四川大学硕士学位论文 硕 士 学 位 论 文题 目 联合频谱分配的认知无线电网络路由协议研究 作 者 完 成 日 期 2011年 月 日 培 养 单 位 四川大学 指 导 教 师 专 业 通信与信息系统 研 究 方 向 授予学位日期 年 月 日 i联合频谱分配的认知无线电网络路由协议研究通信与信息系统 专业 研究生： 指导教师： 认知无线电网络是一种基于认知无线电技术的新型网络，其独特的网络构成和频谱共享机制可以有效的提高频谱利用率，从而缓解目前频谱资源紧张的问题。与传统的无线网络不同，认知无线电网络具有频谱异构性，频道动态性和差异性等特点，使得传统的路由算法不再适用于认知无线电网络，必须根据其特点设计新的路由机制。本文首先介绍了认知无线电网络的起源，特点及现有的认知路由算法，然后结合认知路由的跨层设计思想和对现有认知路由算法缺点与不足的分析，提出了一种基于频道可用率和节点时延代价的频道分配算法，充分考虑了频道的动态性和时延代价，能够有效的减少由于授权用户干扰而造成的频道失效问题。在此基础上，设计了一种新的联合频谱分配的认知路由机制PCRP协议，在按需路由的过程中进行频道的分配，同时采用了路径可用率和路径累计时延代价作为路由选择的度量，保证了所选路径的可靠性和可用性，提高了路由性能。但是在网络负载较大，多数据流并存的网络场景中，交叉节点的形成使其需要同时为多条数据流的服务，导致其无线收发机在多个工作频道上来回振荡，从而引起了路由性能的下降。为了解决交叉数据流带来的问题，本文在PCRP协议的基础上又提出了WPCRP算法，通过加权优化机制对交叉节点的频道可用率进行加权衰减，有效的减少了交叉数据流的形成，提升了算法的路由性能。最后，为了评估PCRP和WPCRP算法的路由性能，本文在不同的网络场景下对两种算法进行了仿真实现，并引入了JSORP路由算法作对比。通过对实验结果进行分析比较，由仿真结果表明，PCRP和WPCRP算法更能适应认知无线电网络的动态性，具有更好的路由性能。关键词：认知无线电网络、频道分配、路由算法、路由选择尺度A Novel Routing Protocol with Spectrum Assignment for Cognitive Radio NetworksMajor: Communication and Information SystemMaster candidate: Supervisor: Cognitive Radio Network (CRN) is a new type of network model based on cognitive radio technology, which could effectively improve the spectrum utilization and relieve tension spectrum resources by its unique network structure and spectrum sharing mechanism. Differentiated from traditional wireless networks, CRN has the characters of spectrum heterogeneous, dynamic channel and different usable channel set, which makes the traditional routing algorithms no longer suitable for cognitive radio network. New routing mechanism should be designed according to its characteristic.Firstly, the genesis and characteristics of CRN are introduced. With the analysis of shortcomings of existing cognitive routing algorithms, a new spectrum assignment algorithm is proposed based on channel availability and node delay cost, as an important factor of routing design. It can effectively reduce the channel failure problems by authorized users accessing channels unexpectedly, fully considering the dynamic channel. Combining with the spectrum assignment algorithm, a new cognitive routing mechanism is presented, called PCRP, which specify the communication path together with nodes working channels. Adopting the path availability and path accumulative delay cost as routing metrics, PCRP could provide the communication path with reliability assurance and improve routing performance. Crossing node for multiple data flows will reduce routing performance due to switching channels continuously in heavy load networks. In order to solve the problems caused by the crossing data flows, WPCRP algorithm is proposed based on PCRP, which could reduce the number of crossing flows by adding some optimize mechanism. It could promote the routing performance in multi-flows coexistence networks environment.To evaluate the performance of PCRP and WPCRP algorithm, simulations in different network scene have been developed. The simulation results show that the proposed algorithms in this paper are adapted to dynamic CRN much better than JSORP algorithm.Keywords: Cognitive Radio Networks, Spectrum Assignment, Routing Algorithm, Routing Metric 目 录1.绪论11.1研究背景11.1.1 认知无线电网络的提出11.1.2 网络的构成及特点11.1.3 认知无线电网络的应用前景41.1.4 路由研究的必要性51.2 国内外研究现状51.2.1 传统的自组网络路由算法61.2.2 现有的认知无线电网络路由算法71.3 研究意义及本文工作82.认知路由设计相关问题分析102.1 认知路由环境102.2 跨层设计思想102.2.1 动态的多信道场景112.2.2 链路的连通性122.2.3 跨层设计122.3 路由控制信息142.3.1 基于轮询的广播方式142.3.2 基于同步时间窗的广播方式152.3.3 基于控制信道的广播方式162.4 路由度量分析172.4.1 路径跳数172.4.2 ETX及ETT路由度量172.4.3 结合频道切换的路径时延192.5 本章小结203.基于路径可用率的认知路由协议PCRP213.1 引言213.2 场景及假设213.3 频道分配算法213.3.1 周期性频谱检测223.3.2 基于历史统计信息的频道可用率243.3.3 频道分配253.4路由过程263.4.1 路由发现273.4.2 路由决定303.4.3 路由回应303.5 本章小结314.交叉数据流的优化324.1 引言324.2 问题描述324.3 传统的交叉数据流处理方法344.3.1 拒绝响应344.3.2 资源预留354.4 WPCRP协议设计364.4.1 加权频道可用率364.4.2 路由过程374.4.3 负载均衡394.4.4 交叉数据流服务模式404.5 本章小结415.算法仿真与性能分析435.1 仿真场景及参数设置435.2 PCRP算法仿真445.2.1 频道动态性对算法性能的影响445.2.2 链路丢包率对算法性能的影响455.3 WPCRP算法仿真465.3.1 交叉节点数的优化475.3.2 网络负载对算法性能的影响475.3.3 一级网络干扰对算法性能的影响495.4 本章小结506. 总结与展望516.1 总结516.2 展望51参考文献52581. 绪论1.1研究背景1.1.1 认知无线电网络的提出随着无线技术和通信业务持续快速的发展，无线频谱资源的需求量日益增长，无线频谱资源匮乏的问题也日益凸显。目前频谱资源的使用均是采用固定的分配原则，即针对不同的通信业务分配不同的频段给其使用。这种简单的固定分配原则带来的问题是，由于其他业务不能使用已分配的频谱资源，当授权用户空闲时，已分配的频谱资源将处于闲置浪费中。根据美国联邦通信委员会的调查报告1指出，美国国内已分配频谱资源存在大量闲置，根据时间的不同和地理位置的差异，使用率在15至85之间波动。由此可见，频谱资源的短缺问题主要是源于对频谱资源的管理和分配策略，而不是因为可用频谱自身的规模。为了解决目前频谱资源紧缺的问题，应打破现有的固定频谱分配原则，发展动态频谱访问技术和策略，以提高闲置的已分配频谱的利用率，提高频谱使用效率。近年来，动态频谱访问技术已引起了包括学术界，工程界，标准化组织及生产厂商在内的广泛关注，学者J.Mitola在文献2中,首次提出了一种新的动态频谱访问技术认知无线电技术，并提出了基于该技术的认知无线电网络(Cognitive Radio Networks, CRN)。认知无线电网络是基于