ineseComputerSystems2010年7月第7期Vo1.
31No.
72010认知无线电网络路由协议综述张龙,周贤伟,王建萍(北京科技大学信息工程学院,北京100083)E—mail:iceberg206@163.
com摘要:认知无线电网络中的节点具有动态频谱接入的特点,进而产生可用频谱的不规则性,这与传统无线多跳网络有很大不同,从而导致了认知无线电网络路由面临新的挑战.
在介绍认知无线电网络路由的特点之后,对路由协议进行了初步分类.
然后着重分析了目前认知无线电网络较为重要的路由协议的主要机制,详细比较了路由协议的主要类别和特点,最后总结了好的认知无线电网络路由协议的特点,并对未来发展趋势进行了初步展望.
关键词:认知无线电网络;动态频谱接入;开放频谱;路由协议中图分类号:TP929.
5文献标识码:A文章编号:1000-1220(2010)07—1254-07RoutingProtocolsforCognitiveRadioNetworks:aSurveyZHANGLong.
ZHOUXian—wei,WANGJian—ping(SchoolofInformationEngineering,UnwemiqofScienceandTechnologyBeijing.
Beifing100083-China)Abstract:Nodesincognitiveradionetworksarecharacterizedbydynamicspectrumaccess.
whichresultsinspectrumheterogeneity.
Routingincognitiveradionetworksisconfrontedwithnewchallenges,giventhatthedifferencesbetweencognitiveradionetworksandtraditionalmulti·hopwirelessnetworks.
Afterdescribingthecharacteristicsofroutingincognitiveradionetworks-theclassifica-tionstandardsforroutingprotocolsarepresented.
Thenthekeymechanismsoftheexistingrepresentativeroutingprotocolsareana-lyzed,andtheirclassificationsandcharacteristicsalecompared.
Finally.
theimportantfeaturesthatgoodroutingprotocolspossessaresummarized.
andthefutureresearchtrendsareforeseentomotivatenewresearchanddevelopmentinthisarea.
Keywords:cognitiveradionetworks;dynamicspectrumaccess;openspectrum;routingprotocol1引言随着无线通信技术的飞速发展,可用的频谱资源变得越来越稀缺,无法满足不断增长的需求.
然而研究表明…,已分配频谱(小于3GHz)的利用率在时间和空间上从不足15%变化到85%,大于3GHz的频谱则几乎未被利用.
可见,采用传统固定分配方式的频谱资源并未被充分利用.
为了解决频谱利用率低和满足日益增长的业务需求,采用动态频谱接入(dynamicspectrumaccess,DSA)的认知无线电(cognitiveradio,CR)技术刮应运而生.
CR是一种智能无线通信系统,认知用户能够感知外部环境,在不对主用户产生干扰的前提下,以机会方式动态地接入可用授权频段内,从而提高频谱利用率.
认知无线电网络(cognitiveradionetworks,CRN),又称动态频谱接入网络j、可编程无线网络(programmablewirelessnetworks,ProWin)J,其节点具有认知和重配置能力,能够实现频谱感知、频谱快速切换、信息实时传输、信道状态学习等功能』.
CRN与传统无线多跳网络的最大区别在于:前者的可用频谱是不规则的,是非静态分配的,并且CRN节点之间的可用频谱随着时问、空间和地理位置不断变化;后者采用静态频谱接人,使用固定分配的频谱进行通信.
CRN动态频谱接入特性使得传统无线多跳网络的路由协议不能直接应用于CRN,其路由面临着新的挑战:①可用频谱是非固定的、非静态的,路由需要与频谱感知密切联系;②可用频谱的时变特点使得网络拓扑结构动态地变化¨叫;③频谱切换导致切换时延,对处在相同信道上的节点,产生隐藏终端和暴露终端问题,从而引入退避时延lI,同时,还造成了路由的不稳定;④路由设计应能解决多频段并行传输的问题;⑤频谱切换可能使得两个节点处在不同信道上,产生"耳聋"问题(deafnessproblem),导致二者不能通信和网络性能下降,影响CRN路由设计.
本文首先对CRN路由协议进行了分类,然后着重分析了目前CRN较为重要的路由协议的主要机制,从主要类别和特点2方面详细比较了CRN路由协议,最后对未来发展趋势进行了初步展望.
2认知无线电网络路由协议分类CRN路由协议的主要任务是源节点与目的节点问的路收稿日期:2009-04-02收修改稿日期:2009-05-25基金项目:国家自然科学基金项目(60773074,60903004,60902042)资助;国家"八六三"高技术研究发展计划项目(2009AA01Z209)资助.
作者简介:张龙.
男,1983年生,博士研究生,研究方向为容迟与容断网络,认知无线电网络,空问通信,未来信息网络;周贤伟.
男,1963年生,博士后,教授,博士生导师,研究方向为认知无线电,通信网安全,下一代网络、通信中的调度理论;王建萍.
女,1974年生,博士后,副教授,研究方向为光纤通信,微波光子学,下一代网络.
7期张龙等:认知无线电网络路由协议综述1255由选择,其设计目标应满足应用的需求,同时路由选择要求可靠、高效、复杂度低和开销较小.
本文在归纳总结CRN路由协议现有研究成果的基础上,从拓扑信息、路由跳数、层间合作、公共控制信道、CRN稳定状况、路由选择策略、频谱切换敏感性、链路特性、节点间位置关系和路由处理控制方式等方面初步对CRN路由协议进行了分类.
①根据拓扑信息,可分为先验式路由协议和反应式路由协议.
前者采用基于表驱动的方法,节点需要维护整个网络的路由表,没有反应时延,但开销大;后者采用按需方法¨"],开销小,但有一定的反应时延.
②根据路由跳数,可分为单跳路由协议和多跳路由协议.
前者适用于无线单跳网络,如蜂窝网络;后者适用于无线多跳网络,目前CRN路由协议研究主要针对多跳网络.
·,'.
③根据物理层、MAC层和网络层是否合作,可分为合作式跨层路由协议,r",t,.
.
和非合作式层问独立路由协议.
前者将路由选择、频谱感知和频谱管理综合设计,相互依赖,形成有机体;后者将路由选择、频谱感知和频谱管理独立在各层分开设计.
④根据CRN是否存在公共控制信道(commoncontrolchannel,CCC),可分为有CCC路由协议.
和无CCC路由协议j.
前者每个节点具有1个传统无线通信接口和1个CR收发信机,每个节点通过传统无线通信接口形成CCC,在CCC上通过广播,获得邻居发现、路由发现和路由建立等控制分组;后者不考虑CCC,每个节点仅需要单个CR收发信机,降低设备成本,但路由协议设计复杂.
⑤根据CRN是否稳定,可分为静态CRN路由协议和移动CRN路由协议.
前者通过链路状态广播和距离向量交换获得可用频谱和邻居发现等信息;后者采用先验式或反应式路由机制获得可用频谱和邻居发现等信息.
⑥根据路由选择策略,可分为基于目的节点的路由协议和基于源节点的路由协议.
前者需要通过CCC维护路由表交换、广播路由请求(RREQ)和路由响应(RREP)报文;后者需要每个节点获得CRN所有节点的控制消息,在不采取洪泛控制消息前提下,计算到达目的节点且包含信道分配消息的局部路由,不必创建路由表和进行路由表交换,具有开销小的特点.
⑦根据频谱切换是否敏感,可分为切换敏感路由协议¨¨和切换不敏感路由协议.
前者考虑切换过多会影响路由性能,要求尽量避免过多的切换;后者考虑主动切换能够找到最佳路由,通过设定跳数门限来降低时延影响.
⑧根据链路特性,可分为静态链路路由协议和时变链路路由协议.
前者假设链路状态比较稳定;后者考虑CRN连接的间断性,更接近于实际CRN状态….
⑨根据CRN节点问相互位置关系,可分为基于簇的路由协议0引和无位置关系的路由协议.
前者将CRN分成多个不同的簇,每个簇中含有1个负责簇内接入控制与簇间分组传输的簇头以及1个具有相邻簇问桥接作用的网关节点;后者即普通的CRN路由协议.
⑩根据是1个节点负责所有节点的路由建立与维护,还是每个节点自主进行路由建立与维护,可分为集中式路由协议¨2和分布式路由协议.
前者增强网络整体性能;后者以贪婪的方式只考虑各自的路由,可能带来网络拥塞.
3认知无线电网络路由协议分析通过对CRN路由协议的研究,本文对目前较为重要的CRN路由协议的主要机制和特点等进行了分析.
(1)Wang等提出一种基于合作式路由与频谱管理的跨层路由协议.
源节点由动态源路由DSR协议执行路由发现过程,找到备用路由,并收集链路质量等信息.
采用冲突图模型对网络建模,其顶点与单跳链路对应,两个顶点的边由非同时活跃的相应链路构成.
通过路由与信道选择算法找到所有可行的信道分配组合,并估计每种组合的端到端吞吐量;通过无冲突调度算法选择最优吞吐量的路由和信道分配.
当路由与信道选择完毕时,利用不同最大独立集来解决节点传输分组时无冲突时间和信道调度问题.
调度由寻找冲突图中最大独立集的递归过程获得.
协议实现了开销与计算复杂性的折中,采用集中式体系结构进行路由和信道选择,需要网络全局拓扑信息和强大的计算能力,当网络规模很大时,集中式处理的复杂性很高,会降低网络性能.
(2)Xin等"提出一种基于分层图模型的拓扑形成算法及路由协议.
在分层图模型G中,每层对应一个信道,假设有Ⅳ个可用信道,则分层图共有Ⅳ层.
分层图的顶点对应节点和节点的子节点,例如节点A,其子节点为A.
,A,…,.
v,其中A位于分层图的第i层,A的辅助子节点为A,节点A不在分层图的任何一层.
加入了辅助子节点A后的分层图表示为G.
分层图的边由接人边、水平边、垂直边和内部边4种类型组成.
利用分层图模型对频谱机会集(spectrumoppor—tunities,SOP)建模、无线通信接口分配和计算路由信息,其目标是:①根据SOP,智能分配无线通信接口,形成连接的拓扑结构;②能够方便地计算节点间路由信息,最大化网络连接性.
利用分层图模型,两个节点问的路由可通过计算最短路径而得到;③使路由的信道选择多样化,防止邻跳干扰(adjacenthopinterference,Am),最小化邻居节点间干扰,最大化网络容量.
协议需要频繁地重建拓扑结构,对于CRN来说,比较复杂,灵活性较低.
(3)Zhou等.
'提出一种基于着色多图模型的跨层路由协议.
着色多图由G=(,,w)表示,为顶点集(每个顶点表示~个节点),Ec为着色边集,w为边的权值.
模型实现了由可用频谱形成CRN拓扑结构、路由选择和无线通信接口分配的跨层设计.
路由选择与无线通信接口分配算法为多项式时间算法,如表1所示,假设共有JⅣ个信道,颜色i对应信道Chi,源节点为S,目的节点为t,权值函数为W:E(G)一,着色函数k:E(G)一{Chl,Ch2,…,ChN},S到t的最优路径小型微型计算机系统2010篮为P,跳数为z(t).
算法计算复杂度为0(n),其中,l为CRN节点数.
算法优化了路由跳数,找到了所有可行路由中具有最少跳数的路由,但对于AH/却为局部优化.
表1路由选择与接口分配算法TablelAlgorithmofroutingselecuonandin~rfaceassignment路由选择与接口分配算法设f()=O,对任意v∈G)、,设f(v)=;对任意vEV(G),设E(C)=,C(v)=0;对任意eEE(G),设w()=1,R:找到一个顶点vR,满足f(v)=lTIif(W).
若多wE儿"J、余一个顶点,则根据顶点标号按升序方式,选择具有最小c(v)的顶点设R=RU{v},若顶点v仅有一个接口,则对所有与v相连的边的色数≠p(E(v)),修改这些边的权值为m若tR,算法终止,输出反向最优路径为f—p(t)一P(P(t))一…一;对每个wER,假设v到w的边的权值为1的边为el,e2,…,e,若f(W)Mr,则Mr=PREQIDSTEP5记Mt=节点可用频带数STEP6若RREQID>Mt,则Mt=PREQIDSTEP7R继续转发RREQ,且MAXID:RREQ1DSTEP8不同的EQID构成了不同RREQ,R继续转发复合RR~~2STEP9D初始reply1D=0,进行RREQ1D与replyID比较,若RREQID>reptyID,则replyID=RREQIDSTEP10若RREQ,D≤reptyID,则D不发送RREP,并继续接收下一个RREQ;若PREQID:M,则D丢弃RREQSTEP11S收到RREP,检验RREPID,由德个RREPID生成各自路由表;若RREPID>table11),则路由表由RREP生成;若PREPID=M,则路由表由RREP生成.
复合路由建立(11)Deng等提出一种基于分布式CRN的合作式路由与频谱选择算法.
算法联合考虑了频谱稳定性与干扰约束,采用随机过程与概率论进行分析,提出最小干扰边缘最大化MMqq~原理,获得稳定路由.
算法假设节点间采用单向链路,且所有可用频谱可分成相同带宽的频带,由于CRN频谱的不规则性,该假设过于理想.
(12)Fujii等提出一种多频带多路由按需路由协议.
引入复合频带和复合路由概念,前者由可用频谱得到,后者由不同频带上的不同路由组成.
协议使网络具有丢包率低的特点,降低主用户引入的干扰,其路由建立过程如表2所示(规定:S为源节点,D为目的节点,R为邻居节点,R_P,EQID为可用频带数,MAX,D为节点最大路由请求,为备用频带数,replyID为路由响应ID,tableID为S的路由表最大RREPID).
(13)SAMER协议是基于CR网状网的频谱感知路由协议.
协议由动态前向备用网状结构和机会前向转发2部分组成.
前向网状结构创建方式为:每个节点计算到目的节点D的成本值(节点f的成本值记为Cost),成本值代表沿跳数小于协议规定值日的路径的最高频谱利用率,即长期稳定性,且路径符合最短跳数原则.
同时,每个节点创建该节点的1258小型微型计算机系统2010芷备用前向邻居节点集合Candidate,要求邻居节点到目的节点的成本小于协议规定值e节点i向D转发数据包Pkt的过程如表3所示,其中』v为节点i的邻居节点集合.
机会前向转发考虑链路的最高频谱利用率,协议给出了度量频谱利用率的标准PSA,PSA结合了局部频谱利用率和频谱质量(例如可用带宽和丢包率度量),采用节点间平滑累积吞吐量SThr(f.
『】作为衡量指标,即SThr(j.
,)*SThr(J)+(1一O1)xThr(,J)其中(i,)为邻居节点对,Ol为常数,Thrff.
f】为累积吞吐量,即Th=∑川fnlnr(1r4…).
b其中B,为节点i可用频谱,a为反映频谱质量的权值,Thr(f.
为频谱b上(f,J)的吞吐量,即Thr().
6=6XB*(1一Pb)其中为节点不发送或接收分组的时间,B为带宽,P/o.
~s为丢包率.
,b表3SAMER协议数据包Pkt转发流程Table3ForwardingprocedureofapacketPkt数据包P灯转发流程STEP1对于任意n∈N,节点f计算CostSTEP2若Cost≤C,则节点i向Candidatef中加入节点nSTEP3节点f经最高频谱利用率链路(i,n)转发Pkt,其中n∈Candidatef(14)CLR协议是一种基于位置的分簇路由协议.
协表4簇问路由发现过程Table4Inter—clustermutingdiscoveryprocedure簇问路由发现过程STEPl广播的,D和位置信息,生成邻居表,并按邻居簇头与节点所在簇的簇头之问的距离排序STEP2S向簇头发送RREQ,包含数据流/D、S与D的,并启动路由发现计时器STEP3簇头在邻居表中找到D的位置,选择邻接簇到D所在簇的最短路径STEP4簇内外节点记录数据流信息,形成数据流表单,通过网关节点向最近簇转发RREQ,重复STEP3和STEP4,直到RREQ到达DSTEP5D所在簇的簇头接收RREQ,并向s发送RREPSTEP6RREP到达,路由建立;若路由发现计时器已到时,则不接收任何RREP,并重新发起RREQ议考虑了UWB网络的精确位置定位能力,应用于认知UWB网络,且频谱空穴具有位置依赖和缓慢时变的特点,另外认知节点移动速度较慢.
认知UWB网络由多个簇组成,每个簇包含簇头、网关节点和普通节点.
簇头由簇表和簇邻居表组成,负责簇内接入控制与簇间分组传输.
簇表包含簇成员节点和网关节点的地址、,D、地理位置;簇邻居表包含邻居簇的地址、所用信道和地理位置.
分簇路由协议可分为簇内路由和簇问路由,簇问路由发现过程如图4所示,具体实现过程如表4所示.
在簇不可用和链路忙两种情况下,协议发起路由维护.
(15)其他路由协议.
Benedetto等研究了UWB网络的认知路由问题,提出路由成本函数,包含了同步、功率、多用户干扰、链路可靠性、流量负载、端到端时延、耗能和共存等图4分簇结构及簇问路由发现过程Fig.
4Clusterednetworksandintm-clusterroutingdiscoveryprocedure方面,考虑了网络内部状态与外部世界之间的交互关系.
Liu等研究了基于容量的认知路由策略问题,改善了AdHoc网络的可扩展性和容量.
CTBR协议扩展了TBR协议弘】,使之适应于CRN,采用总体认知链路成本函数与局部决策规则解决多种无线电系统共存时的路由问题.
4认知无线电网络路由协议比较路由协议是CRN的关键技术之一,面临着传统无线多跳网络路由协议所不能克服的挑战,通过对CRN路由协议的分析,很难说哪个协议更优越,为了对目前CRN路由协议有个整体的直观认识,本文采用列表的方式对协议进行比较.
表5对重点讨论的路由协议进行分类比较,表6从协议特点方面进行了比较和总结.
5总结与展望通过对CRN路由协议分析和比较,并结合RFC2501副关于路由协议评估标准的建议,笔者认为,好的CRN路由协议的设计应着重从以下方面考虑:①从认知无线电的应用目标考虑,提高频谱利用率是路由设计的基本要求;②针对节点资源受限的特点,采用能量优化策略设计能量有效的路由协议;③针对CRN网络拓扑结构动态变化的特点,设计适应能力强、可靠性好、可扩展性好、鲁棒性高的路由协议;④从CP.
N实际应用效能的角度考虑,设计端到端时延低和跳数短的路由协议;⑤针对路由效率问题,设计数据包传输率高的路由协议;⑥针对网络转发数据包的效率问题,设计吞吐量高的路由协议.
另外,在设计CRN路由协议时,还应围绕多个目标进行优化,考虑跨层合作、CRN特点及链路状况、网络容量、主用户干扰、频谱接人公平性、路由安全性、环路避免等因素.
同时,也应当考虑是否存在CCC、先验式还是反应式路由、分布式还是集中式路由、基于目的节点还是基于源节点路由、单播路由还是组播路由等方面.
进而基于多目标优化策略,设计出7期张龙等:认知无线电网络路由协议综述1259表5路由协议的分类比较Table5Comparisonofclassificationsofroutingprotocols协议路由度量宴鬟和时延关键节点吞吐量优缺点Wang人Xin等人网络容量、邻居节点问的干扰约束Zhou等人SoRPDORPMSCRP跳数累积时延(频谱切换时延与退避时延)累积时延(频谱切换时延、排队时延和退避时延)时延、链路利用率SPEAR跳数Khalif£等人Ma等人PalDeng等人Fujii等人SAM匣R跳数、链路容量高无度量高高低高高干扰约束、公平性无度量跳数、链路容量干扰约束(最小干扰边缘最大化机制)跳数、干扰约束频谱利用率CLR跳数无度量无度量高高高量中央"gene"点执行算法无度无量无度无量低无低低低无量无量无量度度度无无无无集中式中央服务器无无度无量无度无量无度无量低簇头吞吐量随可用信i数呈线性增长形式大的无线传输半径和低的流量负载条件下吞吐量高无度量无度量无度量吞吐量随数据流总数和速率而增长高高无度量无度量无度量无度量高高需要频繁重建网络拓扑,复杂性高,缺乏灵活性计算复杂性低,邻跳干扰局部优化自适应性强,缺乏考虑吞吐量等度量标准自适应性强,缺乏考虑吞吐量等度量标准无公共控制信道,采用单个收发信机鲁棒性好,高效,计算复杂性低,协议复杂性低依赖于公共控制信道,缺乏灵活性干扰避免,路由具有公平性计算复杂性低,协议复杂性低,实时性高,可进行快速路由网络场景过于理想对源自主用户的干扰具有鲁棒性长期路由稳定性与短期机会式路由处于折中簇形成带来一定时延1260小型微型计算机系统2010拄满足符合实际网络环境、可行有效的CRN路由协议.
综上所述,CRN路由协议比传统无线多跳网络路由协议复杂得多,今后它仍是一个开放性研究课题,在现有的研究基础上并结合笔者在本领域的工作…,笔者认为CRN路由协议研究的发展趋势主要体现在跨层合作式路由协议、多信道多路径路由协议、随机动态路由协议、基于位置的路由协议、QoS路由安全路由协议等方向.
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RFC2501,1999.
主机参考最新消息:JustHost怎么样?JustHost服务器好不好?JustHost好不好?JustHost是一家成立于2006年的俄罗斯服务器提供商,支持支付宝付款,服务器价格便宜,200Mbps大带宽不限流量,支持免费更换5次IP,支持控制面板自由切换机房,目前JustHost有俄罗斯5个机房可以自由切换选择,最重要的还是价格真的特别便宜,最低只需要87卢布/月,约8.5元/月起!just...
从介绍看啊,新增的HostYun 俄罗斯机房采用的是双向CN2线路,其他的像香港和日本机房,均为国内直连线路,访问质量不错。HostYun商家通用九折优惠码:HostYun内存CPUSSD流量带宽价格(原价)购买地址1G1核10G300G/月200M28元/月购买链接1G1核10G500G/月200M38元/月购买链接1G1核20G900G/月200M68元/月购买链接2G1核30G1500G/月...
关于HostDare服务商在之前的文章中有介绍过几次,算是比较老牌的服务商,但是商家背景财力不是特别雄厚,算是比较小众的个人服务商。目前主流提供CKVM和QKVM套餐。前者是电信CN2 GIA,不过库存储备也不是很足,这不九月份发布新的补货库存活动,有提供九折优惠CN2 GIA,以及六五折优惠QKVM普通线路方案。这次活动截止到9月30日,不清楚商家这次库存补货多少。比如 QKVM基础的五个方案都...
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