摘  要： 設(shè)計(jì)了合適的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過將AODV算法進(jìn)行適當(dāng)修改，使其能夠運(yùn)行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)模型的可行性。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)；自組織認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)；OPNET

　認(rèn)知無線電[1]（CR）的提出實(shí)現(xiàn)了不可再生頻譜資源的再次利用，是解決通信發(fā)展瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)（CRN）即認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化，CRN能夠利用認(rèn)知來獲取環(huán)境信息，通過對環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng)。目前國內(nèi)該領(lǐng)域的研究還剛起步，主要集中在頻譜檢測技術(shù)和頻譜共享技術(shù)的解決方案上，對網(wǎng)絡(luò)的整體仿真還關(guān)注甚少，然而，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的搭建和仿真也是該領(lǐng)域必不可少的環(huán)節(jié)。本文選用OPNET[2]仿真平臺，利用其現(xiàn)有的無線信道模型和無線節(jié)點(diǎn)模型以及這些模型用于自組織認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)（C-Ad Hoc）[3]所存在的對頻譜感知切換能力不足的問題，將它們進(jìn)行合理的改進(jìn)并添加自定義模塊，引用跨層設(shè)計(jì)思想[4]，設(shè)計(jì)出了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。然后適當(dāng)改進(jìn)AODV算法[5]，將頻譜信息合理考慮進(jìn)去，使其能夠運(yùn)行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上，稱作C-AODV算法，驗(yàn)證了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可行性。
1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)無線信道建模
　在OPNET中，無線信道通過設(shè)定無線收發(fā)機(jī)屬性來模擬。對于任何可能的收信機(jī)信道，封包都被拷貝一次經(jīng)歷后續(xù)的管道階段，圖1為發(fā)信機(jī)工作流程圖。OPNET關(guān)于發(fā)信機(jī)設(shè)定的幾個(gè)管道階段模型有接收主詢（Rxgroup）、鏈路閉鎖（Closure）、信道匹配（Chanmatch）、發(fā)送天線增益（Txgain）和傳播延時(shí)（Propdel）。

　收信機(jī)的管道階段模型有8個(gè)，包括接收天線增益（Ragain）、接收功率（Power）、背景噪聲（Bkgnoise）、干擾噪聲（Inoise）、信噪比（SNR）、誤碼率（BER）、差錯(cuò)分布（Error）和錯(cuò)誤糾正（ECC）。圖2為收信機(jī)工作流程圖。

　OPNET現(xiàn)有的無線信道模型只考慮了收發(fā)信機(jī)處于固定信道的場景特點(diǎn)，且限制一個(gè)接收機(jī)只能對應(yīng)一個(gè)進(jìn)程模塊，不適用于節(jié)點(diǎn)動態(tài)切換的多信道仿真。為解決這一問題，本文通過在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊（CPU）內(nèi)部用指令控制收發(fā)信機(jī)對于信道的感知和多信道的自我切換，彌補(bǔ)其多信道動態(tài)切換能力的不足。同時(shí)，對發(fā)信機(jī)的接收主詢和鏈路閉鎖兩個(gè)管道階段進(jìn)行改進(jìn)，在接收主詢中將處同一節(jié)點(diǎn)模塊下的收信機(jī)隔離，以防止對自己發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況，并增加感知收信機(jī)來模擬頻譜感知功能。進(jìn)一步在鏈路封閉中參考信道衰落特征將認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可直接傳輸?shù)淖畲缶嚯x設(shè)定為一定范圍，如300 m，若傳輸距離超過300 m，則需要中繼通信，從而模擬C-Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。

　一般的無線節(jié)點(diǎn)（即授權(quán)用戶）不需要感知頻譜環(huán)境，它們有自己固定的可用頻段。而在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，非授權(quán)用戶必須有動態(tài)地感知和切換頻譜的功能。這就意味著認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在以下3方面不同于一般無線節(jié)點(diǎn)：
　（1）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要具備能夠感知周圍可用信道并對多信道進(jìn)行處理的能力；
　（2）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠完成動態(tài)頻率的切換；
　（3）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在檢測到當(dāng)前工作頻段重新被授權(quán)用戶占用時(shí)，能夠迅速退出。
　分析以上特征，可知感知檢測在物理層。而鄰節(jié)點(diǎn)分析處理和路由決策控制又分屬鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，上下層之間信息交流頻繁，為此，需要引進(jìn)跨層設(shè)計(jì)思想來設(shè)計(jì)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)模型。
本文的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)分為3類，依次是源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，其共性體現(xiàn)在3大基本功能上。
　（1）信道沖突檢測功能
　信道沖突檢測功能[6]即載波監(jiān)聽功能。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)認(rèn)知用戶都具備多帶載波監(jiān)聽功能。利用此功能，認(rèn)知用戶可以檢測當(dāng)前某些頻段上各個(gè)頻率的使用情況，進(jìn)而選擇其中最優(yōu)頻率工作。認(rèn)知用戶通過載波監(jiān)聽功能避免了在頻率使用過程中與相應(yīng)主用戶之間產(chǎn)生信道沖突。此功能在自定義CPU模塊中嵌入。
　（2）計(jì)時(shí)功能
　路由的建立需要一定的時(shí)間，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)出路由請求之后需要進(jìn)入特定時(shí)間的等待中，如果在一定時(shí)間內(nèi)路由沒有成功建立，源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行路由請求。因此，節(jié)點(diǎn)需要具備計(jì)時(shí)功能。此功能在自定義CPU模塊中嵌入。
　（3）節(jié)點(diǎn)移動功能
　在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，主用戶既可以是移動用戶也可以是非移動用戶，為了讓建立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更符合實(shí)際的拓?fù)渥兓闆r，該網(wǎng)絡(luò)中的所有認(rèn)知用戶都需具備可移動的功能。此功能通過選擇OPNET無線移動節(jié)點(diǎn)嵌入。
　除此之外，源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)又各有自身的特點(diǎn)，下面以信道建模和節(jié)點(diǎn)建模中存在的問題及解決方法為引導(dǎo)，分別加以分析。
　（1）源節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　圖4所示為源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域模型，包括RREQ包產(chǎn)生模塊source_generate，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊source_send，對主用戶的檢測模塊src_chk，收發(fā)機(jī)source_start、source_receive、chks_rcv以及天線src_ant和chks_ant。由于該仿真軟件限制，一個(gè)接收機(jī)只能對應(yīng)一個(gè)進(jìn)程模塊，因此，此處設(shè)置了兩部收信機(jī)，一部對應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊的信號接收，一部負(fù)責(zé)主用戶檢測模塊的信號接收。source_generate負(fù)責(zé)創(chuàng)建新的RREQ包并傳送到source_send模塊，source_send負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)相關(guān)信息的記錄及收發(fā)，src_chk負(fù)責(zé)在源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送需要時(shí)檢測主用戶的活動情況以判斷可用頻率。

　（2）中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　圖5為中繼節(jié)點(diǎn)relay1的節(jié)點(diǎn)域模型。其中relay1_ant和chk1_ant是天線，relay1_rcv、relay1_send和chk1_rcv是收發(fā)機(jī)，relay1_pro是數(shù)據(jù)處理模塊，relay1_pri_check是對主用戶活動的檢測模塊。relay1_pri_check在接收到relay1_pro的命令時(shí)啟動對主用戶信號檢測功能，檢測主用戶是否在使用其授權(quán)頻率。若主用戶不在使用其授權(quán)頻率，則relay1_pri_check通知relay1_pro繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；若主用戶在使用其授權(quán)頻率，則換頻再檢測直到找到可用頻率再通知relay1_pro繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　這3類節(jié)點(diǎn)的跨層設(shè)計(jì)體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)域模型上，其中收發(fā)機(jī)以及天線屬物理層模塊，負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境，掃描信道信息，并將信道信息傳至上層，同時(shí)還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。CPU模塊同時(shí)完成鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行選路的時(shí)候需要聯(lián)合物理層來感知信道信息，通過雙向的信息反饋來判斷并最終決定合適的信道，然后由物理層完成合適信道的切換，鏈路層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對相應(yīng)信道的接入，最后完成路由控制包的發(fā)送和接收。
3 C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)建模
　本文的主要工作是搭建C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，然后采用C-AODV算法來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的可行性。圖7所示為搭建的C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)屬于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。其中prim_1和prim_2表示主用戶，虛線所示為它們的功率覆蓋范圍，假設(shè)它們各自的授權(quán)頻率為f1和f2（如30 MHz和40 MHz）。主用戶采用ON-OFF工作模式，主用戶1每隔t1時(shí)間工作一次，主用戶2每隔t2時(shí)間工作一次，工作時(shí)間均為t3；其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)為次用戶節(jié)點(diǎn)，其中src為源節(jié)點(diǎn)，dest為目的節(jié)點(diǎn)，relayi（i=1，2，3）分別是路由中繼節(jié)點(diǎn)，它們在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間成功建立通信路由，如圖中的路徑1和路徑2，每條鏈路可用的頻率均為f1或者f2。圖中黑粗箭頭代表中繼節(jié)點(diǎn)3在仿真中的移動軌跡。

4.2 仿真結(jié)果
　為了研究路由建立與外部環(huán)境的關(guān)系，在仿真過程中，假定尋路過程不斷進(jìn)行。
　圖10為仿真進(jìn)程中的部分消息顯示。從圖中方框中的內(nèi)容可以看出，這條成功路由是src-relay2-relay3-dest，共3跳，通信頻率均為30 MHz，符合圖9關(guān)于路徑2的理論假設(shè)。

　兩跳路由與3跳路由的路徑不同但對通信頻率的選擇相似，兩跳路由的路徑是src->relay1->dest，通信頻率可以是30 MHz也可以是40 MHz，根據(jù)節(jié)點(diǎn)周圍環(huán)境來決定。兩跳路由符合圖9關(guān)于路徑1的理論猜想，此處不再圖示。
　圖11和圖12是仿真8 min，在有無節(jié)點(diǎn)移動情況下每條成功路由所需要的跳數(shù)。圖11是無節(jié)點(diǎn)移動情況，總共12次成功建立路由，其中3跳路由10次，2跳路由兩次。3跳路由比2跳路由更容易建立，這是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)relay1同時(shí)在主用戶1和主用戶2的通信范圍內(nèi)，當(dāng)主用戶活動的時(shí)候，relay1必須避開相應(yīng)頻率以防止對主用戶產(chǎn)生干擾，頻率的不可用讓relay1在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的通信鏈路上變得不可用，因而2跳路由建立次數(shù)較少。圖12是中繼節(jié)點(diǎn)relay3在仿真進(jìn)行5 min后開始沿著圖9箭頭方向移開網(wǎng)絡(luò)時(shí)的路由建立情況。從圖12中可以看出，在仿真進(jìn)行300 s之后，路由成功次數(shù)比圖11少，且由圖11中的3跳2跳不定變?yōu)槿恐挥?跳。圖12出現(xiàn)這樣的差別是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)relay3在仿真進(jìn)行5 min（300 s）后移開網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致路由src-relay2-relay3-dest不可用，只有路由src-relay1-dest可用。又因?yàn)閞elay1受主用戶工作影響較大，所以路由成功的次數(shù)也較圖11降低了。

　本文利用OPNET原有模型，將其修改并添加模塊，設(shè)計(jì)出了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)并成功搭建C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用C-AODV算法驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的可行性。下一步將以此網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，繼續(xù)研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)化問題。
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