摘 要

随着无线通信的发展，频谱资源的使用日益紧张，因此以提高频谱利用率为目的的认知无线网络被提出。然而，认知无线网络在主用户通信来临时所面对的干扰是一个亟待解决的问题。本文研究的认知无线网络多径路由算法是提高网络中路由服务质量的关键要素。文中首先研究分析了两个基于不同度量的多径路由算法，然后利用多信道原理对其一进行改进，从而提出优化的多径路由算法。实验结果表明提出的优化算法在三个不同的仿真场景下，均比其余两个算法的服务质量高，性能提升最高可达18.7%。所得结果表明多信道技术对路由算法的性能有提升作用，对认知无线网络路由算法研究有积极意义。

关键字：认知无线网络；路由算法；服务质量；多信道

Abstract

With the development of wireless communication, the use of spectrum resources is becoming increasingly tense, so the cognitive wireless network for the purpose of improving the spectrum utilization rate is proposed. However, the interference of cognitive wireless networks in the presence of primary user communication is an urgent problem to be solved. In this paper, the cognitive wireless network multipath routing algorithm is a key factor in improving the quality of routing services in the network. In this paper, we first study and analyze two multi-path routing algorithms based on different metrics, and then use multi-channel principle to improve one of them, and propose an optimized multipath routing algorithm. The experimental results show that the proposed algorithm is superior to the other two algorithms in three different simulation scenarios, and the performance is up to 18.7%. The results show that the multi - channel technology has a positive effect on the performance of the routing algorithm, and has a positive effect on the research of cognitive wireless network routing algorithm.

Keywords: cognitive wireless network; routing algorithm; quality of service; multi-channel

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的与意义 1

1.2 认知无线网络路由算法国内外研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章 认知无线网络路由算法原理 4

2.1 认知无线网络 4

2.2 相关路由算法 5

2.2.1 基于Routes Closeness Metric的路由算法 5

2.2.2 基于AHV的路由算法 7

2.3 基于AHV的多信道多径路由算法 11

2.3.1 系统模型 11

2.3.2 路由算法 12

2.4 本章小结 15

第3章 认知无线网络多径路由算法仿真设计 16

3.1 仿真程序 16

3.1.1 多径路由算法仿真流程 16

3.1.2 仿真网络设置 17

3.1.3 路径发现 18

3.1.4 路径选择 19

3.1.5 路由算法性能测试 20

3.2 仿真结果 20

3.2.1 仿真参数 20

3.2.2 仿真评估度量 21

3.2.3 仿真结果及分析 21

3.3 本章小结 23

第4章 总结与展望 24

4.1 论文工作总结 24

4.2 研究工作展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的与意义

无线电频谱资源不是取之不尽、用之不竭的公共资源，随着无线通信技术的迅猛发展，尤其随着无线局域网（WLAN）、无线个人局域网（WPAN）技术的发展，其有限性日益凸显，因此频谱资源是无线通信中最为宝贵的资源。然而，现实生活中，人类对可用频谱资源的使用却非常不一致。在非授权的频段（UFB）上，随着各种技术的不断增长和使用，例如，Wi-Fi技术和蓝牙（Bluetooth）技术等的迅猛发展和普及，利用这些技术的设备所工作的非授权频谱已经变得相当拥挤。而存在一些通信业务（如航空通信和电视广播业务等）由于需要避免其他通信业务对它的干扰，因此需要通信网络对其提供一定的保证。为了保证这些业务通信的服务质量，频率管理部门专门分配了特定的频段以供这些特定的业务使用，这些分配的频段就是授权频段（LFB）。与非授权频段相比，授权频段占用了绝大部分的频谱资源 (只有少部分频谱资源被分配给非授权频段)。但是，目前存在相当数量的授权频谱其频谱利用率相当低的状况。于是就出现了这样的事实：只占据频谱资源一小部分的非授权频谱其上承载的业务量很大，而占用了绝大部分频谱资源的已授权频段的利用率却非常低。因此，根据以上的事实可以得出这样的结论：基于当前的频谱资源分配方法，有相当数量的频谱资源的利用率是不够理想的。因此，我们需要一种新颖的方法用以解决可用于某些用途的频谱的拥塞问题，以及用于其他用途的频谱被无效分配使得其使用率过低的问题^[1]。

作为当前无线电频谱资源使用不理想状况的有希望的解决方案，认知无线电(Cognitive Radio，CR)是由Joseph Mitola博士和GERALD Q MAGUIRE JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的^[2]，是对软件无线电的进一步的扩展，有可能解决由有限的可用无线电频谱资源和频谱资源的低效率使用导致的无线通信问题。认知无线网络（Cognitive Radio Network，CRN）中的认知用户（Secondary Users，SUs）通过利用认知无线电技术感知当前无线网络环境和当前的频谱资源的使用状况，机会性地接入当前未被主用户（Primary Users，PUs）使用的空闲频段进行通信，从而提高了授权频谱的使用效率。但是由于认知网络中主用户的活动性和移动性，将使得认知无线网络中认知用户的通信为规避主用户网络正常通信而中断，由此产生大量的数据丢失与延迟。这个过程不仅会影响认知用户的通信过程，而且由于频繁的进行路由发现会使路由开支增加。而多路径路由以其特殊属性是提高连接可靠性的通用解决方案。通过在多路径路由算法中选择合适的通信路径，在源节点和目的节点对中选择最优化的路径进行组合，就可以尽可能避免主用户网络干扰中断所选路径的通信，从而提高端到端通信的服务质量（QoS），保障数据传输的可靠性和服务质量。

1.2 认知无线网络路由算法国内外研究现状

在传统的无线自组网络上已经提出了相关的路由算法，例如，既有只选择使用一条路径进行数据传输的AODV^[3](Ad hoc On-demand Distance Vector Routing)路由协议（单路径路由协议），也有文献[4]-[6]中提出的节点不相交路由算法，通过选择共享节点数最少的多条到达目的节点的路径以期实现最高的端到端可用性（多径路由协议）。此外，文献[7]中提出的区域不相交算法，通过将整个空间划分为多个区域，然后选择共享公共区域最少的多条路径进行组合。然而，与无线自组网络中的传统路由协议不同，认知无线网络中的路由必须处理一些挑战，包括适应主用户和认知用户随机行为的频谱可用性的动态变化，资源的异质性，例如同一节点的不同信道和无线电的可用性，以及不同信道上的节点之间的同步。因此直接在认知无线网络中使用无线自组网络的传统路由协议将导致吞吐量、延迟和丢包概率的性能较差，无法保证数据传输的服务质量。

为解决上述问题，很多著名学者和机构都投入到认知无线网络相关技术的研究中，由此提出了许多与路由算法相关的科研成果^[8]。