程，如何减少重新建立路由的次数，减少频繁切换频率的次数，尽 量维护原路由的正常工作，成为一个值得研究的问题。 本文针对a dh o c 认知无线网络路由维护的具体需求，对认知网络路由的工作环 境和工作特点进行了深入研究。主要工作和创新点如下： 1 通过查阅大量文献资料，对国内外认知无线网络路由设计现状有较全面的了 解，根据目前认知无线网络中的路由协议研究成果进行了资料收集学习，分析了特 点及优劣。 2 从整体上提出了一种优化的路由维护方案。方案设计当某一非授权用户在工 作过程中测得其工作频率的授权用户在使用该频率时，该非授权用户暂停数据发送， 采用一定的检测方式和计算方法对授权用户的运动信息进行检测和计算，对授权用 户在未来一段时i 日j 内的运动趋势进行预测。根据授权用户的运动趋势，结合自己的 运动速度，非授权用户计算判断选择何种方式进行避让。 3 利用o p n e t 详细设计了认知无线网络各节点功能。认知无线网络中非授权用 户节点功能包括其作为源= 常点产生有效数据，发起数据传送的功能：作为中间节点转 发数据的功能：作为目的节点接收数据，处理数据和发送应答的功能；作为其他非授 权用户的邻居节点协同检测功能。认知无线网络中授权用户节点具有发送数据和按照 一定的轨迹运动的功能。本文对各节点的各种功能进行了描述和编程实现。 4 介绍了现有基本定位算法，并针对本网络的工作特点，选择了基于r s s i 的定 位方法。对于定位所需参数的收集，本设计采用了协同检测方法，由非授权用户联合 中义摘要认知尢线j e l , , j 络路由协议优化方案设计。j 实现 其邻居节点共同完成定位过程。本文对协f 一枪测的具体实现作了详细的设汁。 5 在非授权用户完成对授杖用户跟踪定位，得到该授权用户运动轨迹中的若干 位置后，非授权用户根据这些位置对授权用户的运动轨迹进行拟合和估计。本文设计 了两种拟合方法，并且对这两种方法的算法实现和拟合效果进行了介绍和对比。 6 本文给出了退避算法的详细设计，包括非授权用户避让位置的获得以及避让 时间的计算，进而根据所得避让时问判断非授权用户应该采取何种避让方式。 本文采l - o p n e t l i x 络仿真软件对a dh o c 的认知无线网络场景进行了搭建和仿 真，并对仿真结果进行了方案的可行性分析。仿真结果显示，非授权用户可以准确对 移动的授权用户进行跟踪定位和轨迹拟合，并且可以根据退避算法计算所得的避让位 置和避让时间判断采取合适的避让方式。本文提出的路由维护方案一方面有效地减小 了a dh o c 的认知无线网络中认知路由的失效率，维持原认知路由上数据持续高效地 传送，另一方面也不会影响到授权用户对其授权频率的使用。 关键词：认知无线电路由维护定位算法协同检测轨迹拟合退避算法 作者：赵雄鹰 指导教师：汪一鸣 o , 太tj 无线i u h 络路r f 】协议优化方r 粲没计j 实现 英殳摘要 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo p t i m i z i n gr o u t ep r o t o c o l i nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yi nt h ec o g n i t i v en e t w o r k ，t h eu n a u t h o r i z e d u s e ri s a ll o w e dt ou s et h ef r e q u e n c yw h e ni ti sn o tu s e db yi t sa u t h o r i z e du s e r w h e nt h e a u t h o r i z e du s e rs t a r t st or e u s ei t s f r e q u e n c y , t h eu n a u t h o r i z e du s e r sa r o u n ds h o u l ds t o p u s i n gt h ef r e q u e n c yi m m e d i a t e l ys ot h a tt h ew o r ko ft h ea u t h o r i z e du s e rw o u l dn o tb e d i s t u r b e d t h i sp r o c e s sa b o v ew i l l p r o b a b l yc a u s et h a tt h ew o r k i n gf r e q u e n c yc a n t c o n t i n u et ob eu s e di ns a m er o u t i n g si nt h ec o g n i t i v en e t w o r k t h eo r i g i n a lr o u t i n gw i l lb e f a i l e d a st h ef o u n d a t i o no ft h er o u t i n gi nc o g n i t i v en e t w o r ki sv e r yc o m p l e x ，s oh o wt o r e d u c et h et i m e st oe s t a b l i s har o u t i n ga n dh o wt or e d u c et h et i m e st os w i t c hf r e q u e n c i e si n c o g n i t i v en e t w o r kt om a i n t a i nt h eo r i g i n a lr o u t i n gh a sb e c o m ea ni s s u ew h i c hi sw o r t h s t u d y i n g b a s e do nt h es p e c i f i cn e e d so fr o u t i n gm a i n t e n a n c ei nt h ec o g n i t i v en e t w o r k ，t h i s t h e s i ss t u d i e dt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o u t i n g t h e m a i nw o r ka n di n n o v a t i o np o i n t sa sf o l l o w s ： 1 b yr e a d i n gl o t so fa r t i c l e s ，w ek n o wq u i tw e l la b o u tt h er e s e a r c hr e s u l t si nr o u t i n g i nc o g n i t i v en e t w o r kb o t hh o m ea n da b o a r d t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec u r r e n tr o u t i n gp r o t o c o l r e s e a r c hr e s u l t sa n da n a l y z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 2 t h i sp a p e rp r o p o s e sa no p t i m i z e dd e s i g no fr o u t i n gm a i n t e n a n c ea saw h o l e t h i s d e s i g ni sd e s c r i b e df i t sf o l l o w s ：w h e na nu n a u t h o r i z e du s e rd e t e c t sh i sw o r k i n gf r e q u e n c y b e i n gr e u s e db yt h ea u t h o r i z e du s e r , t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l ds t o pt r a n s m i t t i n gt h ed a t a i nh i sp r e s e n tf r e q u e n c yi m m e d i a t e l ya n dt h e nt e s tt h ei n f o r m a t i o no ft h em o v e m e n to ft h e a u t h o r i z e du s e rb ys p e c i f i cm e a s u r e m e n tm e t h o da n dc a l c u l a t i o nm e t h o d ，e s t i m a t et h e m o v e m e n to ft h ea u t h o r i z e du s e ri nt h en e x ts t e p b yt h ea u t h o r i z e du s e r sm o v e m e n ti n t r e n d sa n dt h eu n a u t h o r i z e du s e r so w n s p e e d ，t h eu n a u t h o r i z e du s e rc a l c u l a t e sa n dj u d g e s t oc h o o s ew h i c hw a yt od ot h ea v o i d i n g 3 i td e t a i l e dd e s i g n se a c hn o d ef u n c t i o n si nc o g n i t i v en e t w o r kb yu s i n go p n e t i n c o g n i t i v en e t w o r k ，e a c hu n a u t h o r i z e du s e rh a sm u l t i p l ef u n c t i o n s a st h es o u r c eo ft h ed a t a ， t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l dg e n e r a t et h ed a t aa n ds t a r tt ot r a n s m i ti t a st h em i d d l en o d e ， t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l dt r a n s m i tt h ed a t ai tr e c e i v e s a st h ed e s t i n a t i o no ft h ed a t a ， i i r 英文摘要 认知尢线f u 网络路由协议优化方案设汁h 茎现 t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l da c c e p ta n dd e a lw i t ht h ed a t a a st h en e i g h b o ro fo t h e r u n a u t h o r i z e du s e r s t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l dh a v et h ec o l l a b o r a t i v et e s tf u n c t i o n i n t h ec o g n i t i v en e t w o r k ，t h ea u t h o r i z e du s e rc a nm o v ea n du s eh i sf r e q u e n c ya n y t i m ei t w a n t s w ed e s c r i b ea n dp r o g r a mt h ef u n c t i o n so f e a c hn o d e 4 i ti n t r o d u c e ss o m e e x i s t i n g l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m a n dc h o o s e st h er s s i l o c a l i z a t i o na l g o r i t h ma c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i sn e t w o r k t h ed e s i g nu s e st h e c o l l a b o r a t i v et e s tm e t h o dt og e tt h ep a r a m e t e r s t h el o c a l i z a t i o ni si m p l e m e n t e dt o g e t h e r b yb o t ht h eu n a u t h o r i z e du s e ra n dh i sn e i g h b o rn o d e s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r o c e s si n d e t a i l 5 a f t e rl o c a t i n gt h ea u t h o r i z e du s e r , t h eu n a u t h o r i z e du s e rs h o u l df i ta n de s t i m a t e t h em o t i o np a t ho ft h ea u t h o r i z e du s e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st w om e t h o d st of i t a n d e s t i m a t et h et r a c k ，a n dc o m p a r e st h e i rr e s u l t s 6 t h i sp a p e rg i v e st h ed e t a i l e dd e s i g no fc o l l i s i o na v o i d i n gm e t h o d ，i n c l u d i n gt h e t i m ec a l c u l a t i o na n dt h en e wp o s i t i o ne s t i m a t i o n t h u s ，a c c o r d i n gt h er e t r e a tt i m e ，t h e u n a u t h o r i z e du s e rc h o o s e sh o wt oa v o i dt h ec o l l i s i o n i nt h i sp a p e r , t h eo p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt ob u i l da n ds i m u l a t e t h es c e n ea n da n a l y z et h er e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu n a u t h o r i z e du s e r sc a n a c c u r a t e l yl o c a t et h ea u t h o r i z e du s e ra n df i th i st r a j e c t o r y , a n dc h o o s et h ea p p r o p r i a t ew a y t oa v o i dt h ef r e q u e n c yc o l l i s i o n t h ep r o p o s e dr o u t i n gm a i n t e n a n c es c h e m eo no n eh a n d e f f e c t i v e l yr e d u c e st h er o u t i n gf a i l u r er a t ei na dh o ec o g n i t i v en e t w o r ka n dm a i n t a i n st h e o r i g i n a lc o g n i t i v er o u t i n gf o rt r a n s m i t t i n gd a t a ，o nt h eo t h e rh a n d ，a l s ow o n ta f f e c t t h e a u t h o r i z e du s e ru s i n gi t sf r e q u e n c ya n y t i m ei tw a n t s k e y w o r d s ：c o g n i t i v e n e t w o r k r o u t i n g m a i n t e n a n c e l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m c o l l a b o r a t i v et e s t t r a c kf i t t i n gr e t r e a t sa l g o r i t h m i v w r i t t e n b y ：z h a ox i o n g y i n g s u p e r v i s e db y ：w a n gy i m i n g 目录 第一章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3应用前景2 1 4棚关名词2 1 5 系统功能设定3 1 6 项目日柄4 1 7 研究的主要内容4 第二章路由维护方案设计6 2 1 方案设计6 2 2 系统主要任务：7 2 3 认知用户的基本功能8 2 4 问题思考9 2 5 本章小结1 0 第三章 认知无线网络节点设计1 l 3 1 o p n e t 应用领域l l 3 2 o p n e t 涵盖功能1 2 3 3 o p n e t 突出特点1 2 3 4 认知用户源节点功能设计一1 3 3 5 认知用户路由功能设计1 4 3 5 1 数掘处理模块1 5 3 5 2 主用户存在检测模块1 6 3 5 3 定位模块1 6 3 6 认知用户目的节点功能设计1 7 3 7 认知用户邻居节点功能设计1 8 3 8 主用户节点功能设计。1 9 3 9 认知用户转发点工作过程及程序实现1 9 3 1 0 认知路山数据格式2 l 3 1 l 协同检测数据格式2 l 3 1 2 认知用户路由功能中内部模块问数据格式2 2 3 1 3 本章小结2 2 第四章系统定位算法设计：2 4 4 1 无线定位基本算法2 4 4 1 1 基于t o a ( 达到时间) 的定位2 4 4 1 2 基于t d o a ( 到达时间差) 的定位2 5 4 1 3 基于a o a ( 到达角度) 的定位2 5 4 1 4 基于r s s i ( 接收信号强度指示) 的定位2 6 4 1 5 混合定位技术2 6 4 2 系统定位方案设计2 6 4 3 定位算法设计及结果分析2 8 4 4 本章小结2 9 第五章轨迹拟合算法与避让算法设计3 l 5 1 算法1 原理3 l 5 2 算法l 步骤3 l 5 3 算法l 效果3 4 5 4 算法2 原理3 5 5 5轨迹修讵3 6 5 6 算法2 效果3 6 5 7 避让设计原理3 8 5 8 本章小结3 9 第六馥仿真及结果分析4 0 6 1 仿真阀络总架构4 0 6 2 各节点的节点域建模4 l 6 3 仿真结果4 4 6 4 本章小结4 6 第七章总结与展望4 7 7 1课题总结4 7 7 2 课题展望4 7 铝铊 舛 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 丈日一 论项的研衷科发的丌与公参 tjj ，=-期期位位学学 献十士 文硕颁谢 考滇漠 参攻攻致 认知无线l 乜络路f 1 】m 议优化方粲设计o j 实现第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论弟一早珀 下匕 认知尢线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念f l j j o s e p hm i t o l a 于1 9 9 9 年首先提出【l 2 l ， 并在其博士论文中对此作了进步的闸述【3 i 。认知无线电作为一种新型的频谱共享技 术，通过智能感知并机会式利用授卡义频段中的频谱空洞( 即已分配给授权用户但未被 其占用的空闲频谱) ，实现不可再生频谱资源的再次利用，为有效解决当今无线网络 中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛盾丌辟了新的途径，是解决通信发展瓶颈问 题的关键技术。路山研究是认知无线网络研究的一个重要方面。由于频谱动态接入带 来的节点可用信道随时问和空问变化的特性，使得认知无线网络路由问题呈现出不同 于传统网络的特质，在研究方法上也有重要的区别。现有路由协议如d s r l 4 i ( d y n a m i c s o u r c er o u t i n g ，d s r ) 、a o d v l 5 1 ( a dh o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ，a o d v ) 等在认知无线网络中失去原有的性能。所以需要设计能够反映认知无线网络特点及适 应于在认知无线网络中工作的路由算法和协议。 1 2 国内外研究现状 目前关于认知无线网络中的路由协议研究成果1 6 。2 7 1 主要可以分成两类：一类主要 集中在路由拓扑算法和协议的设计上，一般也同时提出了路由的优化方案；另一类主 要集中在路由优化方案的设计和实现上，对于路由算法和协议本身考虑得并不多。文 献 2 8 1 考虑了从源节点到目的节点路径上信道切换次数和信道可使用概率，从最小延 时和使用可用概率最高的信道两个方面建立路由。文献 2 9 1 描述了一种非控制信道依 赖型按需路由协议一m s c r p ( m u l t i m o ps i n g l e - t r a n s c e i v e rc r nr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。文献 【3 0 1 综合考虑了链路分配、信道干扰、节点无线电接口限制和多径路由流量限制，运 用混合整数线性规戈l j ( m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ，m i l p ) 方法优化了路由算法。 文献 3 1 1 考虑了同步丌销、能耗、多用户、链路可靠性、负载均衡等因素定义了路由 丌销函数，对路由算法进行了优化。以上协议都是在路由建立上进行设计和优化。然 而随着可用信道的动态变化，认知路由将不可避免的面临建立和撤销，不利于原认知 路由上数据持续流畅的传送。所以，本文从认知路由上数据传送的持续流畅性方面提 第一章绪论 认知光线l u 网络路由协议优化方案设计j 实现 出了一种改进的路由维护方法。 1 3 应用前景 当今，学术界和产业界对认知无线电和认知网络技术的研究正如火如荼地进行， 虽然该项技术实际投入使用尚有一定的距离，但必将为通信产业的未来发展超到积极 的推动作用。基于学习与预测的路由理论和算法的研究，是认知网络技术不可或缺的 组成部分，不仅具有重要的学术研究价值，更为实际系统提供相应的技术支撑，势必 具有广阔的应用前景。例如，在a dh o c 网络中，授权用户和非授权用户不是敌对的， 授权用户享有频率优先使用权，非授权用户从属于授权用户，只能在不干扰授权用户 行为的情况下工作。军事活动中，在复杂的电磁环境下，若其他频段都受到敌方大功 率压制，则只能使用授权用户的频段，那么，作为单兵或者车载的非授权用户做出一 点退让( 如非授权用户是后勤保障，没有授权用户的任务急迫) ，也是合情合理的。 1 4 相关名词 认知用户 认知用户指没有向频谱管理部门购买固定频段使用的用户，是频段的非授权用 户。这些用户具有认知功能，可以对当前某些频段进行检测与分析，掌握当前某一频 段中各个频率的使用情况。认知用户既可以使用免申请公用频段如4 3 3 m h z 或 2 4 g h z ，也可以使用政府规定的在空闲期问，允许认知用户接入的一些授权频段。 本设计中，每个认知用户都有五个基本功能：1 ) 作为信源发起数据传送；2 ) 作为信 宿接收数据返回应答：3 ) 作为路山器转发数据；4 ) 移动用户：5 ) 作为邻居节点协 同检测功能。 主用户 与认知用户相对的是主用户，主用户是指向频谱管理部门购买固定频段使f j 的 用户，是频段的授权用户。主用户可以随时随地使用其授权频段，不能受到任何其它 用户的干扰。本设计中，主用户的授权频段在空闲期问是允许认知用户接入使月j 的， 并且主用户也是可移动用户。 邻居节点 对于某一认知用户，在其射频覆盖范围内的其他认知用户称为其邻居节点。当 2 认知尢线i u 叫络路巾协c 义优化方案砹汁j 实现第一章绪论 某一认知用户作为邻居节点时，该j f j 户将启动其作为邻居节点的柏关模块，协i 司其他 认炙t lj l j 户完成对卜j j 户运动的f ! 踪定位工作。 数据分组 数据分组是在认矢l j 路由上传送的数据，由源节点产生，包含源节点网络地址、 日标节点刚络地址、序号、有效数据等信息，经过认知路由中各节点转发，最终由目 的节点接收和处理。 小应答 认知路由中，认知用户在某一时刻可能处于循环枪测等待接收的状态。此时， 当上一用户给该用户发送数据时，若信道不匹配，本用户将无法及时接收。所以，本 方案在链路通信过程中添加了小应答功能。当认知用户收到有效数据后，需要给该数 据的发送方发送一帧小应答。若该数据的发送方不能及时收到小应答，则发送方将不 断启用数据重发功能，直到收到该数据的小应答。小应答功能确保了链路通信有效。 应答分组 目的节点接收到源节点的数据后，需要给源节点发送应答，该应答称为应答分组。 应答分组包含了目的节点网络地址，序号，应答标志等信息。应答分组和数据分组部 是需由中间节点转发的数据。 1 5 系统功能设定 1 认知用户可在所有可使用频段上进行检测，选择其中最优频率工作。但在实 际应用中，为了提高效率，认知用户在某一区域只选择某些空闲频率较高，接入机会 较大的频段进行检测。本网络仿真过程中只考虑了3 个可选频率，f l ，f 2 ，f 3 ，以提 高网络仿真的运行效率。 2 本方案足对已建路由维护方法的优化，所以本方案的设计基于一条已知的认 知路由，女h s - a - b - - d ，其中s 、a 、b d 部足认知用户。在建立时，每一个认 知用户都要建立一张路由表，维护该用户在各条路由中与自己相邻的用户的网络地址 以及地理位置，以便在转发数据时正确选择数据的传送方向。同时，在路由建立时， 为经过该认知用户的所有路由设定不同的标志，这些信息需要随着网络拓扑结构的变 化而及时更新。 3 第一章绪论认知无线i u 网络路由协议优化方案设计。j 实现 1 6 项目目标 为了尽量减小认知无线j q 络中认知路由的失效率，本文将通过本方案的设计实 现当主用户恢复使用其授权频率时，在干扰范围内的使用该频率的认知用户将通过原 地等待或与主用户的桐对移动实现认知路由的维护。实现方式为当主用户恢复使 j 其 授权频率时，认知用户对主用户的运动信息进行检测，对主用户的运动趋势进行预测， 进而通过退避算法计算避让位置和避让时问。最后根据避让时问和避让位置选择合适 的避让方式，以使主用户可在无干扰条件下随时使用其授权频率，一j 时认知用户也能 在无干扰条件下继续使用该频率传送数据。 1 7 研究的主要内容 全文共分七章，主要研究工作及章节安排如下： 第_ 章绪沦绪论部分主要介绍了课题的研究背景意义、国内外发展现状以 及应用前景等。在叙述该方案时将使用一些特定的名词术语，本章也做了详细的解释。 由于该课题重在对认知路由维护方案的优化，而非认知路由的建立，所以在设计前， 本章对方案设计的前提条件进行了设定。 第二章路由维护方案设计本章主要说明了方案的设计原理，对设计中将要 完成的任务进行了划分，同时对设计中可能出现的问题进行了思考并给出了相应的解 决方法。 第三章 认知无线网络节点设计本方案将采用o p n e t 网络仿真软件进行网 络场景的搭建与仿真，故本章首先对o p n e t 涵盖的多种功能以及应用领域等作了简 要介绍。在a dh o c 认知无线网络中，所有认知用户都具备相同的功能。作为源节点， 认知用户具有发起数据传送的功能；作为路山中问节点，认知用户具彳f 数掘转发功能： 作为目的节点，认知用户具有接收数捌返f u 】应答功能；作为邻居节点，认知用户具有 协同检测的功能。本章就认知用户的各个功能采用o p n e t 网络仿真软件进行详细的 设计，同时也对主用户的节点功能进行了设计。由于该方案重在对认知用户路由功能 的设计，所以本章给出了认知用户路由功能的具体实现过程。最后本章对该网络中不 同对象之| 1 日j 传送的数据包格式分别进行了说明。 第四章系统定位算法设计现有的基本定位算法有多种，本章对这几种基本 的定位算法进行了简要的介绍。针对本网络的工作环境和工作特点，选择了其中一种 4 认，：【j 光线i u m 络路1 1 1 协议优化办案设计i j 实现 笫一市绪论 基本算法基于r s s i 的定位。若能先验知道主用户的射频发射功率，则认知用户可 以通过三个检测点对主用广1 进行定位。但是在实际应用中，主用户的射频发射功率不 能被先验得知，所以设计采用协同检测法对主用户进行定位。本章对该定位过程以及 定位的具体算法进行了详细的叙述。 第五章轨迹拟合算法与避让算法设计对主用户运动过程进行跟踪定位得 到其运动轨迹中的若干位胃后，认知用户将根据这些位置对主用户的运动轨迹进行拟 合和估计。本章设计了两种拟合方法，对这两种方法的实现步骤分别作了介绍，并对 两种方法的拟合效果进行了分析与比较。根据拟合结果，选择定位误差最小的两个位 置估算主用户的运动速度。最后，本方案设计了认知用户退避算法。认知用户通过采 用相关退避算法得到其避让位置和避让时间，并且对所得结果进行分析，以此为根据 选择合适的避让方式。认知用户可以采取的避让方式有四种：一是暂停数据发送，原 地等待实现避让；二是通过与授权用户的相对移动实现避让：三是通过切换频率实现 避让；四是通过放弃原路由实现避让。本章针对认知用户的避让位置和避让时f n j 的计 算以及避让方式的选择进行了详细的说明。 第六章仿真及结果分析 根据认知用户路由维护方案的设计原理利用 o p n e t i x x j 络仿真软件进行模拟场景的搭建以及各个用户节点功能的编程实现，最后 对仿真的结果进行了方案的可行性分析。 第七章总结与展望对全文进行了总结，并对该方案的发展方向进行了展 塑。 5 第：帝路由维护力案设计认知无线i 也i 叫络路由协议优化方案设计。j 实现 2 1方案设计 第二章路由维护方案设计 如图2 一l 所示，假设已知一条认知用户路【l j s u s 、s u i 、s u 2 、s u 3 、s u r ， s u x 为认知用户节点，p u 为主用户节点，v 为主用户的运动速度，双线箭头为主用户 的运动方向。虚线圆是认知用户节点的发射功率覆盖范围，实线圆是主用户的发射功 率覆盖范围。点m ，n 为s u 2 的相邻两节点s u i 、s u 3 圆形覆盖范再l 的两个交点。假设 当前可用频率有f l ，f 2 ，f 3 ，其中f l 为p u 的授权频率，同时在认知用户路由中，s u 2 当前使用的频率为p u 的授权频率f l 。在每次转发数据前，s u 2 需要对频率f l 进行检 测，若此时p u 丌始工作，s u 2 将检测至i j p u 的存在。如果s u 2 继续在f l 上转发数据， 那么数据在传送过程中将与p u 发送的数据发生干扰，因而s u 2 需要回避，此时原认知 用户路由面临着失效与重建。为了尽量减小认知用户路由失效重建的频率，维持认知 用户路由上数据高效地传输，本文提出了一种改进的退避方法。当s u 2 检测到p u 在使 用授权频牢f l 后，通过一定的检测方法收集相关参数估算p u 的运动速度、运动方向、 射频覆盖范围等信息，进而采用退避算法对这些信息进行计算和判断。若判断结果显 示，通过s u 2 与p u 的相对移动，p u 在未来一段时l 日j 内将离丌与s u 2 的干扰范围。若避 让时间极短，s u 2 可以原地等待；若避让时间较长，但是在认知用户可接受范围内， s u 2 就采用地理位置的相对移动( 如图中虚线箭头所示) 实现避让。为提高运行的可 靠性，避让时问结束后，s u 2 需要再次对p u 存在进行检测，只有当检测到p u 确实不 在干扰范围内，s u 2 j 继续转发数据。若判断结果显示，通过s u 2 与p u 的棚对移动， p u 在未来较长一段时问内都不会离y r - 与s u 2 的干扰范围，则s u 2 将切换j = 作频率发送 数据。若在切换过程中没有可用频率，贝t j s u 2 放弃当前路山。 6 先不考虑隐藏终端3 2 i 和暴露终端i 3 3 1 的问题，认知川，、，的避让距离应为主用户的 发射功率覆盖范围与认知用户的发射功率覆盖范围之交集。考虑到认知用户先是检测 到主用户的存在再对主用户进行定位，所以主用户第一次出现的位置与认知用户的距 离小于主用户的发射功率覆盖半径。 如图2 一l 所示，当主用户p u 靠近时，p u 与s u 2 的距离越来越小，数据碰撞几率越 来越高。又由于认知用户s u 2 的避让范围不能超出其相邻两节点( s u l , s u 3 ) 发射功 率覆盖范围的重叠区域( 图中阴影部分) ，所以在主用户p u 靠近的过程中，s u 2 不能 完全避让。当主用户远离的时候，认知用户可以根据主用户实际的运动方向在图中阴 影部分实施避让。通过原地等待或者地理位置的相对移动实现避让，原认知用户路由 都不需要改变。 2 2 系统主要任务 1 根据方案实现目标对网络场景进行搭建，场景搭建的对象包括一条已知的认 知路由，一个主用户和若干认知用户邻居节点。搭建过程中需要对每个节点进行三层 建模，包括网络域的布置，节点域的配置以及进程域的编程实现。其中主用户除三层 建模外，还需进行运动轨迹以及运动速度的设定。 2 针对本方案设计的网络，选择一种合适的定位算法，确定算法所需参数。 3 根据定位算法所需参数设计该认知无线网络的十目关信息收集功能，包括信息 7 r u11，s 、 、 ， 、 l ， 、 、 ， ， ， ， ， 第一二章路山维护方案没汁认知 尢线i 乜网络路i j i 协议优化方案设计j 实现 收集的实现方式以及信息收集过程中相关通信协议的设计。 4 确定主用户运动轨迹中的若干位置后，认知用户对主用户的运动轨迹进行拟 合与预测。本方案将设计轨迹拟合方法，并在得到轨迹拟合的结果后，估算主用户的 运动速度。 5 根据主用户的运动情况，对选择避让方式的判断依据进行设计，以使认知用 户能选择合适的避让方式。 6 针对方案的设计原理进行网络场景的仿真，根据仿真结果，对方案的可行性 进行分析。 2 3 认知用户的基本功能 1 信道冲突检测功能 信道冲突检测功能即载波监听【3 4 1 功能。在认知无线网络中，每个认知用户都具备 载波监听功能。利用此功能，认知用户可以检测当前某些频段上各个频率的使用情况， 进而选择其中最优频率工作。认知用户通过载波监听功能避免了在频率使用过程中与 相应主用户之问产生信道冲突。 2 接收信号强度检测功能 本网络中将采用肇于r s s i 的定位，所以该网络中所有认知用户都需具备对主用户 信号强度检测的功能，即每个认知用户不仅能够检测到主用户信号的存在，而且能检 测到在该地理位置上接收到的主用户信号的场强值。 3 计时功能 在对主用户的运动轨迹拟合得到主用，_ 的运动轨迹后，需估算主用户的运动速 度。主用户的运动速度可以通过两个位置之问的路程差以及运动时间得到，所以，认 知用户还需具备计时功能。 4 节点移动功能 在a dh o c 认知无线网络中，主用户既可以是移动用户也可以是非移动月j 户，而 所有的认知用户都是移动用户。路山维护避让方式之一是认知用户通过地理位置的相 对移动实现频率的避让，因而，该网络中的所有认知用户都需具